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1、第七章 数字摄影测量7.1.7.1.概述概述7.2.7.2.数字影像及数字影像重采样数字影像及数字影像重采样 7.3.7.3.基于灰度的数字影像相关基于灰度的数字影像相关7.4.SIFT7.4.SIFT匹配方法匹配方法7.5.7.5.核线相关与同名核线的确定核线相关与同名核线的确定7.6.7.6.数字摄影测量系统数字摄影测量系统主要内容第一节第一节 概述概述n影像量测方式的发展影像量测方式的发展 n数字摄影测量的概念数字摄影测量的概念n数数字字摄摄影影测测量量系系统统(DPS)(DPS)或或数数字字摄影测量工作站摄影测量工作站(DPW)(DPW)主要内容主要内容 一一.影像量测方式的发展影像量
2、测方式的发展 早期的摄影测量阶段，对影像量测均需人工进行，早期的摄影测量阶段，对影像量测均需人工进行，通过人眼与脑对影像进行人工定位、匹配与识别。通过人眼与脑对影像进行人工定位、匹配与识别。现阶段，计算机技术的发展，逐渐用计算机代替人现阶段，计算机技术的发展，逐渐用计算机代替人工完成一些摄影测量任务，即自动化测图。工完成一些摄影测量任务，即自动化测图。电子相关技术：将像片上的灰度信号转化为电信号电子相关技术：将像片上的灰度信号转化为电信号光学相关技术光学相关技术数字相关技术：电信号转化为数字信号，由计算机数字相关技术：电信号转化为数字信号，由计算机实现相关运算实现相关运算二二.数字摄影测量的概
3、念数字摄影测量的概念 利用数字灰度信号，采用数字相关技术量测同名像利用数字灰度信号，采用数字相关技术量测同名像点，再通过解析计算，进行内定向、相对定向和绝点，再通过解析计算，进行内定向、相对定向和绝对定向，建立数字立体模型，从而建立数字高程模对定向，建立数字立体模型，从而建立数字高程模型，绘制等高线，制作正射影像以及为地理信息系型，绘制等高线，制作正射影像以及为地理信息系统提供基础信息等的工作。统提供基础信息等的工作。三三.数字摄影测量系统数字摄影测量系统(DPS)或或数字摄影测量工作站数字摄影测量工作站(DPW)普通计算机影像数据处理系统普通计算机影像数据处理系统软件：影像数据处理软件系统软
4、件：影像数据处理软件系统硬件：影像数字化装置、影像或图形输出装置、电硬件：影像数字化装置、影像或图形输出装置、电子计算机子计算机(微机或工作站微机或工作站)自动化功能还有限，很多工作还要人工参与。自动化功能还有限，很多工作还要人工参与。第二节第二节 数字影像及数字影像及数字影像重采样数字影像重采样n影像灰度影像灰度 n数字影像及获取方法数字影像及获取方法n数字影像重采样数字影像重采样n影像数字化器影像数字化器主要内容主要内容 一一.影像灰度影像灰度 透光率透光率T：阻光率阻光率O：影像灰度：影像灰度：底片F0F图8-1 底片透光能力二二.数字影像及获取方法数字影像及获取方法 数字影像表达形式
5、频率域傅立叶变化二二.数字影像及获取方法数字影像及获取方法 数字影像获取方式：直接获取；利用数字化器对光学影像经过采样和量化而获得。采样：将连续的灰度函数模型离散化灰度量化：将采样得到的各像素点的灰度值取整的过程。二二.数字影像及获取方法数字影像及获取方法 n采样 对实际连续函数模型离散化的量测过程 n样点 被量测的“点”是小的区域-像素 n采样间隔 矩形（或正方形）的长与宽通常称为像素的大小 二二.数字影像及获取方法数字影像及获取方法 二二.数字影像及获取方法数字影像及获取方法 灰度量化的方法：将航摄像片上有可能出现的最大灰度范围进行等分为若干个“灰度等级”，当采样点的灰度值落在某个灰度级内
