倾斜摄影测量论文设计初稿子.docx

1、倾斜摄影测量论文设计初稿子 倾斜摄影测量 倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。航空倾斜影像不仅能够真实地反应地物情况，而且还通过采用先进的定位技术，精确的地理信息、更丰富的影像信息、更高级的用户体验，极大地扩展了遥感影像的应用领域，并使遥感影像的行业应用更加深入。同时，倾斜影像技术的引进和应用，使得目前高昂的三维城市建模成本将得以大大降低！由于倾斜影像为用户提供了更丰富的地理信息，更友好的用户体验以及其低

2、廉的成本，该技术目前在欧美等发达国家已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。Pictometry公司的机载倾倾摄影设备及相关解决方案引入中国，结合北京天下图在国内航摄领域的技术优势和市场资源，形成了自有的倾斜摄影影像获取及应用技术，为广大用户提供一体化全方位的解决方案。 倾斜摄影技术特点 特点一：反映地物周边真实情况，相对于正射影像，斜影像能让用户从

3、多个角度观察地物，更加真实的反映地物的实际情况，极大的弥补了基于正射影像应用的不足。特点二：倾斜影像可实现单张影像，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。特点三：建筑物侧面纹理可采集，针对各种三维数字城市应用，利用航空摄影大规模成图的特点，加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效的降低城市三维建模成本。 特点四：数据量小易于网络发布相较于三维GIS技术应用庞大的三维数据，应用倾斜摄影技术获取的影像的数据量要小得多，其影像的数据格式可采用成熟的技术快速进行网络发布，实现共享应用。倾斜摄影技术的应用航空倾斜影像不仅能够真实地反应地物情况，而且还通过采用先进的定位技术，嵌入精确的地理信息、更富的影

4、像信息、更高级的用户体验，极大地扩展了遥感影像的应用领域，并使遥感影像的行业应用更加深入。由于倾斜影像为用户提供了更丰富的地理信息，更友好的用户体验，该技术目前在欧美等发达国家已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。 PICTOMETRY 公司关于引进倾斜摄影技术签约仪式上得到的消息。国家测绘局副局长李维森出席签约仪式并讲话，表示国家测绘局大力支持引进先进测绘技术和设备。倾斜摄影技术是国际测绘领域近年来发展起来的一项高新技术。它颠覆了以往正射影像，只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜五个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人

5、眼视觉的真实直观世界。航空倾斜影像不仅能够真实地反应地物情况，而且可通过先进的定位技术，嵌入精确的地理信息、更丰富的影像信息、更高级的用户体验，极大地扩展遥感影像的应用领域，使遥感影像的行业应用更加深入。倾斜影像技术的引进和应用，还将使目前高昂的三维城市建模成本大大降低。通过签约，北京天下图公司成为国内首次成功引进倾斜摄影技术的公司。李维森说，现代测绘技术是集多种高新技术应用于一体的高新技术，国家测绘局在引导测绘单位保持我国测绘科技领先水平的同时，也一直大力支持先进测绘技术和设备的引进，通过提高测绘科技先进生产力水平，为社会提供更多、更好、更丰富精确的测绘产品和服务。李维森指出，倾斜摄影技术是

6、国际测绘领域近年发展起来的新技术。它通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，能同时从一个垂直方向和四个倾斜方向获取地物的影像融合了传统的航空摄影技术和近景测量技术。倾斜摄影技术的引进和应用，必将开辟遥感影像应用的新领域，国家测绘局积极倡导提高国内测绘科技水平，也大力支持国外先进测绘技术的引进。北京天下图数据技术有限公司通过国际合作，引进倾斜摄影技术，体现了不断引进和吸收国际先进技术、保持测绘科技领头羊的公司发展理念，为进一步提升我国测绘科技水平，作出了新的贡献。同时，北京天下图公司承担了国家测绘局基于城市高分辨率航空影像获取的试点工作，为国家测绘局整合社会资源、吸纳民间资本作出了有益探索。今年1月

