旋转多基线数字近景摄影测量

旋转多基线交向摄影流程如下。 1) 根据被摄物体的宽度和相机的地面覆盖 范围, 将被摄物体按水平方向划分为若干 条带 。 划分条带时, 保证条带间的重叠度 大于 60% , 以 确保条带间有足够多的连接点。 2) 根据摄影距离确定摄影基线的长度和摄 站个数。相邻摄站间的基线长度应小于摄影距离 的 20% , 以保证相邻 摄站影像间的 交会角小于 10 , 易于自动化匹配; 同时, 首尾摄站间的基线长 度应大于摄影距离的 50% , 以保证测区内影像间 的最大交会角大于 25 , 从而保证交会精度。 3) 在每个摄站上手持相机, 通过旋转摄影的 方式, 对准每一条带中心进行连续摄影。 图3中, 被摄目标被划分为3个条带, 共设4
测量, 并通过旋转多基线的摄影方式提高了近景 摄影测量的交会精度, 很好地解决了在近景摄影 测量中大交会角摄影时自动化匹配难以实现的问 题。通过多组不同试验场和不同相机的大量试验 证明, 该方法 获取的量测精度 比传统 DL T 作业 方式提高了 4 倍以上。
1 旋转多基线交向摄影
1. 1 多基线交向摄影与多基线匹配 近景摄影测量所用的相机一般为非量测相机,
通过这种旋转多基线交向摄影的方式, 扩大 了交向摄影的地面覆盖范围, 更重要的是, 这种摄 影方式中的 条带 概念与传统航空摄影测量中的 航带 概念等同了起来。在旋转多基线交向摄影 中, 条带内的相邻影像可以构成立体像对, 并且重 叠度大于 90% , 能够进行相 对定向和模型连接; 条带间的重叠度大于 60% , 条带间有足够多的连
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武 汉 大学 学报 信息 科 学版
2009 年 1 月
为平差提供初值。航空摄影测量中的相对定向和 模型连接多是针对竖直摄影的, 而近景摄影测量 中的摄影方式常为交向摄影, 以下将介绍如何对 旋转多基线摄影获取的影像进行全自动区域网三 角测量。 2. 1 影像匹配
由于近景中被摄物体在影像上的视差变化比 航空影像大, 因此必须增大匹配的搜索范围。但是 增大搜索范围会降低匹配的正确率与可靠性, 因此 要采用多级金字塔匹配。为了进一步提高匹配的 速度和正确率, 影像间可以人工给定一对种子点。
图 5 试验 1 6 的试验场全景图和控制点分布 F ig. 5 P ano rama o f the T est ing F ield and the GCP
Dist ributio n o f Ex periment 1 6
表 2 为试验 1~ 5 按单模型和 DL T 进行解算 的精度( 试验 6 单幅影像上控制点少于 6 个) 。表 3 为试验 1~ 6 自检校光束法平差精度报告 ( 试验 2, 3, 4 中, 控制点总数 29, 由于摄影的地面覆盖范 围存在略微差异, 因而所用的控制点总数有所不 同) 。所有精度报告中相对精度为点位精度与摄 影距离的比值, Y 方向为深度方向。
若测量误差为定值, 则前方交会的误差主要 取决于交会角 , 交会角愈小, 测量的深度误差愈 大[ 1] 。交会角 近似等于摄影基线B 与摄影距离 D 的 比值, 即 B/ D。因此, 如果摄 影距 离一 定, 增加摄影基线的长度可以增加交会角, 从而提 高交会精度。
本文提出了旋转多基线数字近景摄影测量方 法。该方法突破了传统的按单模型和非量测相机 进行直接线性变换来求解影像外方位元素的作业 流程, 将传统的区域网三角测量应用于近景摄影
图 2 多基线交向摄影示意图 Fig. 2 M ethod of M ulti baseline Co nv erg ent
Photo gr aphy
1. 2 旋转多基线交向摄影 由于近景摄影测量所用的相机视场角小, 单
