专利名称：一种基于极坐标参数化的航空摄影测量光束法平差的方法
技术领域：
本发明涉及一种航空摄影测量中空中三角测量的方法，特别是关于一种基于极坐标参数化的航空摄影测量光束法平差的方法。
背景技术：
光束法区域网平差是摄影测量所遵循的原理准则，是大地测量和数字化产品生产的前提。空中三角测量在现实生活的许多方面都有着广泛应用，主要用途1、为立体测绘地形图、制作影像平面图和正射影像图提供高精度定向控制点和内外方位元素；2、取代大地测量方法，进行三、四等或等外三角测量的点位测量；3、用于在地籍摄影测量，以测定大范 围内界址点的国家统一坐标；4、计算大范围区域的海量地面坐标，用于生产数字高程模型(DEM)和正射影像图等数字地图产品。但是，目前经典摄影测量中光束法区域网平差模型存在着平差结果对初始值选取高度依赖即初始值设置严格、收敛速度慢和收敛性差的瓶颈问题。现有方法是以直角坐标系的XYZ参数化表示的共线方程为平差基础方程，这种表达方式在一定意义上造成了上述问题的存在，光束法区域网平差模型需对非线性共线方程进行线性化，将高维非线性问题转化成线性问题，最后使用Gauss-Newton和Levenberg-Marquardt方法进行全局平差。非线性问题线性化过程需提供一个初始值，初始值的准确性直接影响着平差结果的收敛性和收敛速度，在求解上述基于直角坐标系下的共线方程时对初始值的设置非常严格，不合理的初始值不仅导致收敛速度慢，甚至在平差结果中造成不收敛甚至收敛不到全局最优。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种在松限制条件选取初始值的前提下，光束法区域网平差模型的平差结果快速、高效收敛的基于极坐标参数化的航空摄影测量光束法平差的方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种基于极坐标参数化的航空摄影测量光束法平差的方法，包括以下步骤1)通过航空拍摄测量区域得到一系列图像，提取并匹配测量区域所有图像的特征点；2)基于极坐标参数化表达特征点；3)建立基于极坐标参数化的光束法平差的观测方程；4)基于极坐标参数化的观测方程进行区域网平差。所述步骤I)提取并匹配测量区域所有图像的特征点，包括以下步骤①对图像进行自动色调调整，增加图像对比度；②估算每相邻两幅图像的重叠区域在步骤②估算的重叠区域的基础上，对每相邻两幅图像的重叠区域分别进行分块，并对分块后的图像分别进行SIFT特征点提取和匹配，且将分块匹配后的特征点统一转到图像坐标系的原点，使坐标系统一化；④采用多层随机抽样一致性算法去除步骤③中匹配的特征点集中的粗差点；⑤采用Hash表数据结构构建所有特征点的空间关系，得到同名像点。所述步骤2)基于极坐标参数化表达特征点，包括以下步骤①确定每个特征点的主相机点tm和副相机点ta;②确定主相机所拍摄的特征点在此图像上的观测向量t D结合副相机点1确定极坐标形式下的深度信息P J ;④结合主相机点和副相机点，空间三维特征点h采用方位角％、高程角Θ J和极坐标形式下的深度信息P J表达为
Pj=Wj ^ PjJ
-1 O所述步骤3)建立基于极坐标参数化的光束法平差的观测方程，包括以下步骤①计算特征点Fj到主相机点方向的向量表达Ujm ;②计算特征点Fj到任意其它相机Pi中心的向量表达％ 根据小孔成像原理，建立基于极坐标参数化的平差观测方程。所述步骤4)基于极坐标参数化的观测方程进行区域网平差，包括以下步骤①计算松限制条件下的特征点和相机姿态的初始值；②利用极坐标参数法的光束法区域网平差 进行整体平差，获取相机位姿和特征点在局部坐标系下的状态向量；③绝对定向，选用少量控制点把平差后得到的局部坐标系转换到全局坐标系；④精度评定，使用重投影误差和实际精度评价最小二乘平差精度和可靠性。所述步骤①计算松限制条件下的特征点和相机姿态的初始值，包括以下步骤；a)相邻两幅图像相对定向，构建两幅图像的单模型山)将单模型连接成航带模型；c)根据构成的航带模型，利用小孔成像模型求解相机姿态的初始值，并利用相机姿态的初始值通过基于极坐标参数化的观测方程求解特征点的初始值。