7、，国家发改委、财政部通过国家投资公司所属国投高科技有限公司，向北京天下图数据技术有限公司注资并成为公司股东之一，这项在测绘行业尚属首例的投资行为，充分说明了国家对测绘事业的重视，对测绘产业化的大力支持。李维森要求北京天下图数据技术有限公司在与国际公司合作中，要严格遵守中国的法律法规和国家的有关规章制度，不断增强技术实力和服务能力，加强产品和服务模式转变，为测绘事业发展、测绘科技创新贡献力量和才智。金融界网站讯继年初获得国家发改委与财政部的创业风险投资注资之后，北京天下图数据技术有限公司及时抓住投资契机与市场机遇，为进一步加快和落实“城市高分辨率航空影像数据库”的建设计划，又在国内首次成功引进国

8、际先进的倾斜摄影技术， 2010年4月9日上午十点，北京天下图携中航四维航空（北京）遥感技术有限公司、北京胜和幢科技有限责任公司等各控股公司，在北京梅地亚中心举行协同举办了“倾斜摄影技术签约仪式暨城市高分辨率影像数据用户推广大会”。正式签约后，北京天下图成为美国Pictometry 公司倾斜摄影技术在中国区唯一技术许可和应用商。获得国际领先的倾斜摄影技术，将使本已成为国内航空摄影市场占有率第一的北京天下图公司如虎添翼。 遥感中核线影像相关内容 在摄影测量中,一般情况下利用单幅影像是不能确定物体上点的空间位置的,只能确定物点所在的空间方向要获得物点的空间位置一般须利用两幅相互重叠的影像构成立体像

9、对,它是立体摄影测量的基本单元,由其构成的立体模型是立体摄影测量的基础。核面与核线是摄影测量中的基本概念，但他们在传统的摄影测量中几乎没有得到实际的应用。自从20世纪70年代初，由摄影测量学者Helava等提出了核线的相关概念后，核线所特有的几何关系才开始在摄影测量的自动化系统中受到广泛的重视和应用。它不仅可以将二维影像匹配化成一维匹配问题而被广泛地应用于影响匹配系统中，而且在多影像匹配特别是在近景摄影测量）中还可以直接利用核线几何限制条件确定同名点。核线影像也是数字影像立体观测之基础。核线的相关概念核线是立体摄影测量学中的基本概念。在摄影测量学中，摄影基线与地面任意一点所组成的平面成为该点的

10、核面，核面与左右相片对的交线称为核线，在同一核面内左右像片上的核线称为同名核线。在立体想对上，同名像点一定位于同名核线上，而且同名核线上的像点是一一对应的。而平行于摄影基线的且相对水平的影像对称为理想像对。 核线的性质: 1在倾斜像片上所有的核线相互不平行，且交于一点核点。2 左（右）像片上的某一点，其同名点必定在其右（左）像片的同名核线上，这一性质是实现核线相关的基本依据。3在理想影像平面上，所有的核线相互平行，不仅同一影像面上的核线平行，其同名像点对的上下视差为零，这种影像对被称为核线影像对，它对立体观测非常有用。不同核线影像的生成方法 生成核线影像总共有三种方法：第一种是基于平行于摄影基

11、线水平核线影像, 这里的“水平”有特殊的含义, 它指核线影像面平行于摄影基线; 第二种类似的核线影像,即平行于地面水平核线影像,“水平”核线影像的优点是无论是否竖直摄影, 得到的核线影像都是水平的，立体显示比较真实; 缺点是必须完成绝对定向后方可生成, 观测精度部分依赖于绝对定向,而且生成速度较“倾斜”方式慢。“倾斜”的核线影像有生成速度快、处理比较灵活、不依赖控制定向结果的优点, 唯一的缺点就是立体显示与真实感不强( 但不会出现观测差) 。 核线影像在摄影测量学中的应用 1基于数字纠正的核线生成方法的步骤假设已知左右影像的内方位元素（x0,y0,f）和（x0,y0,f）以及左右影像的外方元素

