基于非量测数码影像的地形数据获取技术研究
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摘要
目前常用的小范围地形数据采集方法主要有基于全站仪的地面测量方法和基于摄影经纬仪的地面摄影测量方法。基于全站仪的地面测量方法在一些地势险峻的山区获得三维原始数据时,工作量、工作难度以及危险性都很大,而基于摄影经纬仪的地面摄影测量的作业方法则对专业技能和专业设备要求都很高。普通数码相机获取的数字影像具有成本低、分辨率高、数据采集简便、影像传输与处理快速等方面的优点,因此目前普通数码相机广泛应用于各个领域。但是,目前提出的普通数码相机量测作业方法都是基于直接线性变换算法或光线束法,存在对控制点的个数和分布要求较高,不适宜应用的缺点。针对普通数码近景影像的立体匹配亦有特殊性。
针对以上应用状况,本文提出了以普通数码相机作为数据获取工具,以近景摄影测量技术和数字图像处理技术等作为手段的地形数据的获取技术。普通数码相机作为一种非量测相机,用于量测目的时,其获取的像片存在许多缺点,如,不能准确提供相机的内方位元素,像片的畸变差比较大等。因此,影像数据处理算法与传统的摄影测量算法相比有不同之处。为此,基于非量测数码影像获取三维地形数据的技术研究主要包含如下内容:
1、非量测数码相机的标定方法。研究普通数码相机的量测化可行性、量测化方法和量测化性能。
2、普通数码近景影像的量测处理算法。包括影像工程坐标系的建立;适合非量测数码像片的外方位元素计算方法、相对定向方法和绝对定向方法,及其量测精度评价。
3、适合普通数码近景影像的立体匹配技术方法。
4、基于非量测数码影像的地形数据采集信息系统设计与开发。
研究和大量的实验表明,论文所述非量测数码相机的量测化方法、量测处理算法和立体匹配方法是正确有效的,结合论文研究的数码影像量测处理算法和立体匹配算法,数码相机的量测应用能够降低近景摄影测量作业对设备和技能方面的要求。
Nowadays the most common used methods for extracting small range topographic data are the total-station-based ground surveying and the photography-theodolite-based terrestrial photogrammetry. However, when surveying in some hilly areas using the former method, it would become over-workload and sometimes it would be too difficult and dangerous to handle the work. And the later one demands high quality of professional skills and equipages. On the other hand, because of its remarkable merits, such as low-cost, high-resolution, the feasibility of data acquisition, high speed to transmit and process, non-metric digital camera and its imagery are widely used in various domains. But the already proposed algorithms for non-metric digital cameras photogrammetry are mainly based on Direct Linear Transformation (DLT) or Bundle Adjustment, which has defects of demanding too highly for both the quantity and the distribution of the control points. And it is special to stereo-matching of normal close-digital imagery too.In order to overcome the application defects, this dissertation proposes a topographic data extraction technique that uses non-metric digital cameras to obtain data and has Close-Range Photogrammetry and digital image processing technique as it theory basis. As an non-metric camera, when used for photogrammetry, common digital camera has many defects. For example, it cannot provide the interior orientation parameters (IOP's) with sufficient accuracy, and the distortion of its imagery is comparatively large. Therefore, its image data processing algorithm differs from traditional photogrammetry. Hence, the research on the technique of three-dimension topographic data extraction from non-metric digital imagery is presented as follows:1. The calibration of non-metric digital cameras, including the determination of camera distortion and the IOP's. And the metricilized use of non-metric camera including the metricilized feasibility, the metricilized methodology and the nature of metriclizing common digital camera.2. The surveying process algorithm to normal close-digital imagery, including the establishment of image engineering coordination system, the photogrammetric algorithms for non-metric imagery such as exterior orientation parameters (EOP's) calculation, relative orientation , absolute orientation ,and the metricilized evaluation of their accuracy.3. Image stereo-matching method designed for normal close-digital imagery.4. The design and development of the topographic data extraction information system based on non-metric digital imagery.Various researches and experiments have proved that the proposed metricilized method, the surveying process algorithm and the stereo-matching method for non-metric digital cameras are valid and effective. With the proposed digital image surveying algorithm and the stereo-matching algorithm, the digital camera's metricilized utilization will effectively deskill and de-equip the use of Close-Range Photogrammetry.
