專利名稱：可量測無縫空間立體模型的生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測繪科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用航空影像和數(shù)字地面模型(DEM)生成一種方便構(gòu)建和使用的可量測無縫空間立體模型的方法。
在攝影測量領(lǐng)域，人造立體視覺早就開始使用了。在18世紀(jì)末期，德國耶拿蔡司廠的普弗里希(C.Pulfrich)提出了立體觀測的原理，并于1901年制造了立體坐標(biāo)量測儀，在德國被稱為“立體攝影測量之父”。同時(shí)為攝影測量奠定了立體量測的基礎(chǔ)。此后的雙像投影測圖、立體測圖儀、解析測圖儀直到發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)字?jǐn)z影測量工作站的全數(shù)字化數(shù)字測圖，都是基于此原理。
攝影測量的發(fā)展已有幾百年的歷史，經(jīng)歷了模擬攝影測量、解析攝影測量和數(shù)字?jǐn)z影測量三個(gè)發(fā)展階段，通過模擬、解析或數(shù)字的方法恢復(fù)攝影時(shí)的空間立體模型，通過立體模型真實(shí)再現(xiàn)被攝地區(qū)的地物和地貌，在模型上進(jìn)行立體量測，采集一些基本的地理信息，這是攝影測量的一個(gè)主要特征。由于立體模型的建立要經(jīng)過復(fù)雜的內(nèi)定向、像對定向和絕對定向攝影測量處理過程，必須具備攝影測量專業(yè)的專業(yè)知識，因此，這個(gè)空間模型基本上是由攝影測量工作者建立和使用，是攝影測量工作者的一個(gè)專利。
這種傳統(tǒng)的由左右兩張影像構(gòu)成的立體模型是攝影測量的基礎(chǔ)和核心，由于它的范圍僅僅局限兩張像片重疊的很小范圍內(nèi)，而且建立過程復(fù)雜，因此，僅僅作為攝影測量工作者的一種地理數(shù)據(jù)采集的媒介，在完成數(shù)據(jù)采集工作后，就被拋棄了，再也不被使用了。由于立體模型中含有攝影時(shí)地形表面的所有信息，而且經(jīng)過數(shù)據(jù)采集以后所保留下來的信息是非常有限的，如果把立體模型白白的丟掉，是一件令人非常遺憾的事情。如果我們能夠構(gòu)造一個(gè)大范圍的而且方便構(gòu)建的空間立體模型，就可以使地質(zhì)學(xué)家、森林學(xué)家、規(guī)劃學(xué)家、工程師和其它行業(yè)使用航空像片的人，在不需要攝影測量復(fù)雜知識背景的前提下，用簡單的方法構(gòu)建和使用空間立體模型，將為高效的規(guī)劃、開發(fā)和保護(hù)自然資源做出重大的貢獻(xiàn)，同時(shí)，非專業(yè)人員也可以通過空間模型坐在家里瀏覽逼真的三維地形景觀模型，可以大大增加航空攝影成果的利用價(jià)值。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種可量測無縫空間立體模型的生成方法，利用該投影函數(shù)生成可量測無縫空間立體模型的步驟(1)按照沿航帶的方向?qū)娇障衿M(jìn)行順序編號；(2)利用數(shù)字地面模型，用單號片1、3、5…片制作正射影像，具體制作步驟如下i)將XY平面上一定間隔的方格網(wǎng)，按照正射投影到網(wǎng)數(shù)字高程模型上獲得方格網(wǎng)的四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)(Xi，Yi，Zi)ii)由共線條件方程x-x0=-fa1(X-XS)+b1(Y-YS)+c1(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)]]>y-y0=-fa2(X-XS)+b2(Y-YS)+c2(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)]]>式中x，y，一f為像點(diǎn)像空間坐標(biāo)；f為航攝像片的焦距；x0，y0為像主點(diǎn)坐標(biāo)；X，Y，Z為地面點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；XS，YS，ZS為攝站點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；ai，bi，ci(i＝1，2，3)為像片的三個(gè)外方位元素組成九個(gè)方向余弦；將第一步投影后與數(shù)字地面模