12、（xs,ys,zs,）和（），则基于数字影响纠正的核线影像生成步骤如下：（1）求解内定向系数这个过程主要是建立倾斜影像的像平面坐标系与扫描坐标系之间的关系，原始倾斜影像的扫描坐标系与其像平面坐标系之间的变换关系可采用仿射变换。设影像的扫描坐标系为（c, r），影像像系为（x,y），则根据放射变换公式，有如下关系：其中a0,a1,a2,b0,b1,b2为影响内定向的6个内定向参数。一般利用影像四个框标点坐标（x, y）组成误差方程，根据最小二乘平差求解这6个内定向参数。（2）确定核线影像的范围将原始倾斜影像的4个角点投影到水平核线影像平面上，得到相应的4个角点在核线影像上的像平面坐标，从而确定该

13、核线影像的范围。（3）建立水平核线影像的像素坐标系与像平面坐标系之间的变换关系。由于水平核线影像的像素坐标系与像平面之间一般是平移关系，所以只要计算出坐标偏移量即可，设水平影像的像素坐标为（i,j），像平面坐标为（u,v），倾斜影像的像平面坐标为（x, y），则具体计算过程如下：A.在核线影像上,取像素坐标系的初始点坐标i0=0,j0=0。在原始倾斜影像上,得到对应同名点像平面坐标( 0 x , 0 y )。根据倾斜影像坐标(x,y)与“水平”影像坐标(u,v)的关系: 反算出该初始点在水平影像上的像平面坐标（u0,v0）B.求出核线影响坐标系与水平影像平面坐标系之间的偏移量（u,v）u=u0

14、i0 v=v0j0 所以得到核线影像坐标系（i,j）与水平影像像平面坐标系（u,v）之间的关系：（4）生成核线影像以左核线影像为例，在左核线影像上，取像素坐标系的初始值i0=0,j0=0，油像素坐标系与其像平面之间的转换关系，把像素坐标（i0,j0）换算成水平影像平面坐标（u,v)genju斜影像坐标（x,y）与平影像坐标（u,v）的关系：把(u,v)换算成原始倾斜像片的像平面坐标(x,y)。最后根据建立的原始倾斜影像的像平面坐标系与其扫描坐标系之间的关系,将(x,y)转换成扫描坐标(c,r)。此时,若c,r不是整数,可采用重采样的方法获取其所对应的灰度值。灰度重采样的方法一般有三种,分别是双

15、线性插值法,双三次卷积法以及最邻近像元法。重采样完成后,将所获得的灰度赋值给核线影像上的点( i0, j0)。坐标变换过程为:( i0, j0) (u,v) (x,y)(c,r)。重复以上过程,直到得到整幅影像上的所有像素都获取到灰度为止。2.从倾斜影像上获取核线影像的步（1）同名核线的确定处于摄影位置的立体像对,S 和S分别为左像投影中心和右像投影中心; S 和S的连线叫做摄影基线; 地面点Q 的投射线QS 和QS叫做同名光线;同名光线分别与两像平面的交点q , q叫做同名像点。摄影基线与任一地面点Q 构成的平面, 称为核面; 核面与像平面的交线称为核线;同一核面对应的左右像片上的核线称作同

16、名核线,这就是框幅式中心投影影像核线的几何定义。不难证明如果q 和q是同名像点,那么它们一定位于同名核线对L , L上。对框幅式中心投影影像来说,核线的方程可以直接由共线方程推导出来。由于同一核线上的点均位于同一核面上,即满足共面条件: 由此可得左片上通过任意一点p 的核线L的数学方程.传统的航空航天摄影测量技术主要针对地形地物顶部进行测量，而对起伏明显的地形 地物侧面的纹理和三维几何结构等信息获取一直十分有限，倾斜摄影测量因此成为近年来国 际上发展十分迅速的一项高新技术。本文简要评述了几种典型的倾斜摄影测量软硬件系统， 分析了倾斜摄影测量的关键技术，总结提炼了倾斜摄影测量技术发展的主要趋势和

