第13课：基于遥感的三维重建理论与方法.ppt

1、遥感影像三维重建遥感影像三维重建 研究意义：研究意义：三维可视化是城市基础建设、规划、环境三维可视化是城市基础建设、规划、环境保护、交通和通讯等方面的一个重要环节保护、交通和通讯等方面的一个重要环节,是是当今当今 “数字城市数字城市”(digital city)的一个重要的一个重要表现手段，研究快速建立三维城市模型是构表现手段，研究快速建立三维城市模型是构建数字城市的一个重要方面。当今先进的遥建数字城市的一个重要方面。当今先进的遥感技术和数字摄影测量技术是三维城市景观感技术和数字摄影测量技术是三维城市景观模型重建的一个重要手段。因此利用遥感影模型重建的一个重要手段。因此利用遥感影像可以快速获取

2、三维信息。像可以快速获取三维信息。一、摄影测量基本原理一、摄影测量基本原理XYZa(x,y)xyzS(Xs,Ys,Zs)A(X,Y,Z)1、共线方程共线方程 2、解算地面点的三维坐标解算地面点的三维坐标 由共线方程可知，单张像片只能列出两个方程，无法求由共线方程可知，单张像片只能列出两个方程，无法求由共线方程可知，单张像片只能列出两个方程，无法求由共线方程可知，单张像片只能列出两个方程，无法求解三个未知数（解三个未知数（解三个未知数（解三个未知数（X,Y,ZX,Y,ZX,Y,ZX,Y,Z），所以利用立体像对进行地面点），所以利用立体像对进行地面点），所以利用立体像对进行地面点），所以利用立体像

3、对进行地面点三维坐标的解算，如图所示。三维坐标的解算，如图所示。三维坐标的解算，如图所示。三维坐标的解算，如图所示。基基本本原原理理已知量已知量已知量已知量未知量未知量未知量未知量二、高分辨率遥感影像三维重建二、高分辨率遥感影像三维重建1、高分辨率卫星简介、高分辨率卫星简介 IKONOSIKONOS（4m4m彩色、彩色、彩色、彩色、1m1m全色卫星影像全色卫星影像全色卫星影像全色卫星影像QuickbirdQuickbird（快鸟、（快鸟、（快鸟、（快鸟、0.6m0.6m）卫星影像）卫星影像）卫星影像）卫星影像2、高分率遥感影像成像模型、高分率遥感影像成像模型 传感器成像模型的建立是进行摄影测量

4、立体定位处理传感器成像模型的建立是进行摄影测量立体定位处理的基础，一般分为物理和通用传感器模型。的基础，一般分为物理和通用传感器模型。在传统的摄影测量领域，使用较多的是物理传感器模在传统的摄影测量领域，使用较多的是物理传感器模型，而且使用型，而且使用画幅式画幅式相机，这样基于共线方程的立体像对相机，这样基于共线方程的立体像对纠可以实现三维重建。纠可以实现三维重建。随着遥感技术和航天技术的发展，在摄影测量领域画随着遥感技术和航天技术的发展，在摄影测量领域画幅式相机逐渐被幅式相机逐渐被CCDCCD传感器传感器所取代，如果采用基于共线方所取代，如果采用基于共线方程传感器模型描述，将导致定向参数之间的

5、强相关性，影程传感器模型描述，将导致定向参数之间的强相关性，影响定向的精度和稳定性。同时通用传感器模型与具体的传响定向的精度和稳定性。同时通用传感器模型与具体的传感器无关，因而更能适应传感器成像方式多样化的发展要感器无关，因而更能适应传感器成像方式多样化的发展要求，所以通用传感器模型的研究成为当前摄影测量与遥感求，所以通用传感器模型的研究成为当前摄影测量与遥感领域的一个重要研究方向。领域的一个重要研究方向。3.常用影像定位方法v多项式法v共线方程式法v直接线性变换法v仿射变换法v有理函数模型法3.常用影像定位方法v多项式法v共线方程式法3.常用影像定位方法v直接线性变换法v仿射变换法8参数法3

6、.常用影像定位方法严密仿射变换公式v有理函数模型法3.常用影像定位方法有理函数模型有理函数模型(RFM)基于基于RFM的通用传感器模型的通用传感器模型 RFMRFM定义：定义：定义：定义：RFMRFM是将像点坐标（是将像点坐标（是将像点坐标（是将像点坐标（r,cr,c）表示为以相应地面点空间坐标）表示为以相应地面点空间坐标）表示为以相应地面点空间坐标）表示为以相应地面点空间坐标（X,Y,ZX,Y,Z）为自变量的多项式的比值，公式如下：为自变量的多项式的比值，公式如下：为自变量的多项式的比值，公式如下：为自变量的多项式的比值，公式如下：RFMRFM传感器优点：传感器优点：传感器优点：传感器优点：