针对以上应用状况,本文提出了以普通数码相机作为数据获取工具,以近景摄影测量技术和数字图像处理技术等作为手段的地形数据的获取技术。普通数码相机作为一种非量测相机,用于量测目的时,其获取的像片存在许多缺点,如,不能准确提供相机的内方位元素,像片的畸变差比较大等。因此,影像数据处理算法与传统的摄影测量算法相比有不同之处。为此,基于非量测数码影像获取三维地形数据的技术研究主要包含如下内容:
1、非量测数码相机的标定方法。研究普通数码相机的量测化可行性、量测化方法和量测化性能。
2、普通数码近景影像的量测处理算法。包括影像工程坐标系的建立;适合非量测数码像片的外方位元素计算方法、相对定向方法和绝对定向方法,及其量测精度评价。
3、适合普通数码近景影像的立体匹配技术方法。
4、基于非量测数码影像的地形数据采集信息系统设计与开发。
研究和大量的实验表明,论文所述非量测数码相机的量测化方法、量测处理算法和立体匹配方法是正确有效的,结合论文研究的数码影像量测处理算法和立体匹配算法,数码相机的量测应用能够降低近景摄影测量作业对设备和技能方面的要求。
Nowadays the most common used methods for extracting small range topographic data are the total-station-based ground surveying and the photography-theodolite-based terrestrial photogrammetry. However, when surveying in some hilly areas using the former method, it would become over-workload and sometimes it would be too difficult and dangerous to handle the work. And the later one demands high quality of professional skills and equipages. On the other hand, because of its remarkable merits, such as low-cost, high-resolution, the feasibility of data acquisition, high speed to transmit and process, non-metric digital camera and its imagery are widely used in various domains. But the already proposed algorithms for non-metric digital cameras photogrammetry are mainly based on Direct Linear Transformation (DLT) or Bundle Adjustment, which has defects of demanding too highly for both the quantity and the distribution of the control points. And it is special to stereo-matching of normal close-digital imagery too.In order to overcome the application defects, this dissertation proposes a topographic data extraction technique that uses non-metric digital cameras to obtain data and has Close-Range Photogrammetry and digital image processing technique as it theory basis. As an non-metric camera, when used for photogrammetry, common digital camera has many defects. For example, it cannot provide the interior orientation parameters (IOP's) with sufficient accuracy, and the distortion of its imagery is comparatively large. Therefore, its image data processing algorithm differs from traditional photogrammetry. Hence, the research on the technique of three-dimension topographic data extraction from non-metric digital imagery is presented as follows:1. The calibration of non-metric digital cameras, including the determination of camera distortion and the IOP's. And the metricilized use of non-metric camera including the metricilized feasibility, the metricilized methodology and the nature of metriclizing common digital camera.2. The surveying process algorithm to normal close-digital imagery, including the establishment of image engineering coordination system, the photogrammetric algorithms for non-metric imagery such as exterior orientation parameters (EOP's) calculation, relative orientation , absolute orientation ,and the metricilized evaluation of their accuracy.3. Image stereo-matching method designed for normal close-digital imagery.4. The design and development of the topographic data extraction information system based on non-metric digital imagery.Various researches and experiments have proved that the proposed metricilized method, the surveying process algorithm and the stereo-matching method for non-metric digital cameras are valid and effective. With the proposed digital image surveying algorithm and the stereo-matching algorithm, the digital camera's metricilized utilization will effectively deskill and de-equip the use of Close-Range Photogrammetry.
引文
[1] 李志林等.数字高程模型.武汉大学出版社.2000年7月.
[2] 翟翊等.大比例尺地形图的数据质量控制.测绘学院学报.2000年1期.
