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特殊航空影像自动匹配的关键技术研究

明洋  
【摘要】:数字摄影测量技术正被广泛地应用于从二维数字影像提取三维空间目标的几何信息、辐射信息和语义信息中。随着海量遥感影像数据的日益增加和对三维空间信息不断增长的应用需求,对数字摄影测量技术的全自动化、高效率和高可靠性要求越来越迫切。影像匹配作为数字摄影测量中的一项关键技术,一直是摄影测量与遥感、计算机视觉等领域的研究热点。 近年来,由于航空数字传感器的广泛使用,获取大重叠度航空影像越来越容易,一个物方点可同时成像于15张甚至更多影像上,如何可靠、准确地将影像上的同名像点匹配出来,已成为当前航空摄影测量的一个亟待解决的问题。此外,随着低空摄影测量技术的发展和常规航空摄影中利用数码相机航摄的增多,常常使相邻影像产生较大的旋偏角,开展对大旋转角度航空影像匹配方法的研究迫在眉睫。再者,航空遥感使用机载高精度定位测姿系统(POS系统),在获取航空遥感影像的同时直接测定影像的外方位元素,可实现直接传感器定向。如何利用POS数据辅助地形测量困难地区(如重复纹理区域影像)的影像匹配,也是一个普遍关注的问题。 针对当今航空摄影测量发展给影像匹配带来的新问题,本文主要研究了特殊航空遥感影像的匹配方法,着重探索了大重叠度、大旋转角航空影像的匹配以及POS辅助的重复纹理区域影像的匹配策略,对其中的关键技术问题和实施细节进行了较为系统深入的试验研究。论文的研究工作和创新性主要体现在以下几个方面: 1)研究了大重叠度航空遥感影像连接点的精确匹配方法 大重叠度航空遥感影像的连接点不仅可以增加同名光线的交会角,而且可以为区域网平差提供较多的冗余观测值,增强区域网的几何强度。本文针对现有自动空中三角测量转点方法的不足,提出了一种简单易行的像方匹配—自由网平差—物方匹配的策略。该方法充分发挥像方匹配和物方匹配的优势,首先通过像方匹配和自由网平差获得较准确的影像外方位元素,为物方影像匹配提供初始值;然后引入共线几何约束条件,使基于物方多片最小二乘影像匹配可以灵活地顾及影像外方位元素的误差;最终实现多张影像的整体匹配,以提高自动转点的可靠性和成功率。经对某地区一组大重叠航空数码影像的试验,证实了方法的有效性。结果表明,利用所提出的方法可以成功地匹配出大重叠度影像的航带连接点,能满足摄影测量区域网平差的自动转点要求,并显著提高了加密点的高程精度。 2)研究了综合利用像方和物方信息的多张影像同时匹配策略 基于立体影像匹配的方法,由于没有多余观测,仅利用核线约束条件无法完全剔除错误匹配点。而对于大重叠度航空遥感影像,一个物点能同时构像于多张影像上,为摄影测量数据处理提供了大量的冗余信息。本文提出了一种综合利用像方和物方信息的多影像匹配方法,先利用像方匹配结果来精化物方信息,再由物方信息反过来引导和约束所有影像的匹配,通过物方和像方信息的交替使用,有效提高了影像匹配的成功率和可靠性。经对某地区一组大重叠度航空数码影像的试验,证实了方法的有效性。将其应用于自动生成DSM的密集点匹配,能显著改善DSM的质量。 3)研究了大旋转角航空遥感影像的匹配方法 基于相关系数的金字塔影像匹配方法,当影像间的旋转角较大时,自动影像匹配往往无法获得满意的匹配结果。本文提出了一种基于SIFT特征匹配旋转补偿的航空影像匹配方法。通过SIFT特征匹配估计出影像间的旋转角度,对后继的基于相关系数的金字塔影像匹配方法做相应的旋转补偿,可实现大旋转角度航空遥感影像的自动匹配。经对某地区一组大旋转角航空数码影像的试验,验证了方法的有效性。 4)研究了POS辅助的影像匹配方法 由POS系统获得的影像外方位元素精度并不是很高,对于高精度对地目标定位仍然需要进行摄影测量区域网平差。本文研究了一种POS辅助重复纹理地区影像空中三角测量自动转点的方法。利用POS数据预测待匹配点的初始位置,通过利用POS数据生成的核线约束条件来减少影像搜索范围,降低了影像相关出现多峰值的概率,从而提高重复纹理区影像匹配的成功率。而且,将POS数据引入自动空中三角测量中,可以免除传统航带间影像转点需要构建自由航带网、人工选取航带间偏移点、建立航带间近似空间变换关系等繁琐步骤。经对某区域一组航空遥感影像的试验,证实了方法的有效性,并明显提高了航带间转点的效率和可靠性。 基于上述的各种影像匹配方法,笔者将其应用于空中三角测量自动影像量测和自动生成DSM中,在Windows环境下用Visual C++语言开发了相应的影像自动量测试验原型系统,并成功应用于多个国家基础航空摄影项目的数据处理中,取得了很好的试验结果。


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