7、、一般性：形式简单，适用于大多数传器；一般性：形式简单，适用于大多数传器；一般性：形式简单，适用于大多数传器；一般性：形式简单，适用于大多数传器；、保密性：、保密性：、保密性：、保密性：RFMRFM中中中中隐含了传感器信息；隐含了传感器信息；隐含了传感器信息；隐含了传感器信息；、高效性：便于实时处理。、高效性：便于实时处理。、高效性：便于实时处理。、高效性：便于实时处理。称称为有理多有理多项式系数式系数(Rational Polynomial Coefficients,RPC)，简称称RPC参数参数 3.常用影像定位方法有理函数模型系数（RPC）的解算方法：与地形无关的RPC系数求解 传感器的

8、严密物理模型已知 空间格网+最小二乘法 与地形有关的RPC系数求解 传感器的严密物理模型未知 GCP选点+最小二乘法3.常用影像定位方法有理函数模型的优化直接优化法利用新增GCPs对RPC系数重新解算 新增的新增的GCPs作为作为RPC系数解算的系数解算的 强制附合条件强制附合条件权阵赋值权阵赋值条件平差条件平差附有条件的间接平差附有条件的间接平差新新RPC系数系数原始原始RPC系数系数原始原始GCPs新增新增GCPs3.常用影像定位方法间接优化法 利用新增GCPs计算仿射变换系数，改变像方空间坐标值原始像素坐标原始像素坐标原始原始RPC系数系数新增新增GCPs像方仿射变换系数像方仿射变换系数

9、新像素坐标新像素坐标新增新增GCPs用于像用于像方仿射变换系数方仿射变换系数的计算的计算3.常用影像定位方法v不同空间坐标系之间的坐标转换高斯正反算广义大地坐标微分公式3.常用影像定位方法三、近景影像三维重建三、近景影像三维重建 近景摄影测量是摄影测量与遥感学科的一个近景摄影测量是摄影测量与遥感学科的一个重要分支，其目的是通过摄影测量的方法，研重要分支，其目的是通过摄影测量的方法，研究目标物体的外形、尺寸以及运动状态等。通究目标物体的外形、尺寸以及运动状态等。通过近景摄影测量的方式获取物体真实尺寸从而过近景摄影测量的方式获取物体真实尺寸从而建立三维景观，满足了中小型用户的可视化需建立三维景观，

10、满足了中小型用户的可视化需求。其中直接线性变化（求。其中直接线性变化（DLT）在近景摄影测）在近景摄影测量中应用比较广泛。量中应用比较广泛。直接线性变化解法，因无需内方位元素值和直接线性变化解法，因无需内方位元素值和外方位元素的初始近似值，特别适用于非量测外方位元素的初始近似值，特别适用于非量测相机所摄影像的摄影测量处理，故本算法成为相机所摄影像的摄影测量处理，故本算法成为近景摄影量测的重要组成部分。近景摄影量测的重要组成部分。1、直接线性变换、直接线性变换概念概念:直接线性变换（直接线性变换（直接线性变换（直接线性变换（Direct Linear TransformationDirect L

11、inear Transformation）解法是建立像点坐标仪坐标和相应物点物方空间坐标解法是建立像点坐标仪坐标和相应物点物方空间坐标解法是建立像点坐标仪坐标和相应物点物方空间坐标解法是建立像点坐标仪坐标和相应物点物方空间坐标之间直接的线性关系的算法。之间直接的线性关系的算法。之间直接的线性关系的算法。之间直接的线性关系的算法。原理：原理：直接线性变换解法直接线性变换解法直接线性变换解法直接线性变换解法,原则上也是从共线条件方程演绎原则上也是从共线条件方程演绎原则上也是从共线条件方程演绎原则上也是从共线条件方程演绎而来的。按共线条件方程得出直接线性变换的基本关而来的。按共线条件方程得出直接线性

