摄影测量学7-2.

1、第七章第七章 数字摄影测量数字摄影测量主要内容 7-1 概述概述 7-2 影像数字化与影像重采样影像数字化与影像重采样7-3基于灰度的影像相关基于灰度的影像相关7-4 同名核线的确定与核线相关同名核线的确定与核线相关 7-5 基于特征的影像匹配基于特征的影像匹配 7-7 数字摄影测量系统数字摄影测量系统aa同名核线同名核线核面与左右像核面与左右像片面的交线片面的交线立体像对中特殊的点线面摄影基线摄影基线相邻两个摄站的连线相邻两个摄站的连线同名像点同名像点同名光线在左右同名光线在左右像片上的构像像片上的构像核面核面摄影基线与某一地摄影基线与某一地物点组成的平面物点组成的平面同名光线同名光线同一地

2、物点发同一地物点发出的两条光线出的两条光线7-4 同名核线的确定与核线相关同名核线的确定与核线相关 将沿将沿 方向搜索同名点的二维相关问方向搜索同名点的二维相关问题，变成沿同名核线的一维相关问题。大大减题，变成沿同名核线的一维相关问题。大大减少相关的计算工作量。少相关的计算工作量。 ,xy 在影像数字化过程，像元素按矩阵的形式规则排在影像数字化过程，像元素按矩阵的形式规则排列，但是扫描行不是核线的方向，要进行核显像管，列，但是扫描行不是核线的方向，要进行核显像管，必须先找到核线。同名核线的确定是关键所在。必须先找到核线。同名核线的确定是关键所在。一、共面方程法一、共面方程法根据核线的定义直接在

3、倾斜相片上提取同名核根据核线的定义直接在倾斜相片上提取同名核线。线。(,),aaa xy像点BS1abba ll核面核面S2(,),bbb xy像点a(,),b(,), aabbxyxya ab b要确定右片同名核线需确定，注意与并不一定是同名像点。,a,bla b均在左同名核线上，则根据可以确定同名核线 。7-4 同名核线的确定与核线相关同名核线的确定与核线相关b为过为过a点左核线点左核线l上的任一点，则满足三线共上的任一点，则满足三线共面条件面条件00B0aaaaabbbbbBYZFXYZYZXYZ123123123,a ba bXaaxYbbbyZccfacababYYZZ1231231

4、23123bbbbbbabbabbYb xb yb fZc xc yc fYb xb yb fZc xc yc f7-4 同名核线的确定与核线相关同名核线的确定与核线相关其中其中单独相对定向系统单独相对定向系统7-4 同名核线的确定与核线相关同名核线的确定与核线相关11332222aaaabbaaaabbY cZ bZ bY cyxfZ bY cZ bY cACyxfBByx核线方向：tank=然后根据，然后根据， 左像点左像点a和右片同名核线和右片同名核线l上任一像点上任一像点也位于同一核面上，因此：也位于同一核面上，因此：a(,),aaxy12BS a S a（）=000B0aaaaabb

5、aaaBYZFXYZYZXYZ7-4 同名核线的确定与核线相关同名核线的确定与核线相关11332222aaaaabaaaaY cZ bZ bY cyxfZ bY cZ bY caxay给定给定左像点左像点a和右片同名核线和右片同名核线l上任一像点上任一像点b也位于同一也位于同一核面上核面上,( )bbxy共面法思路共面法思路首先，根据在同一核线上的像点首先，根据在同一核线上的像点a ,b,确定确定左片核线左片核线其次，根据核线、其次，根据核线、 基线共面推导右片上一基线共面推导右片上一点点a的坐标核线方程的坐标核线方程再次。同理可以求得另一点再次。同理可以求得另一点b的坐标，的坐标，最后，根据