[3] 李清泉等.三维空间数据的实时获取、建模与可视化.武汉大学出版社.2003年12月
[4] 丁晓利等.合成孔径雷达干涉技术及其在地表形变监测中的应用.紫金山天文台台刊.2002年2期.
[5] 刘国祥.InSAR DEM的质量评价.遥感信息.2000年4期.
[6] 刘瑞宏.用InSAR技术从雷达图像获取DEM的质量控制.地理与地理信息科学.2003年4期.
[7] 李英成等.快速获取地面三维数据的LIDAR技术系统.测绘科学.2002年4月.
[8] 刘经南.激光扫描测高技术的发展与现状.武汉大学学报.2003年2期.
[9] 张祖勋.数字摄影测量发展的机遇与挑战.武汉测绘科技大学学报.2000年2月.
[10] 王长进.基于数码相机的地面摄影测量在工点测绘中的应用.铁道勘察.2005年1期.
[11] 李土旺.浅析基于普通数码相机的数字摄影测量理论.技术应用.2005年3期.
[12] 张玉双等.摄影测量的发展与应用.包钢科技.2000年12月.
[13] 方贵.摄影测量的现状及新世纪的摄影测量雷.四川测绘.2000年1期.
[14] 方子岩.摄影测量技术现状及发展对策初探.地矿测绘.2002年2期.
[15] 吴正春.地面摄影DTM在工程地质中的应用.西安地质学院学报.1994年6月.
[16] 于晶涛.数字相机在工业零件检测中的应用.应用技术.2001年3月.
[17] 丁军.安丙家族墓文物考古测绘探讨.四川文物.2001年3期.
[18] 王平.北石窟寺地面近景摄影测量系列图的测制方法.铁路航测.2001年1期.
[19] 胡安文.基于近景数字摄影测量的飞机表面模型重建.地理空间信息.2004年12月.
[20] 陈清平.近景摄影测量技术在铁路桥隧设计中的应用.地理空间信息.2004年8月.
[21] 张建霞.数字近景摄影在建筑物变形观测中的应用.焦作工学院学报.2004年9月.
[22] Abdel-Aziz, Y I, H M Karara. Phtogrammetric Potentials of Non-Metric Cameras. Photogrammetry Series No. 36, 1974. 46～51.
[23] 雷玉堂等.CCD摄像机的误差及其检校.光学与光电技术.2004.4期.
[24] 苏小华等.CCD摄像机成像畸变的研究.物理实验.23卷9期.
[25] Brown D C, Close-range camera calibration, Photogrammetric Engineering, 1971(37): 855～866.
[26] Brown D C, Calibration of Close-range cameras[J], Internationnal Archieves of Photogrammetric Engineering, 1972, 19(5).
[27] 马颂德等.计算机视觉[M].北京:科学出版社.1998.
[28] 姜大志等.计算机视觉中的设备标定和三维图像重构概述[J].计算机工程与应用.2001年3期.
[29] Stephen J M asybank, Olivier D Faugeras. A theory of self-calibration of am oving camera. Int. Journal of Computer, 1992, 8(2): 123-151
[30] Luong Q T, Faugeras O D. The fundamental matrix: Theory, algorithms, and stability analys is. Int. Journal of computer, 1996, 17(2): 43-75
[31] 冯文颢等.非量测用摄影机制改装与检校.
[32] 冯文颢等.工业测量中特高精度控制网的建立方法.
[33] 冯文颢等.近景摄影测量的控制.武汉测绘科技大学测绘学报.2000.5期.
[34] 冯文颢等.关于近景摄影机检校的几个问题.测绘通报.2000.10期.
[35] 李德仁等.CCD阵列相机的几何标定.武汉大学测绘学报.1997.4期.
[36] 朱庆.论CCD成像系统检校的DLT方法.铁路航测.1994年3期.
[37] 雷玉堂等.CCD摄像机的误差及其检校.光学与光电计算.2004年4期.
[38] 张艳珍.一种基于斜率的摄像机畸变校正方法.小型微型计算机系统.2002年5期.