12、变换的基本关而来的。按共线条件方程得出直接线性变换的基本关而来的。按共线条件方程得出直接线性变换的基本关系式系式系式系式:2 2、直接线性变换解算、直接线性变换解算 直接线性变换解法的具体解算过程，包括系数直接线性变换解法的具体解算过程，包括系数直接线性变换解法的具体解算过程，包括系数直接线性变换解法的具体解算过程，包括系数L L的解的解的解的解算以及空间坐标算以及空间坐标算以及空间坐标算以及空间坐标（X X、Y Y、Z Z）的解算共两个步骤：的解算共两个步骤：的解算共两个步骤：的解算共两个步骤：步骤一：步骤一：步骤一：步骤一：系数系数系数系数L L L L和物方空间坐标（和物方空间坐标（和物

13、方空间坐标（和物方空间坐标（X,Y,ZX,Y,ZX,Y,ZX,Y,Z）近似值的解）近似值的解）近似值的解）近似值的解 算；算；算；算；步骤二：系数步骤二：系数步骤二：系数步骤二：系数L L L L和物方空间坐标（和物方空间坐标（和物方空间坐标（和物方空间坐标（X,Y,ZX,Y,ZX,Y,ZX,Y,Z）精确解算。）精确解算。）精确解算。）精确解算。四、单张遥感影像三维重建四、单张遥感影像三维重建 （1 1）、传传传传统统统统的的的的航航航航空空空空影影影影像像像像及及及及近近近近景景景景影影影影像像像像通通通通常常常常作作作作为为为为建建建建筑筑筑筑物物物物三三三三维维维维重重重重建建建建的的的

14、的重重重重要要要要信信信信息息息息源源源源。但但但但是是是是，航航航航空空空空影影影影像像像像由由由由于于于于其其其其高高高高空空空空成成成成像像像像造造造造成成成成侧侧侧侧面面面面纹纹纹纹理理理理匮匮匮匮乏乏乏乏，且且且且航航航航空空空空、近近近近景景景景影影影影像像像像均均均均需需需需要要要要昂昂昂昂贵贵贵贵的的的的仪器、设备。仪器、设备。仪器、设备。仪器、设备。（2 2）、对对对对于于于于从从从从立立立立体体体体遥遥遥遥感感感感影影影影像像像像上上上上自自自自动动动动、半半半半自自自自动动动动地地地地进进进进行行行行建建建建筑筑筑筑物物物物的的的的提提提提取取取取和和和和重重重重建建建建

15、的的的的方方方方法法法法,已已已已经经经经有有有有了了了了大大大大量量量量的的的的研研研研究究究究,在在在在技技技技术术术术思思思思路路路路上上上上也也也也已已已已经经经经比比比比较较较较成成成成熟熟熟熟,而而而而且且且且获获获获得得得得的的的的建建建建筑筑筑筑物物物物几几几几何何何何模模模模型型型型精精精精度度度度也也也也较较较较高高高高。在在在在有有有有些些些些特特特特定定定定情情情情况况况况下下下下,特特特特别别别别是是是是在在在在工工工工程程程程摄摄摄摄影影影影测测测测量量量量、非非非非正正正正规规规规航航航航空空空空摄摄摄摄影影影影的的的的条条条条件件件件下下下下,不不不不能能能能获

16、获获获取取取取具具具具有有有有规规规规定定定定重重重重叠叠叠叠度度度度的的的的立立立立体体体体像像像像对对对对,因因因因此此此此利利利利用用用用单单单单影影影影像像像像进进进进行行行行三三三三维维维维建建建建模模模模也也也也是是是是一一一一个个个个重要的途径。重要的途径。重要的途径。重要的途径。1、单张遥感影像三维重建、单张遥感影像三维重建 原理：原理：RFM（1）角点量测法）角点量测法（2）阴影量测法）阴影量测法2、单张近景影像三维重建、单张近景影像三维重建 原理：灭点理论原理：灭点理论1、单张影像基于、单张影像基于RFM三维重建三维重建RFM （1）角点量测法）角点量测法建筑物影像高度与实际高度之间的关系建筑物影像高度与实际高度之间的关系 （2）阴影量测法（一）阴影量测法（一）卫星传感器扫描方向与太阳照射方向相同卫星传感器扫描方向与太阳照射方向相同 （2）阴影量测法（二）阴影量测法（二）卫星传感器扫描方向与太阳照射方向相反卫星传感器扫描方向与太阳照射方向相反AzAz太阳方位角，太阳方位角，太阳方位角，太阳方位角，AltAlt太阳高度角太阳高度角太阳高度角太阳高度角 2、灭点、灭点定