6、两点共线求得右片的核线方程。最后，根据两点共线求得右片的核线方程。7-4 同名核线的确定与核线相关同名核线的确定与核线相关实际像片实际像片水平像片水平像片P倾斜像片，倾斜像片，Pt水平像片水平像片摄影基线与某一构像光线构成的核面摄影基线与某一构像光线构成的核面ASSBttppatataa,ta aS三点共线三点共线111333222333tttttttta xb yc fxfa xb yc fa xb yc fyfa xb yc f 左片：左片：7-4 同名核线的确定与核线相关同名核线的确定与核线相关二、基于数字影像几何纠正的方法二、基于数字影像几何纠正的方法（x,y）：倾斜像片上像点坐标：倾

7、斜像片上像点坐标tt(x ,y )：水平像片上像点坐标：水平像片上像点坐标（1）水平像片上，核线的直线方程水平像片上，核线的直线方程tyc倾斜像片上的核线方程倾斜像片上的核线方程12312311ttttd xdxfd xe xeyfe x ASSBttppatataa7-4 同名核线的确定与核线相关同名核线的确定与核线相关（2）以等间隔取一系列的采样点以等间隔取一系列的采样点, (1) , (3) , (4) .txkkkk 将将xt带入（带入（2）,在倾斜像片上的核线上对应一系列在倾斜像片上的核线上对应一系列的点的点112233( ,), (,), (,).x yxyx y将倾斜像片上像点的

8、灰度值赋予水平像片上相应的将倾斜像片上像点的灰度值赋予水平像片上相应的像点。像点。011022(, )( ,)(1 , )(,)g kcg x yg kcg xy 获得了水平像片上核线影像。获得了水平像片上核线影像。7-4 同名核线的确定与核线相关同名核线的确定与核线相关右片：右片：同名核线在水平像片的直线方程：同名核线在水平像片的直线方程：ttyyc, ,taaS三点共线三点共线111333222333tttttttta xb yc fxfa xb yc fa xb yc fyfa xb yc f 7-4 同名核线的确定与核线相关同名核线的确定与核线相关ASSBttppatataa同理可得右

9、片像片的同名核线同理可得右片像片的同名核线三、沿核线重采样三、沿核线重采样 水平像片沿核线排列的规则格网，每个格网的灰度水平像片沿核线排列的规则格网，每个格网的灰度值是数字化像片上相应点的灰度值。值是数字化像片上相应点的灰度值。( ,)ttx y( , )x y7-4 同名核线的确定与核线相关同名核线的确定与核线相关1x1y1g2g3g4g 数字影像是规则排列的灰度格网序列，为了获数字影像是规则排列的灰度格网序列，为了获取核线的灰度序列，必须对原始影像灰度重采样。取核线的灰度序列，必须对原始影像灰度重采样。由其周围四个像元的灰度值由其周围四个像元的灰度值 经双向经双向性内插求得：性内插求得：1

10、234,gggg11111211311421gxygyx gx y gxy g 7-4 同名核线的确定与核线相关同名核线的确定与核线相关四、核线相关四、核线相关-一维相关一维相关目标区目标区搜索区搜索区mn1mn相关窗口的个数：相关窗口的个数：(0,1,.,)ggkggg gkmn7-4 同名核线的确定与核线相关同名核线的确定与核线相关由于一般情况下数字影像扫描行与核线并不由于一般情况下数字影像扫描行与核线并不重合，为了获得核线的灰度阵列，必须对原重合，为了获得核线的灰度阵列，必须对原始数字影像进行重采样。始数字影像进行重采样。若按照共线方程法确定同名核线，可直接在若按照共线方程法确定同名核线

11、，可直接在像片上获取核线影像，根据同名核线的几何像片上获取核线影像，根据同名核线的几何关系确定像片上的核线方向关系确定像片上的核线方向根据核线的一个起点坐标及方向，就能确定根据核线的一个起点坐标及方向，就能确定核线在像片上的位置，用线性内插等方法求核线在像片上的位置，用线性内插等方法求核线的像素灰度。核线的像素灰度。用数字影像几何纠正方法获取核线，也要进用数字影像几何纠正方法获取核线，也要进行灰度内插行灰度内插重采样。重采样。7-4 同名核线的确定与核线相关同名核线的确定与核线相关7-5 基于特征的影像匹配基于特征的影像匹配 相关系数法、协方差法、最小二乘法是基于灰相关系数法、协方差法、最小二