型相交的四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)按照共線條件方程變換到像片坐標(biāo)系得到相應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)(xi，yi)；iii)通過內(nèi)定向變換參數(shù)由像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算對應(yīng)的掃描坐標(biāo)IJ=m1m2n1n2x-x0y-y0-I0J0]]>式中m1，m2，n1，n2，I0，J0為內(nèi)定向參數(shù)；iv)對每一塊內(nèi)的像元按照雙線性多項(xiàng)式內(nèi)插對應(yīng)的掃描坐標(biāo)I＝a0+a1X+a2Y+a3XYJ＝b0+b1X+b2Y+b3XY式中I，J為掃描坐標(biāo)、X，Y為地面坐標(biāo)、ai，bi為雙線性變換系數(shù)v)灰度內(nèi)插各個(gè)面元的四個(gè)角點(diǎn)按照共線方程求出其像片坐標(biāo)，然后由內(nèi)定向參數(shù)將其轉(zhuǎn)化為掃描坐標(biāo)，對于每一塊內(nèi)部按照雙線性變換逐點(diǎn)計(jì)算其掃描坐標(biāo)，再采用灰度內(nèi)插方法內(nèi)插每個(gè)像元的灰度值；vi)灰度賦值將內(nèi)插后的每個(gè)灰度值逐個(gè)賦給糾正后的每個(gè)像元；將每個(gè)點(diǎn)都處理完之后即形成數(shù)字正射影像；(3)利用數(shù)字地面模型，用雙號片2、4、6…制作正射影像的輔助片，制作的過程與正射影像的過程類似，只是第一步用投影函數(shù)進(jìn)行投影而代替制作正射影像時(shí)的正射投影，具體制作步驟如下由XY平面上的方格網(wǎng)，按照變角度投影引入視差法取投影方向平行于XZ平面引入視差，按照變角度投影光線與數(shù)字地面模型表面的交點(diǎn)的計(jì)算公式，將格網(wǎng)的四個(gè)角點(diǎn)投影到數(shù)字高程模型得到投影線與數(shù)字地面模型的交點(diǎn)(X′iY′iZ′i)，以下的計(jì)算步驟同制作正射影像的ii到vi步；(4)將奇數(shù)片制作的數(shù)字正射影像按照地面坐標(biāo)將其鑲嵌成一個(gè)無縫區(qū)域，同時(shí)記錄每一張數(shù)字正射影像在鑲嵌后的數(shù)字正射影像的區(qū)域范圍；(5)點(diǎn)對點(diǎn)構(gòu)造可量測的無縫立體模型。
本發(fā)明的基本原理是基于人眼的立體視覺原理，以數(shù)字正射影像為基礎(chǔ)，利用原始航空像片和數(shù)字地面模型(DEM)，在由奇數(shù)片生成數(shù)字正射影像，利用偶數(shù)片通過視差函數(shù)引入視差生成一個(gè)與正射影像相匹配的立體正射影像輔助片，數(shù)字正射影像和相應(yīng)的輔助影像一起構(gòu)成立體正射像片，通過對數(shù)字正射影像進(jìn)行無縫鑲嵌后，利用立體模型的構(gòu)造算法與輔助片一起形成大范圍無縫的無上下視差的三維虛擬可量測的景觀模型。
使用本發(fā)明所構(gòu)造的立體模型突破了攝影測量中立體像對范圍的局限，不需攝影測量的專業(yè)知識即可方便構(gòu)建和使用，能夠真實(shí)的恢復(fù)和再現(xiàn)攝影時(shí)的三維地形景觀模型，可以進(jìn)行無縫的立體漫游和瀏覽，并且可以在模型上進(jìn)行三維量測和信息采集?？梢詾闇y繪、地質(zhì)、林業(yè)、電力、城市規(guī)劃、公路和鐵路設(shè)計(jì)等其它相關(guān)行業(yè)使用。


圖1是原始攝影時(shí)地面上相對于基準(zhǔn)面不同高度的兩個(gè)點(diǎn)所產(chǎn)生的視差圖；圖2為與原始視差相同的引入視差圖；圖3為正射影像圖；圖4為正射影像輔助片；圖5為變角度的投影光線與DEM交點(diǎn)計(jì)算圖；圖6為像片編號；圖7為本發(fā)明的流程圖。
如圖1、圖2所示，圖1是原始攝影時(shí)地面上相對于基準(zhǔn)面不同高度的兩個(gè)點(diǎn)所產(chǎn)生的視差，圖2是為了產(chǎn)生與原始攝影時(shí)相同的視差而采用的α1和α2兩個(gè)不同角度的投影光線，從圖1、圖2中的幾何關(guān)系可知tgα1=BZ1tgα2=BZ2---(1)]]>式中B為立體像對的攝影基線，H為攝影時(shí)的航高(以下同)，因此，為了與原始攝影時(shí)的視差保持一致，采用變角度投影來引入視差，圖3、圖4顯示了變角度引入視差的原理，采用平行于XZ平面進(jìn)行投影，根據(jù)不同的地面高程，每個(gè)點(diǎn)的投影光線的角度是不同的。