幅影像的地面覆盖范围有限, 同时交向摄影进一
步缩小了摄影的地面覆盖范围, 如果被摄场景很 宽, 采用多基线交向摄影的通常做法是将被摄物 体划分为多个子测区, 拍摄多组影像, 然后利用子 测区间的公共控制点进行测区间的拼接。为了减 少摄站个数, 并减少控制点数, 可采用旋转多基线 交向摄影的方式进行拍照, 然后利用传统区域网 三角测量将整个测区作为一个整体来解算影像的 外方 位元素。图 3 为旋转多基线交向摄影示意 图。
图 4 旋转多基线序列影像匹配与转点流程图 Fig . 4 Flow Char t of the T ie Points M atching
接点可以用来进行条带间的拼接。因此可以利用 传统的区域网三角测量来整体解算测区内所有影 像的外方位元素。
2 旋转多基线摄影的 区域网三角 测量
光束法区域网空中三角测量是解析空中三角 测量常用的手段, 它是以一张像片组成的一束光 线作为平差的基本单元, 以中心投影的共线方程 作为平差的基础方程[ 5] 。进行光束法平差之前, 需通过相对定向和模型连接等手段构建区域网,
像幅较小, 为了增加摄影基线的长度, 同时保证影 像间有三度以上的重叠( 保证测区自由网的建立) , 应采用交向摄影。但是, 随着摄影基线和交会角的 增加, 影像间的变形也会增加, 从而会降低影像匹 配的正确率与可靠性, 甚至导致匹配失败。图 1 为 交会角依次增大的序列影像( 局部影像) , 相邻影像 间的交会角约为 8 , 首尾影像间的交会角 24 。
数字摄影测量工作站虽然已经广泛地应用于 近景摄影测量, 但是其理论没有任基于直接 线性变换( direct linear t ransf ormat ion, DLT ) 的单模 型作业方式, 即按传统的平行摄影方式进行摄影, 相邻影像构成立体模型, 每幅影像利用 6 个以上的 外业控制点直接建立像点坐标和物方空间点坐标 之间的关系。由于这种作业方式无需相机的内方 位元素, 可以利用非量测相机进行近景摄影测量, 所以这种方法得到了广泛的应用。但是由于直接 线性变换[ 2] 未知数( 11 个未知数) 之间存在相关 性, 往往导致求解的 不稳定性。并且 DL T 对控 制点的分布要求高, 当控制点的分布不理想时, 易 出现病态解, 影响待定点的物方求解精度[ 3 4] 。同 时这种作业方式需要大量的外业控制点, 在实际 工程应用中工作效率低, 劳动强度大。
图 3 旋转多基线交向摄影示意图 F ig. 3 M etho d of T aking P ho tos by Panning and M ulti baseline Conver gent Phot og raphy
个摄站, 每个摄站旋转拍摄 3 张影像。黑色和白 色粗体线为被摄目标的条带划分, 黑色圆点代表 摄站, 黑色直线为摄影光束, 阿拉伯数字为影像拍 摄顺序, 虚线矩形区为同一条带内影像的地面覆 盖范围。
第 34 卷 第 1 期 2009 年 1 月
武汉大 学学报 信息科学版 Geo matics and Informat ion Science of W uhan U niver sity
文章编号: 1671 8860( 2009) 01 0044 04
旋转多基线数字近景摄影测量
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影像自动化匹配的理想交会角在 5 ~ 10 [ 1] , 但是为了保证交会精度, 理想交会角应大于 20 。 为了解决大交会角不 利于自动化影 像匹配的矛 盾, 可采用多基线交向摄影。图 2 为多基线交向 摄影示意图, a、b、c、d 为摄站, 1 为相邻影像摄影 光束交会角, 为所 有影像摄影光束间的最大交 会角。从图 1 和图 2 可以看出, 通过多基线交向 摄影获取的序列影像, 相邻影像间的交会角小, 影 像变形小, 易于匹配; 通过相邻影像间的匹配和点 的传递, 被摄物体在所有影像上的最大交会角为 , 从而提高了交会的精度。
