本文選題：傾斜影像 + 傾斜影像自動空中三角測量��； 參考：《武漢大學》2014年博士論文

【摘要】：傾斜攝影測量技術是當前的研究熱點之一。相對于傳統(tǒng)的垂直航空攝影,傾斜航空攝影具備有效地獲取地物側面紋理、可對同一地區(qū)進行多視角重復觀測,能獲得更符合人眼視覺的直觀世界的影像等優(yōu)勢,因而被廣泛應用于數(shù)字三維城市建模,城市管理與規(guī)劃,地圖服務等領域。如今機載傾斜多相機系統(tǒng)已經成為快速發(fā)展的空間信息市場的標準技術,世界上大量的科技公司(Blom Oblique, IGI, Leica, Midas, Pictometry, Vexcel/Microsoft, VisionMap)都生產了傾斜多相機系統(tǒng)。 另一方面,近年來市場對三維城市模型的需求大量增加,世界各地的生產商致力于提供數(shù)字城市三維模型。微軟,Google等大型科技公司更是著手建立世界范圍內數(shù)以千萬計的城市三維模型。工程浩大,若使用傳統(tǒng)的人工方式建立城市三維模型將帶來高昂的投入。因而需要一種高度自動化的數(shù)字三維城市重建技術。 由于傾斜攝影技術在獲取頂面紋理的同時,其搭載的傾斜相機能夠同時獲得地物的側面紋理,具備了傳統(tǒng)的航攝相片和地面影像的雙重優(yōu)勢,因而是數(shù)字城市三維重建的首選技術手段。但是相對于硬件的蓬勃發(fā)展,傾斜影像的處理軟件的發(fā)展相對滯后。主要原因在于傾斜視角的存在,導致獲得的相片遮擋嚴重,且相片內部的尺度不一,造成了傾斜影像數(shù)據(jù)處理上存在一定的困難。傳統(tǒng)的攝影測量軟件由于設計之初只考慮了垂直攝影的情況,航片的傾角都不大,因而處理工藝上無法處理內容差異巨大的傾斜影像。 可以看到雖然市場上對三維數(shù)字城市的需求量巨大,且傾斜影像是數(shù)字城市重建重要且是首選的數(shù)據(jù)源,但是利用傾斜影像進行自動化處理獲得數(shù)字城市模型的技術相對滯后。針對此問題,本文提出一套利用傾斜影像進行自動化三維重建的解決方案,并同時提出了一種在正射影像上進行立體測圖的方法,對上一步獲得的三維表面模型提供矢量數(shù)據(jù)和獨立模型數(shù)據(jù),以滿足GIS系統(tǒng)和數(shù)字城市的需求。 本文的自動化重建主要分為兩大步。第一步,本文提出了一套全自動化的傾斜影像空中三角測量方法以解決傾斜影像的空中三角測量問題,獲得傾斜影像的精確外方位元素。首先本文利用POS數(shù)據(jù)自動化尋找具備重疊的影像的方法,使得整個流程不需要人工進行航帶排列,即可獲得影像的連接關系；然后本文通過POS數(shù)據(jù)制作一種“虛擬水平相片”的方法,解決相片中尺度不一帶來的特征點描述具備偏差的問題,成功解決了傾斜影像的連接點匹配問題,并同時采用Ransac的5點法相對定向和反向匹配策略剔除匹配粗差；為進一步提高平差結果的精度,并擺脫人工判斷剔除空三連接點粗差的過程,本文提出一種多尺度的粗差探測技術,通過分析點云空間分布和密度,自動剔除連接點中殘留的粗差。不同于經典的利用可靠性理論的粗差剔除策略。本文的方法能夠發(fā)現(xiàn)位于核線附近的兩度重疊的粗差,而這種粗差在可靠性理論里是不可定位不可發(fā)現(xiàn)的。經典的基于統(tǒng)計學的粗差探測策略能夠處理中等和小粗差,然而對大粗差的處理效果不佳。本文方法可以綜合處理小粗差和大粗差,且可以處理少量的簇狀粗差。實驗表明,利用本文方法能夠有效找出空三連接點的粗差點,有效提高平差精度,使得像點殘差中誤差,在0.5像素之內,降低為剔除粗差前的1/3。本文使用兩個對比實驗,分別將ASIFT法與著名的VisualSFM中采用的方法對比驗證了本文的方法。實驗表明,本文的方法優(yōu)于使用ASIFT做為特征點提取與匹配的結果,空三結果中像點殘差中誤差僅為ASIFT方法的1/3,且核線殘差中誤差僅為ASIFT方法的2/5,運行時間是ASIFT方法的1/12000。而與VisualSFM的方法對比結果表明,本文方法獲得的同名點數(shù)為該方法的3.7倍,雖然像點殘差中誤差與其相當,都低于0.5個像素,但是同名點的核線殘差中誤差僅為VisualSFM的1/3。 第二步,為獲得高質量的地表模型,本文提出了一種自動化的從傾斜影像中生成表面模型的方法。為使得整個處理流程能夠自動化,本文首先提出了一個自動選擇最優(yōu)匹配像對的方法；并根據(jù)空三的連接點信息自動獲取待匹配影像自動獲取重疊區(qū)；為適應傾斜影像的特點,本文對經典的Semi-Global Matching方法進行改進,主要在幾個方面改進,首先利用空三的結果自動獲取了影像的重疊區(qū)避免了人工給定重疊范圍,然后利用Census匹配算法獲得穩(wěn)健的初始視差圖,接著將經典的SGM方法的8個方向獨立優(yōu)化的方式集成在兩次循環(huán)中進行,最后為了解決SGM方法消耗內存過大,以及經典的SGM方法無法分塊處理大影像的問題,本文使用動態(tài)獲取視差搜索范圍的方式降低內存的使用效率,進而提高算法的適用性。通過與著名的PMVS算法進行對比實驗表明本文方法在完整性和匹配效果上都優(yōu)于PMVS算法。 最后,為了能夠高效的獲取地物的矢量信息和建筑物模型,本文提出了一種新的基于正射影像的立體測圖方法。不同于以往的立體測圖的方法,本文的測圖方法與平臺無關,且只需要在二維模式下測圖,適應于現(xiàn)存的大量2D-GIS系統(tǒng)。另外本文的方法在獲得矢量的同時,能夠同時獲得地物的三維簡單模型,使得能夠快速構建簡單城市三維環(huán)境。相比于傾斜影像自動重建而得的模型而言,測圖得到的模型是單個地物模型,而前者則是整個地表模型。 本文提出的傾斜影像處理流程完全自動化,并獲得了較好的效果。且基于正射影像測圖的方法與影像來源和平臺無關極具潛力。