12、乘法是基于灰度的影像相关方法，都是直接以待定点为中心构建度的影像相关方法，都是直接以待定点为中心构建目标窗口，以窗口内像元的灰度值为依据进行同名目标窗口，以窗口内像元的灰度值为依据进行同名点的搜索。点的搜索。 在待定点位于低反差区内，即该窗口内信息贫在待定点位于低反差区内，即该窗口内信息贫乏，信噪比很小，或存在较大比例尺差异或扭曲的乏，信噪比很小，或存在较大比例尺差异或扭曲的区域，灰度相关将失败。区域，灰度相关将失败。基于特征的影像匹配（基于特征的影像匹配（feature based image matching) 步骤：步骤： 首先用某种特征提取算子提取影像中的特征首先用某种特征提取算子提取

13、影像中的特征 （点、线、面）；（点、线、面）； 然后对提取的特征进行参数描述；然后对提取的特征进行参数描述； 以特征参数为依据进行同名特征的搜索，继以特征参数为依据进行同名特征的搜索，继而获得同名点。而获得同名点。主要目的：用于配准一些特殊的点、线或面。主要目的：用于配准一些特殊的点、线或面。7-5 基于特征的影像匹配基于特征的影像匹配影像匹配实质是在两幅（或多幅）影像之间的同名点。影像匹配实质是在两幅（或多幅）影像之间的同名点。影像相关只是影像匹配方法的一种。影像相关只是影像匹配方法的一种。特征匹配特征匹配1.特征提取特征提取点特征点特征线特征线特征2.特征的参数描述特征的参数描述3.特征匹

14、配特征匹配三、基于特征的影像匹配三、基于特征的影像匹配-Feature Based Matching一、点特征提取算法一、点特征提取算法点特征：明显的点，如角点、圆点点特征：明显的点，如角点、圆点提取点特征的算子提取点特征的算子-兴趣算子或有利算子兴趣算子或有利算子1. Moravec 算子算子 通过逐像元量测与其邻元的灰度差，搜索相邻通过逐像元量测与其邻元的灰度差，搜索相邻像元之间具有高反差的点。像元之间具有高反差的点。-利用灰度方差提取点特征。利用灰度方差提取点特征。7-5 基于特征的影像匹配基于特征的影像匹配1 1）计算各像元的有利值）计算各像元的有利值IVIV，按四个方向计算相邻像元，

15、按四个方向计算相邻像元间灰度差平方和，取最小的为该像元的有利值间灰度差平方和，取最小的为该像元的有利值min1234min,IVV V V V11c+ ,r1,12c+ ,r+i1,111c,r+i,111c+ ,r-11,1()()()()kic irikkic ir iikkc r iikkic ir iikVggVggVggVgg rcnnK=int(n/2)2 2）给一定的阈值，确定待定的有利点。）给一定的阈值，确定待定的有利点。 像元的有利值大于给定的阈值，则该像元作为候像元的有利值大于给定的阈值，则该像元作为候选点。选点。3 3）抑制局部非最大。）抑制局部非最大。判断：判断： 在一

16、定大小的窗口内，将所选的候选点与其在一定大小的窗口内，将所选的候选点与其周围的候选点比较。若该像元的有利值不是窗口周围的候选点比较。若该像元的有利值不是窗口的最大值，则去掉该点；否则该像元为特征点。的最大值，则去掉该点；否则该像元为特征点。该方法是在四个主要方向上选择了最大该方法是在四个主要方向上选择了最大最小方差点为特征点。最小方差点为特征点。逐像元计算有利值逐像元计算有利值IVIV 阈值，确定待定的有利点阈值，确定待定的有利点抑制局部非最大，确定特征点抑制局部非最大，确定特征点计算步骤：计算步骤：2. Forstner 算子算子 通过计算各像元的通过计算各像元的Roberts梯度和协方差矩