如果相机在拍摄前未经检校, 则可将相机的畸变 差和像主点的初值设为零, 焦距初值使用相机出 厂时提供的参数, 然后进行自检校光束法平差( 在 线检校) , 在获取测区所有影像外方位元素的同时 解算出影像的内方位元素。由于在线检校考虑了 非量测相机在拆卸和重新安装过程中引起的相机 内方位元素的变化, 因而可提高非量测相机在近 景摄影测量实际应用中的精度。
文献标志码: A
柯 涛1 张祖勋1 张剑清1
( 1 武汉大学遥感信息工程学院, 武汉市珞喻路 129 号, 430079 )
摘 要: 提出了一种全新的数字近景摄影测量方 法 旋转多基线数字近景摄影测量。该方法通过应用旋转 摄影增大了摄影视场角, 应用 多基线 的摄影方式增大了 摄影交会角, 提高了交会精度, 并且解决了近景摄影 测量中大交会角影像难以实现自动匹配的困难。同时, 该 方法将传统的区域网空中三角测量应用于近景摄影 测量, 用于影像外方位元素的解算, 在提高精度的同时减少了外业工作量, 提高了生产效率。 关键词: 旋转摄影; 多基线; 数字摄影测量; 近景摄影测量; D LT ; 相对定向直接解 中图法分类号: P234. 1
通过 旋转多基线摄影 和多基线立体匹配获 得的同名点具有大量的多余观测值, 使用选权迭 代法获取观测值的权值并利用多片前交进行平差 计算, 既能较有效地解决随机的误匹配问题, 同时 又能增加交会角, 提高物方坐标解算的精度[ 10] 。
3 试验与分析
利用不同型号、不同焦距的非量测相机在不 同的试验场共进行了 6 组试验, 每组试验分别按 DL T 和自 检校光束 法平差 两种方 式进行 解算。 所有试验所用的控制 点坐标均用全 站仪测量获 得。图 5( a) 为试验 1 的试验场全景图和控制点 分布, 图 5( b) 为试验 2, 3, 4 的试验场全景图和控 制点分布, 图 5( c) 为试验 5 的试验场全景图和控 制点分布, 图 5( d) 为试验 6 的试验场全景图和控 制点分布。表 1 为试验数据说明。
旋转多基线影像匹配流程如下。 1) 第一条条带只进行条带内的匹配和转点。 首先将原始影 像转 成灰 度影像, 并 用 Wallis 滤 波[ 6] 对灰度影像进 行增强。然 后创建多 级金字 塔, 并在底层金字塔上利用 H arr is[ 7] 算子提取特 征点。最后按模型的顺序进行条带内影像的匹配 和点的传递。 2) 从第二条条带开始, 各条带内的每幅影像 首先与上一条带相对 应的影像进行 条带间的匹 配, 然后再进行条带内的匹配。这样就将上一条 带内的匹配点转到当前条带内。 图 4 为旋转多基线序列影像匹配与转点流程 图。黑色圆点为特征点, 十字丝为该特征点的匹 配点, 阿拉伯数字为匹配顺序。 2. 2 相对定向与模型连接 由于近景摄影测量中摄影方式为手持相机进 行的交向摄影, 因此无法知道影像外方位元素的 初始值。应利用相对定向直接解[ 8] 来求解相对定 向元素的初始值, 然后再利用迭代的方法精确解 求相对定向元素。同时, 由于近景影像的倾角较 大, 因此需先进行独立像对相对定向, 然后利用空 间相似变化进行模型连接。 2. 3 区域网的构建和光束法平差 每一条带利用相对定向和模型连接可以构建 单条带自由网。由于条带间的重叠度大于 60% , 因此条带间有足够多的连接点用来进行条带间的 拼接。同样, 利用空间相似变换和条带间的物方 同名点, 可将所有条带的坐标系转换到第一条带 的坐标系下, 从而建立起测区自由网。量测三个 以上的控制点并对测区自由网进行绝对定向以后 即可进行光束法平差[ 5, 9] 。 通常用于近景测量的相机多为非量测相机,