如圖3、圖4的幾何關(guān)系可知，變角度引入視差法的視差函數(shù)為Pi=BZiH-Zi---(2)]]>式中Pi為每個(gè)點(diǎn)的視差；Zi為每個(gè)點(diǎn)的高程值。
通過上式可知，變角度投影引入視差的立體正射像片中任意一點(diǎn)的高程可以由下式求出Zi=PiHB+Pi---(3)]]>由于在生成立體正射影像輔助片時(shí)，必須計(jì)算投影函數(shù)和數(shù)字地面模型(DEM)表面的交點(diǎn)，變角度投影光線與DEM表面的交點(diǎn)(X′iY′iZ′i)如圖5所示，如圖中的幾何關(guān)系可知Y′i＝Y(jié)iXi′=(Xi+1-Xi)(Xi+kZi)-Xik(Zi+1-Zi)Xi+1-k(Zi+1-Zi)-Xi---(4)]]>Zi′=Zi+(Zi+1-Zi)(Xi′-Xi)(Xi+1-Xi)]]>式中k=tanα=BZi]]>
需要說明一點(diǎn)的是，當(dāng)?shù)匦纹鸱^大或DEM格網(wǎng)較密集時(shí)，在真正求解變角度投影光線與DEM交點(diǎn)時(shí)，必須先判斷平行光線落在哪一個(gè)DEM格網(wǎng)間隔，然后才能用上面的公式解求平行光線與DEM的交點(diǎn)。
上面詳細(xì)說明了引入視差的投影函數(shù)，下面介紹利用該投影函數(shù)生成可量測無縫空間立體模型的步驟(參見圖7)(1)收集原始數(shù)據(jù)(原始影像、DEM和像片參數(shù))；然后按照沿航帶的方向?qū)娇障衿M(jìn)行順序編號(依次為1、2、3、4、5、6…)，如圖6所示。(2)正射影像制作—數(shù)字正射影像—正射影像無縫鑲嵌；利用數(shù)字地面模型DEM，用單號片1、3、5…片制作正射影像，具體制作步驟如下i)將XY平面上一定間隔的方格網(wǎng)(一般與數(shù)字高程模型的格網(wǎng)大小相等)，按照正射投影到網(wǎng)數(shù)字高程模型上獲得方格網(wǎng)的四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)(Xi，Yi，Zi)ii)由共線條件方程x-x0=-fa1(X-XS)+b1(Y-YS)+c1(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)---(5)]]>y-y0=-fa2(X-XS)+b2(Y-YS)+c2(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)]]>式中x，y，-f為像點(diǎn)像空間坐標(biāo)；f為航攝像片的焦距；x0，y0為像主點(diǎn)坐標(biāo)；X，Y，Z為地面點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；XS，YS，ZS為攝站點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；ai，bi，ci(i＝1，2，3)為像片的三個(gè)外方位元素組成九個(gè)方向余弦；將第一步投影后與DEM相交的四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)按照共線條件方程變換到像片坐標(biāo)系得到相應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)(xi，yi)。iii)通過內(nèi)定向變換參數(shù)由像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算對應(yīng)的掃描坐標(biāo)IJ=m1m2n1n2x-x0y-y0-I0J0---(6)]]>式中m1，m2，n1，n2，I0，J0為內(nèi)定向參數(shù)；iv)對每一塊內(nèi)的像元按照雙線性多項(xiàng)式內(nèi)插對應(yīng)的掃描坐標(biāo)I＝a0+a1X+a2Y+a3XY (7)J＝b0+b1X+b2Y+b3XYI，J為掃描坐標(biāo)X，Y為地面坐標(biāo)