[39] 储江伟.沥青路面破损图像自动检测系统设计.光学技术.2003年3期.
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[43] Luca Lucchese. Geometric Calibration of Digital Cameras. partⅠ: Camera Model, Subpixel Feature Extraction, and Algorithm Initialization. Proc. of the 3rd IASTED Int'l Conf. On Visualization, Imaging, and Image Processing(VIIP2003), Benalmadena, Spain, sept. 2003年1期.
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[45] 朱肇光等.摄影测量学.测绘出版社.1999.
[46] 李德仁等.解析摄影测量学.测绘出版社.1992.
[47] 金为铣等.摄影测量学.武汉大学出版社.2003.
[48] 张祖勋等.数字摄影测量学.武汉大学出版社.2002.
[49] 杨卫东等.一种不同坐标系之间的变换矩阵的转换方法.计算机辅助设计与图形学学报.2000年1月.
[50] 黄筱荣等.外方位元素误差对点位误差的影响.铁路航测.1996年1期.
[51] 徐丽华.航空影像水平核线生成方法.郑州大学学报.2004.12月.
[52] Brown LG, A survey registration techniques, ACM Comput. Survey, 1992, 24(4): 325～3762.
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[55] Barnard S T. and Fischjer M A, Computational stereo, ACM Comput. Survey. 1982. 14(14): 553～572.
[56] Lee H J and Lei WL, Region matchingand depth finding for 30 objects stereo photographs, Pattern Recognition, 1990, 23(1/2): 81～94.
[57] Hsieh Y C, Mckeown D Metal, Perfor mation evalution of scene registration and stero matching for cartographic feature extration, IEEE Trans. On PAMI, 1992, 14(2): 214～238.
[58] 黄玉琪等.航空摄影立体像对的全自动影像匹配.测绘学院学报.2000.12.
[59] 王岩松.基于最小二乘互相关算法的图像定位匹配研究.通信学报.2003.9月.
[60] 孙华艳.基于角点特征的立体图像匹配方法.指挥技术学院学报.1999.2月.
[61] 谢磊等.基于普通数码相机的相对定向直接解法.计算机工程与应用.2001年1月.
[62] Lisa Gottesfeld Brown, A Survey of Image Registration Techniques. 1992.
[63] 陈家鼎等.概率统计讲义.高等教育出版社.
[64] 韩峰.数字图像匹配算法的改进及研究.内蒙古工业大学学报.2003.4期.
[65] 王岩松.基于最小二乘互相关算法的图像定位匹配研究.通信学报.2003.4期.
[66] 李峰.变形系数相关的最小二乘匹配算法.上海交通大学学报.1999.11月.
[67] 孙华艳等.基于角点特征的立体图像匹配方法.指挥技术学院学报.1999.2.
[68] 杨朝辉等.基于Sufer Automation对象的DEM应用开发技术.北京测绘.2003年3期.
[69] 杨朝辉等.基于Sufer Automation技术的三维立体渲染图的绘制海洋测绘.2003年7月.
[70] Golden Soft Ware SurferUsers Guide Electronic Documet. 2002.
[71] Petrousos E. Houghk丘仲潘译Visual Basic 6.0从入门到精通[M] 北京:电子工业出版社.1999.
[72] Nabajyoti Barkakati. Visual C++开发指南(第二版).电子工业出版社.1998
[73] 李浩等.亚毫米精度摄影测量用于化石文物制图.河海大学学报.1996
[2] 翟翊等.大比例尺地形图的数据质量控制.测绘学院学报.2000年1期.
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[68] 杨朝辉等.基于Sufer Automation对象的DEM应用开发技术.北京测绘.2003年3期.
[69] 杨朝辉等.基于Sufer Automation技术的三维立体渲染图的绘制海洋测绘.2003年7月.
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[72] Nabajyoti Barkakati. Visual C++开发指南(第二版).电子工业出版社.1998
[73] 李浩等.亚毫米精度摄影测量用于化石文物制图.河海大学学报.1996