6、，则取其为此像素点的灰度值。灰度等级的表示：二二.数字影像及获取方法数字影像及获取方法 像素点的平面坐标：数字化影像中同一像点的像平面坐标x，y与其扫描坐标 不相等，需进行换算(数字影像内定向)，用仿射变换公式变换 为内定向参数，其数值由像片上四个框标点的扫描坐标及其相应的像平面坐标组成误差方程式，平差解算。三三.影像重采样理论影像重采样理论 求解不在原始像片上的像元素中心的像点的坐标值求解不在原始像片上的像元素中心的像点的坐标值时的再一次采样，称为重采样时的再一次采样，称为重采样(Resampling)不在采样点b双线性插值法卷积核是一个三角形函数卷积核是一个三角形函数 yx11121314
7、Py1y2ayx1x2x三三.影像重采样理论影像重采样理论 三三.影像重采样理论影像重采样理论 影像灰度内插方法：双线性内插法、双三次卷积法及最邻近像元法。四四.影像数字化器影像数字化器 对摄取的航摄像片进行采样和量化，是获取数字影像的方法之一。形式：电子光学扫描器和固体陈列数字化器。图8-3 滚筒式电子-光学数字化器结果示意图第三节第三节 基于灰度的基于灰度的数字影像相关数字影像相关n概念概念 n基于灰度的数字影像相关基于灰度的数字影像相关n基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法 主要内容主要内容 一一.影像相关影像相关立体测图的关键：寻找同名像点在左右像片上的位立体测图的关键
8、：寻找同名像点在左右像片上的位置。置。模拟测图：是作业人员通过双眼不断地在左右像片模拟测图：是作业人员通过双眼不断地在左右像片上寻找同名像点。上寻找同名像点。数字摄影测量中，以影像匹配的方法自动确定同名数字摄影测量中，以影像匹配的方法自动确定同名像点。像点。影像匹配影像匹配一一.影像相关影像相关影像影像相关是利用相关是利用互相关函数互相关函数，评价两块影像的，评价两块影像的相似相似性性以确定以确定同名点同名点。首先，取出其中以待定点为中心的小区域中的影像首先，取出其中以待定点为中心的小区域中的影像信号，然后，取出其在另一幅影像中相应区域的影信号，然后，取出其在另一幅影像中相应区域的影像信号，计
9、算两者的相关函数，以相关函数最大值像信号，计算两者的相关函数，以相关函数最大值对应的相应区域中心点为同名点。对应的相应区域中心点为同名点。以影像信号分布最相似的区域为同名区域，同名区以影像信号分布最相似的区域为同名区域，同名区域的中心点为同名点。域的中心点为同名点。影像匹配影像匹配示意图示意图 互相互相关函关函数数相似程相似程度度同名点同名点目目标标区区搜搜索索区区影像匹配影像匹配-同名点寻找同名点寻找1.二二维相关维相关 利用利用计算机对数字影像进行计算机对数字影像进行数值计算完成数值计算完成影像的相关影像的相关 目标区目标区 i,j搜搜索索区区mnkl二二.基于灰度的数字影像相基于灰度的数
10、字影像相关关 123456789相相似似性性测测度度则认为则认为(c，r)为同名点。此处，为同名点。此处，i=4，j=4。2.一一维相关维相关 目标区的选择目标区的选择：理论上，目标窗和搜索窗均可以是一：理论上，目标窗和搜索窗均可以是一维窗口。但是，由于两影像窗口的相似性测度一般是维窗口。但是，由于两影像窗口的相似性测度一般是统计量，目标窗口中的像素不应太少；若目标区长，统计量，目标窗口中的像素不应太少；若目标区长，由于一般情况下，灰度信号的重心与几何重心并不重由于一般情况下，灰度信号的重心与几何重心并不重合，而相关函数的高峰值总是与最强信号一致，加之合，而相关函数的高峰值总是与最强信号一致，
11、加之影像的几何变形，就会产生相关误差。影像的几何变形，就会产生相关误差。取一个以待定点为中心，取一个以待定点为中心，m n个像素的窗口；搜索区个像素的窗口；搜索区为为m l(l n)个像素的灰度阵列。个像素的灰度阵列。在核线影像上，只需要进行一在核线影像上，只需要进行一维搜索。维搜索。二二.基于灰度的数字影像相基于灰度的数字影像相关关 2.一一维相关维相关 目标区目标区 搜索区搜索区 二二.基于灰度的数字影像相基于灰度的数字影像相关关 三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法 n相关系数法相关系数法 设g代表目标区点组的灰度值，代表搜索区内相应点组的灰度值，则每个点组共取n个