ai，bi為雙線性變換系數(shù)v)灰度內(nèi)插各個(gè)面元的四個(gè)角點(diǎn)按照共線方程求出其像片坐標(biāo)，然后由內(nèi)定向參數(shù)將其轉(zhuǎn)化為掃描坐標(biāo)，對于每一塊內(nèi)部按照雙線性變換逐點(diǎn)計(jì)算其掃描坐標(biāo)，再采用灰度內(nèi)插方法內(nèi)插每個(gè)像元的灰度值。vi)灰度賦值將內(nèi)插后的每個(gè)灰度值逐個(gè)賦給糾正后的每個(gè)像元。將每個(gè)點(diǎn)都處理完之后即形成數(shù)字正射影像。(3)輔助影像制作—輔助片影像；利用數(shù)字地面模型DEM，用雙號片2、4、6…制作正射影像的輔助片，制作的過程與正射影像的過程類似，只是第一步用投影函數(shù)進(jìn)行投影而代替制作正射影像時(shí)的正射投影，具體制作步驟如下由XY平面上的方格網(wǎng)，按照變角度投影引入視差法取投影方向平行于XZ平面引入視差，按照變角度投影光線與DEM表面的交點(diǎn)的計(jì)算公式，將格網(wǎng)的四個(gè)角點(diǎn)投影到數(shù)字高程模型得到投影線與DEM的交點(diǎn)(X′iY′iZ′i)，以下的計(jì)算步驟同制作正射影像的ii到vi步。(4)將奇數(shù)片制作的數(shù)字正射影像按照地面坐標(biāo)將其鑲嵌成一個(gè)無縫區(qū)域，同時(shí)記錄每一張數(shù)字正射影像在鑲嵌后的數(shù)字正射影像的區(qū)域范圍。(5)點(diǎn)對點(diǎn)構(gòu)造可量測的無縫立體模型。
由于數(shù)字正射影像和正射影像的輔助片之間不存在垂直方向上的視差而只存在水平方向上的視差，根據(jù)立體視覺的構(gòu)造的基本原理，只要保證對同一個(gè)物體從不同的位置獲取的兩幅影像即可形成立體視覺。由于數(shù)字正射影像和相應(yīng)的正射影像輔助片分別來自攝影時(shí)的左片和右片，而且比例尺一致，滿足構(gòu)造立體視覺的基本條件，同時(shí)又不存在上下視差，因此，只要保證正射影像上的每個(gè)點(diǎn)和正射影像輔助片上的點(diǎn)逐點(diǎn)對應(yīng)，即可形成立體幾何模型。因?yàn)閿?shù)字正射影像是無縫的所以基于正射影像構(gòu)造出的立體幾何模型也是無縫的。具體算法如下i)取數(shù)字正射影像中的點(diǎn)，根據(jù)該點(diǎn)的地面計(jì)算該坐標(biāo)落在鑲嵌前的那張數(shù)字正射影像的區(qū)域范圍，找到其像片編號，繼而可以找到相應(yīng)的正射影像匹配片。ii)根據(jù)該點(diǎn)的地面坐標(biāo)在正射影像匹配片中找到相應(yīng)的同名點(diǎn)(即同一個(gè)物體在兩張像片上分別成像的點(diǎn))即構(gòu)成了立體模型中的一個(gè)點(diǎn)對。iii)這樣逐點(diǎn)處理之后，可以保證模型中的每個(gè)點(diǎn)都是由來自數(shù)字正射影像和數(shù)字正射影像匹配片的立體點(diǎn)對，進(jìn)而形成無縫立體模型。(6)立體模型的立體顯示(互補(bǔ)色法或頻閃法)和量測采用液晶眼鏡作為立體觀察設(shè)備(也可采用其它方式)，利用0pen GL的雙緩沖區(qū)立體顯示機(jī)制分別將每一個(gè)立體點(diǎn)對送致左右顯示緩沖區(qū)，通過液晶眼鏡即可觀察到三維立體模型。通過三維立體測標(biāo)測得每個(gè)點(diǎn)的視差后通過前面由視差計(jì)算高程的公式即可計(jì)算每一點(diǎn)的高程信息，同時(shí)，其平面位置可以由數(shù)字正射影像獲得。
權(quán)利要求
一種可量測無縫空間立體模型的生成方法，利用該投影函數(shù)生成可量測無縫空間立體模型的步驟(1)按照沿航帶的方向?qū)娇障衿M(jìn)行順序編號；(2)利用數(shù)字地面模型，用單號片1、3、5…片制作正射影像，具體制作步驟如下i)將XY平面上一定間隔的方格網(wǎng)，按照正射投影到網(wǎng)數(shù)字高程模型上獲得方格網(wǎng)的四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)(Xi，Yi，Zi)ii)由共線條件方程x-x0=-fa1(X-XS)+b1(Y-YS)+c1(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)]]>y-y0=-fa2(X-XS)+b2(Y-YS)+c2(Z-ZS)a3(X-XS)+b3(Y-YS)+c3(Z-ZS)]]>式中x，y，-f為像點(diǎn)像空間坐標(biāo)；f為航攝像片的焦距；x0，y0為像主點(diǎn)坐標(biāo)；X，Y，Z為地面點