17、梯度和协方差矩阵寻找尽可能小而圆的误差椭圆的点为特征点。阵寻找尽可能小而圆的误差椭圆的点为特征点。121,2uuvuvm nvgggQNggg 1）有利值的计算）有利值的计算2,11,2,1,1,11,1,1()()()()()ui jijjivi jijjiuvi jiji jijjigGGgGGgGGGG（1）计算有利值）计算有利值,qW4DetNqtrN行列式行列式矩阵的迹矩阵的迹222222()1()abqab ,ab是误差椭圆的长、短半轴是误差椭圆的长、短半轴,1m nDetNwtrQtrN2）确定待选的有利窗口。）确定待选的有利窗口。 有利值大于给定的阈值，则以该像元为中心的有利值

18、大于给定的阈值，则以该像元为中心的窗口为候选的最佳窗口。窗口为候选的最佳窗口。3）抑制局部非最大。）抑制局部非最大。4）在最佳窗口中确定加权中心作为最后所需的）在最佳窗口中确定加权中心作为最后所需的有利点。有利点。3. LY 算子算子IFTFTFFI 图像可分为信息含量丰富区、不含或少图像可分为信息含量丰富区、不含或少 含信息的区域。点特征和线特征必然存在于含信息的区域。点特征和线特征必然存在于信息含量丰富的区域。信息含量丰富的区域。特征的提取分成两步：特征的提取分成两步：1）用简单算子从）用简单算子从 提取提取 IF2）用）用Robert梯度和协方差矩阵梯度和协方差矩阵从从 提取提取 TFF

19、二、线特征提取算子二、线特征提取算子线特征线特征-边缘边缘边缘：表现为灰度变化的不连续边缘：表现为灰度变化的不连续 影像局部区域特征不相同的那些区域间的影像局部区域特征不相同的那些区域间的 分界线。分界线。线：线： 具有很小宽度的起中间区域具有相同的影具有很小宽度的起中间区域具有相同的影像特征的边缘对。距离很小的一对边缘构成一像特征的边缘对。距离很小的一对边缘构成一条线。条线。边缘检测边缘检测算子算子 提取边缘的途径：提取边缘的途径：1、对图像进行区域分割，由区域的边界构成、对图像进行区域分割，由区域的边界构成边缘；边缘；2、直接对图像进行边缘检测。、直接对图像进行边缘检测。二、线特征提取算子

20、二、线特征提取算子边缘的剖面灰度曲线边缘的剖面灰度曲线灰度值灰度值刀刀刃刃曲曲线线对于边缘检测要检测曲线上灰对于边缘检测要检测曲线上灰度变化最大的点，即一阶导数度变化最大的点，即一阶导数最大或二阶导数为最大或二阶导数为0的点。的点。x1. 直方图法直方图法灰度灰度频数频数0 x图像的直方图图像的直方图：指对应于每个灰度值求出图像中具有该：指对应于每个灰度值求出图像中具有该灰度值的的像元素数或频数（占总像素数的比率）的图灰度值的的像元素数或频数（占总像素数的比率）的图形；横轴为灰度值，纵轴为频数。形；横轴为灰度值，纵轴为频数。理想情况下为双刃曲线，谷底点的灰度值理想情况下为双刃曲线，谷底点的灰度

21、值 为分割点。为分割点。0 x以以 为阈值为阈值, 将窗口内的影像分为大于将窗口内的影像分为大于 和小于和小于 两个区域两个区域,区域的边界形成了区域的边界形成了边缘边缘.0 x0 x0 x不理想的不理想的直方图直方图2. 梯度算子梯度算子一个灰度函数一个灰度函数 在坐标在坐标 上的梯度：上的梯度：00(,)fxy00(,)xy00(,)fxG f xyfy22()()ffLxyarctanfyfx最大增加率最大增加率灰度函数灰度函数 最大增加率方向最大增加率方向00(,)f xy对于给定的阈值对于给定的阈值T ， ，像点，像点 边缘上的点。边缘上的点。LT00(,)xy3. 特征分割法特征分