12、点的灰度值的均值两个点组的方差(8-10)(8-9)三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法 n相关系数法相关系数法 两个点组的协方差两个点组的相关系数(8-12)(8-11)在搜索区内沿核线寻找同名像点，共能计算出 个相关系数，取其最大值，其对应的相关窗口的中心像素被认为是目标点的同名像点。设 时相关系数取得最大值，则同名像点在搜索区内的序号为 。三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法 n相关系数法相关系数法 二维相关的情况下(8-13)三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法 n协方差法协方差法 搜索同名像点的过程与相关系数法基本相同
13、，不同点在于采用的相关性判据不同，前者采用协方差值作为相似性判据。或三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法 n最小二乘影像相关最小二乘影像相关 基本思想德国Stuttgart大学的一些学者提出的；特点：在实行数字影像的相关运算中，引入变换参数作为待定值，直接纳入到最小二乘法运算中；引入参数的目的：抵偿目标区与搜索区两个窗口之间因辐射及几何畸变产生的差异；三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法 n最小二乘影像相关最小二乘影像相关 基本思想精度：1/501/100像元(1 )；影像灰度误差偶然误差：随机噪声系统误差：辐射畸变与几何畸变三三.基于灰度的数字影像
14、相关方法基于灰度的数字影像相关方法 n最小二乘影像相关最小二乘影像相关 仅考虑相对位移的一维最小二乘影像相关把搜索区像点移动的位移量作为一个几何参数引入最小二乘影像相关算法中，直接解求像点移位原理：设有两个一维灰度函数 ，除随机噪声 外，相对于 存在位移量 ，则三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法 令则(8-14a)(8-14b)三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法 对(8-14b)线性化对离散的数字影像 可用差分令 ，则误差方程为(8-15a)(8-15b)(8-15c)三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法 影像相对位移量 的
15、解算需迭代计算。(8-16)二维最小二乘影像相关基本思想：两影像间存在畸变，只有充分考虑影像几何变形，才能获得最佳的影像相关结果。二维最小二乘影像相关数学模型：几何变形的一次畸变线性灰度畸变三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法(8-17)(8-18)二维最小二乘影像相关误差方程待定参数的初始值三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法(8-19)几何改正几何改正重采样重采样辐射畸变改正辐射畸变改正是否迭代是否迭代计算最佳计算最佳匹配的点位匹配的点位计算参数值计算参数值结束结束左片左片右片右片最最小小二二乘乘法法匹匹配配流流程程图图二维最小二乘影像相关系数三