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；XS，YS，ZS為攝站點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；ai，bi，ci(i＝1，2，3)為像片的三個(gè)外方位元素組成九個(gè)方向余弦；將第一步投影后與數(shù)字地面模型相交的四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)按照共線條件方程變換到像片坐標(biāo)系得到相應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)(xi，yi)；iii)通過內(nèi)定向變換參數(shù)由像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算對應(yīng)的掃描坐標(biāo)IJ=m1m2n1n2x-x0y-y0-I0J0]]>式中m1，m2，n1，n2，I0，J0為內(nèi)定向參數(shù)；iv)對每一塊內(nèi)的像元按照雙線性多項(xiàng)式內(nèi)插對應(yīng)的掃描坐標(biāo)I＝a0+a1X+a2Y+a3XYJ＝b0+b1X+b2Y+b3XY式中I，J為掃描坐標(biāo)、X，Y為地面坐標(biāo)、ai，bi為雙線性變換系數(shù)v)灰度內(nèi)插各個(gè)面元的四個(gè)角點(diǎn)按照共線方程求出其像片坐標(biāo)，然后由內(nèi)定向參數(shù)將其轉(zhuǎn)化為掃描坐標(biāo)，對于每一塊內(nèi)部按照雙線性變換逐點(diǎn)計(jì)算其掃描坐標(biāo)，再采用灰度內(nèi)插方法內(nèi)插每個(gè)像元的灰度值；vi)灰度賦值將內(nèi)插后的每個(gè)灰度值逐個(gè)賦給糾正后的每個(gè)像元；將每個(gè)點(diǎn)都處理完之后即形成數(shù)字正射影像；(3)利用數(shù)字地面模型，用雙號片2、4、6…制作正射影像的輔助片，制作的過程與正射影像的過程類似，只是第一步用投影函數(shù)進(jìn)行投影而代替制作正射影像時(shí)的正射投影，具體制作步驟如下由XY平面上的方格網(wǎng)，按照變角度投影引入視差法取投影方向平行于XZ平面引入視差，按照變角度投影光線與數(shù)字地面模型表面的交點(diǎn)的計(jì)算公式，將格網(wǎng)的四個(gè)角點(diǎn)投影到數(shù)字高程模型得到投影線與數(shù)字地面模型的交點(diǎn)(X′iY′iZ′i)，以下的計(jì)算步驟同制作正射影像的ii到vi步；(4)將奇數(shù)片制作的數(shù)字正射影像按照地面坐標(biāo)將其鑲嵌成一個(gè)無縫區(qū)域，同時(shí)記錄每一張數(shù)字正射影像在鑲嵌后的數(shù)字正射影像的區(qū)域范圍；(5)點(diǎn)對點(diǎn)構(gòu)造可量測的無縫立體模型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可量測無縫空間立體模型的生成方法，利用該投影函數(shù)生成可量測無縫空間立體模型的步驟按照沿航帶的方向?qū)娇障衿M(jìn)行順序編號；利用數(shù)字地面模型，用單號片1、3、5...片制作正射影像；利用數(shù)字地面模型，用雙號片2、4、6...制作正射影像的輔助片，將奇數(shù)片制作的數(shù)字正射影像按照地面坐標(biāo)將其鑲嵌成一個(gè)無縫區(qū)域，同時(shí)記錄每一張數(shù)字正射影像在鑲嵌后的數(shù)字正射影像的區(qū)域范圍；點(diǎn)對點(diǎn)構(gòu)造可量測的無縫立體模型。使用本發(fā)明所構(gòu)造的立體模型突破了攝影測量中立體像對范圍的局限，不需攝影測量的專業(yè)知識即可方便構(gòu)建和使用，能夠真實(shí)的恢復(fù)和再現(xiàn)攝影時(shí)的三維地形景觀模型，可以進(jìn)行無縫的立體漫游和瀏覽，并且可以在模型上進(jìn)行三維量測和信息采集?？梢詾闇y繪、地質(zhì)、林業(yè)、電力、城市規(guī)劃、公路和鐵路設(shè)計(jì)等其它相關(guān)行業(yè)使用。
文檔編號G01C11/28GK1412524SQ0214775
公開日2003年4月23日 申請日期2002年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月28日
發(fā)明者王密, 李德仁, 龔健雅 申請人:武漢大學(xué)