22、割法一维影像由若干影像段（特征段）组成。一维影像由若干影像段（特征段）组成。1S2SZ特征段由三个特征点组成。一个灰度梯特征段由三个特征点组成。一个灰度梯度变化最大的点度变化最大的点 ，两个，两个“突出点突出点”（灰度很小）（灰度很小）12,SSZ利用特征提取算子，提取特征（依次提利用特征提取算子，提取特征（依次提取三个特征点），将一行影像分割为若取三个特征点），将一行影像分割为若干个影像段。干个影像段。1S2SZ影像分割：影像分割：将将影像分割成若影像分割成若干子区域，每干子区域，每个子区域都具个子区域都具有一定的均匀有一定的均匀性质对应于某性质对应于某一物体或物体一物体或物体的一部分。的一

23、部分。（沿核线逐象元搜索）（沿核线逐象元搜索）三、基于特征的影像匹配三、基于特征的影像匹配-Feature Based Matching灰度匹配灰度匹配-Area Based Image Matching: 以待定点为中心的窗口或（区域）内，以影像的灰以待定点为中心的窗口或（区域）内，以影像的灰度分布为影像匹配的基础。度分布为影像匹配的基础。 待匹配的点位于低反差区内，即该窗口内信息贫乏，待匹配的点位于低反差区内，即该窗口内信息贫乏，信噪比很小，匹配的成功率不高。信噪比很小，匹配的成功率不高。在大比例尺城市航空摄影测量中，处理的对象主要是人工在大比例尺城市航空摄影测量中，处理的对象主要是人工建

24、筑，由于影像的不连续、阴影与被遮蔽等原因，基于灰建筑，由于影像的不连续、阴影与被遮蔽等原因，基于灰度的匹配算法难以适应。影像匹配主要是用于配准那些特度的匹配算法难以适应。影像匹配主要是用于配准那些特征点、线、面。征点、线、面。跨接法影像匹配跨接法影像匹配处理影像几何变形的影响通常有两种方式：处理影像几何变形的影响通常有两种方式：（1）先不顾及几何变形做）先不顾及几何变形做“粗匹配粗匹配”，然后，然后用其结果作几何纠正再匹配用其结果作几何纠正再匹配（2）最小二乘影像匹配将影像匹配与几何纠）最小二乘影像匹配将影像匹配与几何纠正均作为参数同时解算。正均作为参数同时解算。跨接法先坐几何纠正，后做影像匹

25、配。跨接法先坐几何纠正，后做影像匹配。几何纠正与几何纠正与影像匹配影像匹配参数的近似值参数的近似值影像匹配影像匹配几何纠正几何纠正 由粗到细的影像匹配由粗到细的影像匹配最小二乘影像匹配最小二乘影像匹配核线影像由若干影像段（特征段）组成。核线影像由若干影像段（特征段）组成。1S2SZ利用特征提取算子，提取特征（依次提取三个特征点），将一利用特征提取算子，提取特征（依次提取三个特征点），将一行影像分割为若干个影像段。行影像分割为若干个影像段。“刀刃曲线刀刃曲线”1S2SZ1.1.特征提取特征提取跨接法影像匹配跨接法影像匹配2. 2. 匹配窗口的构成匹配窗口的构成传统的影像匹配中，以影像窗口中心为匹

26、配点。传统的影像匹配中，以影像窗口中心为匹配点。跨接法的匹配窗口将两个窗口连接起来构成一个匹配窗口。跨接法的匹配窗口将两个窗口连接起来构成一个匹配窗口。1S2SZbFeF其中一个特征可以是已经匹配的特征其中一个特征可以是已经匹配的特征 ，也可以是待匹配的，也可以是待匹配的特征特征 ；另一个是待匹配的特征。；另一个是待匹配的特征。 bF1SZbFeF2S这种窗口是随着影像的纹理结构而变化的。这种窗口是随着影像的纹理结构而变化的。跨接法匹配窗口的特点跨接法匹配窗口的特点1)1)待匹配的特征始终位于边缘，不是窗口的中心；待匹配的特征始终位于边缘，不是窗口的中心； 2) 2)窗口的大小不固定，由影像的