16、三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法(8-20)二维最小二乘影像相关系数中的偏导数可用差分代替在目标区内逐像元建立误差方程三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法(8-21)(8-22)二维最小二乘影像相关法方程具体步骤几何变形改正重采样：辐射畸变改正三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法(8-23)二维最小二乘影像相关计算左影像窗口 和经改正的右影像窗口 的相关系数 ，判断是否需要迭代采用最小二乘影像相关，解求变形参数的改正值计算变形参数三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法 方法设 是前一次求得的变形参数，是本次
17、迭代所求得的改正值，则三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法(8-24)方法求得几何改正参数三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法(8-25)方法同理求得辐射畸变改正参数计算最佳匹配点位匹配精度取决于影像灰度的梯度左影像窗口的像点坐标三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法(8-26)(8-27)计算最佳匹配点位同名点坐标三三.基于灰度的数字影像相关方法基于灰度的数字影像相关方法(8-28)第五节第五节 核线相关与同核线相关与同名核线的确定名核线的确定n核线相关核线相关 n同名核线的确定同名核线的确定n核线影像的生成核线影像的生成主要内
18、容主要内容 核线的概念通过摄影基线与任一物方点A所作的平面称为通过点A的核面。核面与影像面的交线称为核线，在一条核线上的任一点其在另一幅影像上的同名像点必定位在其同名核线上。根据上述理论，沿核线寻找同名像点的过程。一一.核线相关核线相关核线的概念核线的概念通过摄影基线与地面所作的平面称为核面核面与影像面交线称为核线同名像点必定在同名核线上。AS1S2l1a1a2l2同名核线共面条件法二二.同名核线的确定同名核线的确定直接在倾斜影像上获取核线影像。直接在倾斜影像上获取核线影像。已知左影像上任意一个像点已知左影像上任意一个像点 ，确定左影像上确定左影像上通过该点的核线通过该点的核线l以及它在右影像
19、上的同名核线以及它在右影像上的同名核线l。思想：确定左核线上的另外一点思想：确定左核线上的另外一点 ,与同名核与同名核线上的两个点线上的两个点 和和 。图图8-11 8-11 同名核线位于同一核面同名核线位于同一核面二二.同名核线的确定同名核线的确定左影像上左影像上a和和b点的像空间辅助坐标系坐标点的像空间辅助坐标系坐标共面条件 或(8-40)(8-39)二二.同名核线的确定同名核线的确定求左核线求左核线l上任一个像点上任一个像点b的坐标的坐标由由(8-39)式，得式，得而而所以所以二二.同名核线的确定同名核线的确定整理后得整理后得或或二二.同名核线的确定同名核线的确定(8-41a)(8-41
20、b)同理，右片同名核线上任一像点同理，右片同名核线上任一像点 与左片的与左片的 点点位于同一核面内，则位于同一核面内，则或或二二.同名核线的确定同名核线的确定可得可得按同样的法则，可得按同样的法则，可得 的像点坐标的像点坐标 。二二.同名核线的确定同名核线的确定基于数字影像几何纠正提取核线核线的排列特点核线的排列特点倾斜像片上，各核线不平行，相交于核点；倾斜像片上，各核线不平行，相交于核点；水平像片上，所有核线相互平行。水平像片上，所有核线相互平行。思想：将倾斜影像上的相互不平行的核线投影(或纠正)到一对“相对水平”平行于摄影基线的影像上后，则核线相互平行。图 过A点的核面二二.同名核线的确定