17、研究要点。 倾斜影像是指由一定倾斜角度的航摄相机所获取的影像1。倾斜摄影技 术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过在同一飞行平台上搭载多台传感 器，同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。常用的影像数据主要来源于垂直角度或倾角很小的航空或卫星影像，这些影像大多只 有地物顶部的信息特征，缺乏地物侧面详细的轮廓及纹理信息，不利于全方位的模型重建和 场景感知。并且，这些影像上建筑物容易产生墙面倾斜、屋顶位移和遮挡压盖等问题，不利 于后续的几何纠正和辐射处理。 2008 年第 21 届 ISPRS 大会和 2011 年第 53 届德国摄影测量周，倾斜摄影测量

18、技术都是35 大会的主要议题之一。新型多线面阵、多角度数码相机的应用如 ADS40/80SWDC-5 等为多视影像和大角度倾斜影像的获取提供了可能；高性能倾斜摄影测量处理系统等的不断改进也使得倾斜影像的处理更加便利。 1 多角度相机及处理系统 1.1 多角度相机40 世界上较早的倾斜摄影相机被认为是徕卡公司 2000 年推出的 ADS40 三线阵数码相机， 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（20090141110030） 作者简介：朱庆，（1966-），男，教授，主要研究方向：数字摄影测量与三维地理信息系统。 E-mail: -1- 提供地物前视，正视和后视 3 个视角方向的影

19、像。外国的一些先进公司专门研制了倾斜摄影用的多角度相机，可以同时获取一个地区多个角度的影像；我国的四 维远见公司也研制了自主知识产权的多角度相机。这些典型多角度相机系统的参数和性能对 比如表 1 所示：45 表 1 典型多角度相机系统参数和特点 相机类型 相机名称 主要参数 特点 三 个 全 色 线 阵 CCD ， 每 个 三线阵 ADS40/80 212000 像元，四个多光谱线阵 推扫式成像；前视后视可获得较好的倾斜影 CCD，每个 12000 像元；像元大 像；需集成 POS 系统 小 6.8；焦距 62.77mm 单机幅面 72285428；像元大小 一台相机获取垂直影像，两台获取倾斜

20、影 3 镜头 AOS 6.8；焦距 47mm；倾角 30-40 像；镜头在曝光一次后自动旋转 单机幅面 54127216；像元大小 一台相机获取垂直影像，四台获取倾斜影 SWDC-5 6.8；焦距 100mm/80mm；倾 像；集成测量型 GPS 和 POS 5 镜头 角 40-45 单机幅面 40082672；像元大小 一台相机获取垂直影像，四台获取倾斜影；焦距 65mm/85mm；倾角 像；产品包含两级影像 40-60 1三线阵相机系统 三线阵 ADS40/80 相机系统可以获取高分辨率的影像，通过连续推扫式成像，其前视和50 后视相机可以提供同一航带上地物的倾斜影像。相机的前视倾角约为

21、28 度，后视倾角约为 14 度，获取的多视影像可以较为清晰地反映出地物的侧面纹理特征。此类影像处理很复杂， 需要伴随高精度的 POS 数据，生成多级影像产品，但前后视倾角难以获取地物完整的侧面 轮廓。 2三相机系统55 天宝 AOS 倾斜相机系统由 3 台大幅面数码相机组成，一台下视获取垂直影像，另外两 台获取倾斜角度在 30 度到 40 度之间的倾斜影像。通过旋转型架构结构，实现前后左右倾斜 和垂直五个方向的摄影。整个镜头在曝光一次后自动旋转 90 度，以此获取地物四个方向上 的侧视影像。 3五相机系统60 SWDC-5 倾斜摄影相机由 5 台哈苏 H3D 相机组成，中间一台垂直摄影，其余