27、纹理特征决定。窗口的大小不固定，由影像的纹理特征决定。影像纹理越丰富，窗口越小，更合理。影像纹理越丰富，窗口越小，更合理。3)3)由于目标窗口与搜索窗口在核线上有三个特征由于目标窗口与搜索窗口在核线上有三个特征点对应，有利于在匹配之前进行变形改正，从而点对应，有利于在匹配之前进行变形改正，从而提高匹配的可靠性。提高匹配的可靠性。1sz2s1sz2s目标窗口目标窗口搜索窗口搜索窗口核线核线对于二维影像，跨接法的影像匹对于二维影像，跨接法的影像匹配窗口是边缘线为界限所形成的配窗口是边缘线为界限所形成的不规则窗口，在核线影像的情况不规则窗口，在核线影像的情况下是曲边梯形，两条边缘线即曲下是曲边梯形，

28、两条边缘线即曲边梯形的两个腰。边梯形的两个腰。3 3 跨接法匹配跨接法匹配1）传递方式的跨接法匹配）传递方式的跨接法匹配一个已经配准的特征与一个待匹配特征构成目标窗口；一个已经配准的特征与一个待匹配特征构成目标窗口；搜索窗口由另一个配准的特征与多个待匹配的特征构成搜索窗口由另一个配准的特征与多个待匹配的特征构成1S2SZbFeF1S2SZbF123451S2SZbFeF2S1SZbF12345确定待匹确定待匹配的特征配的特征构成目标窗口构成目标窗口 beFF确定确定 的备选特征的备选特征 1，3eF组成右影像的特征窗口组成右影像的特征窗口1;3bbFF右影像窗口重采样右影像窗口重采样-以目标窗

29、口为基准，使之于目标窗以目标窗口为基准，使之于目标窗口的大小一致，消除几何变形口的大小一致，消除几何变形相关匹配相关匹配-计算计算 与与 的相关系数，的相关系数，取最大相关系数为匹配窗口，进而确定匹配的特征取最大相关系数为匹配窗口，进而确定匹配的特征beFF1;3bbFF3 3 跨接法匹配跨接法匹配7-7 数字摄影测量系统数字摄影测量系统任务：任务： 基于数字影像或数字化影像完成摄影测量作业。基于数字影像或数字化影像完成摄影测量作业。 数字影像处理系统，利用计算机视觉代替人眼数字影像处理系统，利用计算机视觉代替人眼视觉，实现自动量测与识别的系统。视觉，实现自动量测与识别的系统。 目前，对影像物

30、理信息目前，对影像物理信息-光谱特性的自动提光谱特性的自动提取取-自动识别的研究还非常肤浅，现阶段是人工自动识别的研究还非常肤浅，现阶段是人工与计算机自动化并存。与计算机自动化并存。3、直到、直到1988年京都国际摄影测量与遥感协会第年京都国际摄影测量与遥感协会第17届大会上届大会上才展出了商用数字据影测量工作站才展出了商用数字据影测量工作站DsP1。尽管。尽管DSP1是作为商品推出的，但实际上并没有成功地进行销售。是作为商品推出的，但实际上并没有成功地进行销售。1、早在、早在20世纪世纪70年代，第一台解析测团仪年代，第一台解析测团仪APll问世不久，问世不久，美国也已研制了全数字化测图系统美国也已研制了全数字化测图系统DAMc。2、其后出现了多套数字摄影测量系统，但基本上都是属于、其后出现了多套数字摄影测量系统，但基本上都是属于体现数字摄影测量工作站体现数字摄影测量工作站(DPw)概念的试验系统。概念的试验系统。4、到、到1992年年8月第月第17届国际摄影测量与遥感大会上，已有多届国际摄影测量与遥感大会上，已有多套较为成熟