21、同名核线的确定 代表倾斜的左右像片，代表平行于摄影基线的水平像片，与 分别为A点在左水平像片t、倾斜像片p上相应的像点。其坐标关系式：二二.同名核线的确定同名核线的确定(8-42)在在“水平水平”影像上获取核线影像影像上获取核线影像,即表即表示某一核线示某一核线。其中其中c(8-43)二二.同名核线的确定同名核线的确定在在“水水平平”影影像像对对上上，同同名名核核线线的的 坐坐标标值值相相等等，将同样的将同样的 代入右影像共线方程：代入右影像共线方程：(8-44)二二.同名核线的确定同名核线的确定因其规则格网的行就是核线，按式(8-42)或(8-43)依次将“水平”像片上的坐标 反算到原始影像
22、上得到x，y。对于所求得的没有落在原始采样像元中心的像点要重采样，求其灰度值。三三.核线影像的形成核线影像的形成在在“水水平平”影影像像上上获获取取核核线线影影像像基于基于“水平水平”影像获取核线影影像获取核线影像像三三.核线影像的形成核线影像的形成影像上同名核线的方向的确定影像上同名核线的方向的确定根据核线的一个起点坐标及方向根据核线的一个起点坐标及方向(k),),就能确定核就能确定核线在倾斜影像上的位置。线在倾斜影像上的位置。(8-45)三三.核线影像的形成核线影像的形成直接在倾斜影像上获取核线影像直接在倾斜影像上获取核线影像采用线性内插等方法所得的核线上的像素的灰度采用线性内插等方法所得
23、的核线上的像素的灰度值。值。三三.核线影像的形成核线影像的形成第六节第六节 数字摄影测量数字摄影测量系统系统n概念概念 n主要功能与硬件设备主要功能与硬件设备n软件及其作业过程软件及其作业过程主要内容主要内容 基于数字影像或数字化影像来完成摄影测量作业基于数字影像或数字化影像来完成摄影测量作业的所有软、硬件组成的系统。的所有软、硬件组成的系统。现阶段仍是人工与计算机自动化交互工作。现阶段仍是人工与计算机自动化交互工作。一一.概念概念二二.主要功能与硬件设备主要功能与硬件设备主要功能主要功能二二.主要功能与硬件设备主要功能与硬件设备硬件组成硬件组成计算机计算机外部设备外部设备立体观测及操作控制设
24、备立体观测及操作控制设备立体观测设备：红绿眼镜、立体反光镜、闪闭式液立体观测设备：红绿眼镜、立体反光镜、闪闭式液晶眼镜、偏振光眼镜晶眼镜、偏振光眼镜操作控制设备：手轮、脚盘与普通鼠标，三维鼠标操作控制设备：手轮、脚盘与普通鼠标，三维鼠标与普通鼠标，普通鼠标与普通鼠标，普通鼠标输入输出设备：影像数字化仪、矢量输入输出设备：影像数字化仪、矢量/栅格绘图仪。栅格绘图仪。三三.软件及其作业过程软件及其作业过程软件组成软件组成解析摄影测量软件解析摄影测量软件数字图形、图像处理软件数字图形、图像处理软件作业过程作业过程定向参数的计算定向参数的计算内定向：利用框标的像点坐标与扫描坐标，计算像平内定向：利用框
25、标的像点坐标与扫描坐标，计算像平面坐标与扫描坐标之间的转换参数面坐标与扫描坐标之间的转换参数相对定向和绝对定向：先量测相对定向点及绝对定向相对定向和绝对定向：先量测相对定向点及绝对定向用的控制点的影像坐标，再计算相对定向元素和绝对定用的控制点的影像坐标，再计算相对定向元素和绝对定向元素。向元素。内定向内定向相对定向相对定向绝对定向绝对定向三三.软件及其作业过程软件及其作业过程作业过程作业过程空中三角测量空中三角测量光束法空中三角测量光束法空中三角测量利用数字影像相关法进行连接点的自动量测与转刺，利用数字影像相关法进行连接点的自动量测与转刺，辅助粗差探测的方法剔除影像相关的错点。辅助粗差探测的方法剔除影像相关的错点。形成核线排列的立体影像形成核线排列的立体影像沿核线进行影像相关或特征匹配，并进行匹配编辑沿核线进行影像相关或特征匹配，并进行匹配编辑建立数字高程模型建立数字高程模型三三.软件及其作业过程软件及其作业过程作业过程作业过程自动绘制等高线自动绘制等高线制作正射影像制作正射影像等高线与正射影像叠加，制作等高线的正射影像图等高线与正射影像叠加，制作等高线的正射影像图制作透视图与景观图制作透视图与景观图数字影像的机助量测数字影像的机助量测地图编辑与注记地图编辑与注记