22、四台分别 向四个方向进行倾斜摄影，其倾斜角在 40 度到 45 度之间，相机上方安置有 IMU 导航系统， 同时集成 GPS 定位系统，可以在曝光瞬间准确获取相机倾角及外方位元素。 Pictometry 相机系统由 5 台数码相机组成，一台获取垂直影像，另外四台从前后左右四 个方向同时获取地物的侧视影像。相机倾斜角度在 40 度到 60 度之间，因此可以较为完整地65 获取地物侧面的轮廓和纹理信息。其产品包含两级影像：具有一般分辨率的“Community” 级影像和基于其分割得到的较高分辨率的“Neighborhood”级影像13。 1.2 倾斜影像处理系统 伴随多角度相机的是倾斜影像处理系统

23、的快速发展。美国 公司推出的 Pictometry 倾斜影像处理软件，能够较好地实现倾斜影像的定位量测、轮廓提取、纹理聚类70 等处理功能。法国 Infoterra 公司的像素工厂Pixel Factory作为新一代遥感影像自动化处理系 统，Street Factory 子系统可以对倾斜影像进行精确的三维重建和快速的并行处理。此外，徕 -2- 卡公司的 LPS 工作站、AeroMap 公司的 MultiVision 系统、Intergraph 公司的 DMC 系统等， 都陆续开发了针对倾斜影像的量测46、匹配7、提取8、建模912等模块。 1 Pictometry 系统75 Pictometr

24、y 倾斜影像处理软件提供了倾斜影像管理工具 EFSElectronic Field Study，可 以结合地理信息数据，对影像进行量测、定位、提取等操作，并对基于影像建立的模型做出 一定的分析和可视化1315。其产品目前已在微软的 Virtual Earth 中得到应用5。 2 Street Factory 系统 Street Factory 系统通过对获得的倾斜影像进行几何处理、多视匹配、三角网构建，提取80 出典型地物的纹理特征，并对该纹理进行可视化处理，最终得到三维模型。依托 Pixel Factory 的影像解译和并行处理能力，Street Factory 仅依靠倾斜影像，无需 LID

25、AR 等辅助设备，便 可以提供逼真的建模场景和智能的处理流程，构建不同层次细节度下的三角网模型， 在精度、自动化、适应性及简洁性等方面都有着一定的优势。 2 倾斜摄影测量关键技术85 2.1 倾斜摄影测量的基本原理 倾斜影像是通过具有一定倾角的倾斜航摄相机获取的，具有如下的特点：1可以获取 多个视点和视角的影像，从而得到更为详尽的侧面信息16；2具有较高的分辨率和较大的 视场角817；3同一地物具有多重分辨率的影像；4倾斜影像地物遮挡现象较突出817。针 对这些特点，倾斜摄影测量技术通常包括影像预处理、区域网联合平差、多视影像匹配、90 DSM 生成、真正射纠正、三维建模等关键内容，其基本原理

26、如图 1 所示： -3- 多视影像 几何校正 区域网联合平差 多视影像匹配 DSM生成 三维建模 真正射纠正 3D数据库（DSM，DOM，TDOM， 矢量数据，三维模型等） 图 1 多视影像处理的基本原理 Fig 1 The basic principles of multi-view image processing 95 2.2 倾斜影像测量的关键技术 1 多视影像联合平差 多视影像不仅包含垂直摄影数据，还包括倾斜摄影数据，而部分传统空中三角测量系统 无法较好地处理倾斜摄影数据，因此，多视影像联合平差需充分考虑影像间的几何变形和遮 挡关系18。结合 POS 系统提供的多视影像外方位元素，采