[Abstract]:Inclined photogrammetry is one of the hotspots of current research. Compared with the traditional vertical aerial photography, the oblique aerial photography can effectively obtain the texture of the surface of the ground objects. It can carry on the repeated observation of the same area and can obtain the image of the visual world which is more conforming to the human vision. Therefore, it is widely used in the digital three-dimensional city. City modeling, city management and planning, map service and other fields. Now the airborne tilt multi camera system has become the fast developing space information market standard technology. A large number of technology companies in the world (Blom Oblique, IGI, Leica, Midas, Pictometry, Vexcel/ Microsoft, VisionMap) all produce the inclined multi camera system.
On the other hand, in recent years, the demand for three dimensional urban models has increased greatly, and manufacturers around the world are committed to providing digital urban 3D models. Microsoft, Google and other large technology companies are starting to set up a world - wide three-dimensional model of cities. The dimensional model will bring high input. Therefore, a highly automated digital 3D urban reconstruction technology is needed.
Because the tilted camera can obtain the top surface texture, the tilt camera can obtain the side texture of the ground objects simultaneously. It has the dual advantages of the traditional aerial photograph and the ground image. Therefore, it is the first choice for the 3D reconstruction of the digital city. But relative to the vigorous development of the hardware, the processing software of the inclined image is used. The main reason lies in the existence of the tilt angle, which leads to the serious occlusion of the obtained photos and the different scales inside the photo, which causes some difficulties in the processing of the inclined image data. We cannot handle sloping images with huge difference in content.