27、取由粗到精的金字塔匹配策略，100 在每级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差，得到较好的同名点匹配结果1920。 同时，建立连接点和连接线、控制点坐标、GPU/IMU 辅助数据的多视影像自检校区域网平 差的误差方程，通过联合解算，确保平差结果的精度。 2 多视影像密集匹配 影像匹配是摄影测量的基本问题之一，多视影像具有覆盖范围大，分辨率高等特点21。105 因此，如何在匹配过程中充分考虑冗余信息，快速准确获取多视影像上的同名点坐标，进而 获取地物的三维信息，是多视影像匹配的关键2223。由于单独使用一种匹配基元或匹配策 略往往难以获取建模需要的同名点，因此近年来随着计算机视觉发展起来的

28、多基元、多视影 像匹配，逐渐成为人们研究的焦点2426。 目前，在该领域的研究已取得很大进展，例如建筑物侧面的自动识别与提取。通过搜索110 多视影像上的特征，如建筑物边缘、墙面边缘和纹理，来确定建筑物的 2 维矢量数据集，影 -4- 像上不同视角的 2 维特征可以转化为 3 维特征10，在确定墙面时，可以设置若干影响因子 并给予一定的权值，将墙面分为不同的类，将建筑的各个墙面进行平面扫描和分割，获取建 筑物的侧面结构，再通过对侧面进行重构，提取出建筑物屋顶的高度和轮廓816。 3 数字表面模型生成和真正射影像纠正115 多视影像密集匹配能得到高精度高分辨率的数字表面模型DSM，充分表达地形地

29、物起 伏特征，已经成为新一代空间数据基础设施的重要内容。由于多角度倾斜影像之间的尺度差 异较大，加上较严重的遮挡和阴影等问题，基于倾斜影像的 DSM 自动获取存在新的难点。 可以首先根据自动空三解算出来的各影像外方位元素，分析与选择合适的影像匹配单元进行 特征匹配和逐像素级的密集匹配，并引入并行算法，提高计算效率。在获取高密度 DSM 数120 据后，进行滤波处理，并将不同匹配单元进行融合，形成统一的 DSM。 多视影像真正射纠正涉及物方连续的数字高程模型DEM和大量离散分布粒度差异很 大的地物对象，以及海量的像方多角度影像，具有典型的数据密集和计算密集特点。因此， 多视影像的真正射纠正，可分

30、为物方和像方同时进行。在有 DSM 的基础上，根据物方连续 地形和离散地物对象的几何特征，通过轮廓提取、面片拟合、屋顶重建等方法提取物方语义125 信息；同时在多视影像上，通过影像分割、边缘提取、纹理聚类等方法获取像方语义信息， 再根据联合平差和密集匹配的结果建立物方和像方的同名点对应关系，继而建立全局优化采 样策略和顾及几何辐射特性的联合纠正，同时进行整体匀光处理，实现多视影像的真正射纠 正。 3 结论130 本文简要评述了倾斜摄影测量的基本原理和关键技术。倾斜摄影测量技术以大范围、高 精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，系统具备高性能的协同并行处理能力，在新一代城 市空间数据基础设施建设中

31、有着巨大的发展潜力。随着我国城市化进程的快速推进，精细化 的三维城市模型作为城市规划、建设、管理和信息化的基础数据，得到了日益广泛的应用并 逐渐成为城市空间数据框架的重要内容。然而，传统的航空和卫星遥感手段主要针对城市建135 筑顶部进行模型重建，而对侧面的三维重建一直缺少有效的解决手段。倾斜摄影技术的发展， 可以有效解决这一难题，将静态的，基于立体像对和点特征的传统摄影测量技术推向了一个 新的高度，即动态的，基于多视影像和对象特征的实时摄影测量技术。因此，诸如高分辨率 DSM、逼真的真正射影像和精细的三维城市模型等倾斜摄影测量产品需求尤为迫切，而发 展基于多平台多传感器的倾斜影像自动化、智能化的处理技术，已经成为新一代数字摄影测量的主导。