It can be seen that although the demand for 3D digital cities is huge in the market, and the tilt image is an important and first choice data source for digital city reconstruction, the technology of obtaining digital city model by automatic processing with inclined images is relatively lagging. In addition, a method of stereo mapping on the Orthophoto Image is proposed, which provides vector data and independent model data for the 3D surface model obtained in the last step in order to meet the needs of the GIS system and the digital city.
The automatic reconstruction of this paper is divided into two major steps. In the first step, this paper proposes a fully automated set of oblique image aerial triangulation to solve the problem of aerial triangulation in the inclined image and obtain the exact external elements of the inclined image. Firstly, this paper uses the POS data automatization to find the overlapped images. The whole process does not need to be arranged manually, and the connection of images can be obtained. Then, a "virtual horizontal photo" method is made through POS data to solve the problem that the feature points with different scales in the photo are described with deviation, and the connection point matching problem of the inclined image is successfully solved, and Rans is adopted at the same time. In order to further improve the accuracy of the adjustment result and get rid of the rough difference between the three connection points of the space, the 5 point method of AC's relative orientation and the reverse matching strategy is eliminated. In this paper, a multi scale detection technique of coarse difference is proposed. By analyzing the spatial distribution and density of the point cloud, the residual gross error in the connection point is eliminated automatically. In the classical method of using reliability theory, this method can find the overlap of two degrees near the core line, and this coarse difference can not be found in the reliability theory. This method can deal with small gross errors and large gross errors in a comprehensive way, and can handle a small number of cluster rough differences. The experiment shows that this method can effectively find the rough difference of the three connection points of the empty three, effectively improve the accuracy of the adjustment, make the error in the image point residual, and reduce the 1/3. in the 0.5 pixels to eliminate the gross error before using two Contrast experiments show that the ASIFT method is compared with the method used in the famous VisualSFM respectively. The experiment shows that the method of this paper is superior to the result of using ASIFT as the feature point extraction and matching. The error of the image point residuals in the empty three result is only 1/3 of the ASIFT method, and the error of the kernel line residuals is only 2/5 of the ASIFT method. Time is the 1/12000. of the ASIFT method and the comparison with the VisualSFM method shows that the number of points of the same name obtained by this method is 3.7 times that of the method, although the error in the image point residuals is equal to 0.5 pixels, but the error of the same name point is only 1/3. of VisualSFM.
The second step, in order to obtain the high quality surface model, this paper proposes an automated method to generate the surface model from the tilted image. In order to automate the whole processing process, this paper first proposes a method to automatically select the optimal matching image pair, and automatically obtains the matched image according to the connection point information of the empty three. In order to adapt to the characteristics of the skew image, this paper improves the classical Semi-Global Matching method, mainly in several aspects. Firstly, using the result of empty three to automatically obtain the overlap area of the image to avoid the artificial given overlapping range, and then use the Census matching algorithm to obtain the robust initial parallax graph, and then, then the robust initial parallax graph is obtained. The 8 independent optimization methods of the classical SGM method are integrated in the two cycle. Finally, in order to solve the problem that the SGM method consumes too much memory and the classic SGM method can not block the large image, this paper uses the dynamic acquisition of parallax search scope to reduce the use efficiency of the memory, and then improves the application of the algorithm. Compared with the well-known PMVS algorithm, this method is better than the PMVS algorithm in terms of completeness and matching effect.
Finally, in order to obtain the vector information and the building model of the ground objects efficiently, a new stereo mapping method based on the Orthophoto Image is proposed in this paper. Different from the previous stereographic mapping method, the mapping method is independent of the platform, and it only needs to be measured in the two-dimensional pattern, and is adapted to a large number of existing 2D-GIS systems. At the same time, this method can obtain a three-dimensional simple model of the ground objects at the same time, so that the simple urban three-dimensional environment can be constructed quickly. Compared with the model obtained by the automatic reconstruction of the tilted image, the model obtained by the mapping is a single ground model, and the former is the whole surface model.
The slant image processing process proposed in this paper is fully automated and has achieved good results. And the method based on the orthophoto mapping has great potential to have nothing to do with the image source and platform.
【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：P23

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本文編號：1970187