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明基于极坐标参数化表达特征点，建立基于极坐标参数化的光束法平差的观测方程，并基于极坐标参数化的观测方程进行区域网平差，与现有技术相比，本发明改变传统采用直角坐标XYZ参数化形式表示三维特征点和以XYZ参数法表示的共线方程为平差基础方程，采用更接近相机测量空间的极坐标中主相机点、观测向量和极坐标量来表达，因此可以在松限制条件下完成对初始值的确定，避免了平差结果对初始值选取高度依赖的问题发生，使得光束法区域网平差模型的平差结果快速、高效收敛。2、本发明在提取并匹配测量区域所有图像的特征点时采用SIFT方法，可以获得数量庞大和匹配精度较高的特征点，且采用Hash表的数据结构构建特征点的空间关系，加快同名像点连接，实现快速高效转点。3、本发明在松限制条件下完成对特征点和相机姿态初始值选取，通过精度评价可以发现即使是采用较差的初始值，通过Gauss-Newton方法也可以获得很高的精度结果。本发明可以广泛应用于航空摄影测量光束法平差中。
图I是本发明的极坐标参数法示意图；图2是现有的经典摄影测量中尺度满足实际要求的相机初始值状态，其中，相邻相机之间的距离是不相同的，箭头方向为飞行方向；图3是本发明的极坐标参数化摄影测量中尺度相同的松限制条件下相机初始值状态，相邻相机之间的距离是相同的，箭头方向为飞行方向。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明的基于极坐标参数化的航空摄影测量光束法平差的方法，包括以下步骤I、采用固定在航空飞机底部的若干相机拍摄待测测量区域内的一系列图像。2、提取并匹配测量区域内所有图像的特征点，包括以下步骤I)为了增加图像之间匹配点的数目，进一步提高匹配点的准确性及稳定性，根据实际需要对所有图像进行自动色调调整，增加图像的对比度。2)估算每相邻两幅图像的重叠区域。由于航空飞机的飞行速度和方向无法保证严格一致，两相邻图像的重叠区域在位置和面积上互不相同，因此需要估算重叠区域，具体过程为首先将大尺度图像降采样为小 尺度图像，然后在每相邻两幅小尺度图像上使用SIFT方法进行特征点提取与匹配，得到少量高精度匹配点，最后根据仿射变换原理，利用高精度匹配点进行重叠区域的估算。3)为了降低图像处理时内存的负担，所以在步骤2)估算重叠区域的基础上，对每相邻两幅图像的重叠区域分别进行分块，并对分块后的图像分别进行SIFT特征点提取和匹配，且将分块匹配后的特征点统一转到图像坐标系的原点，实现坐标系统一化，为了避免分块图像特征点匹配后的缝隙问题，可以根据需要扩大待匹配图像区域面积。4)采用多层随机抽样一致性算法(RANSAC)去除步骤3)中匹配的特征点集中的粗差点。5)为了能够快速进行所有图像之间特征点的匹配，采用Hash表数据结构构建所有特征点的空间关系，得到同名像点。经过上述步骤本发明的实施例对某一待测的测量区域内的所有图像进行特征点提取和匹配后，其中，航向内两幅图像平均获到50000对特征点，旁向内两幅图像平均获得10000对特征点。另外，对测量区域中90张图像总共提取匹配出未连接点对(单对特征点)大约1500万，实现单对特征点的连接需要在海量数据点集中进行搜索和比较像点坐标，这个过程是非常困难的。本发明根据图像编号和特征点坐标值构建搜索关键字，采用Hash数据结构建立便于搜索的数据结构，例如对于90张图像的1500万未连接点对，用时约2小时连接得到4640512同名像点。3、基于极坐标参数化表达特征点，包括以下步骤I)确定每个特征点的主相机点tm和副相机点ta。当空间三维特征点Fj被观测到二次或二次以上时，任意选择记录有此特征点的其中一个相机中心作为该特征点的主相机点，用tm表示，另外选取一个相机为副相机点ta。2)确定主相机所拍摄的特征点在该图像上的观测向量< ；3)结合副相机点ta确定极坐标形式下的深度信息P j ；4)结合主相机点和副相机点，空间三维特征点匕采用方位角^高程角0」和极坐标形式下的深度信息P j表达为(如图I所示)
0J PjJ \与观测到一次的特征点相比，增加的参数为极坐标形式下的深度信息P j是结合观测向量和向量；的特征点的深度信息。其中，\和巧分别为从主相机点tm到特征点Fj,副相机点ta到特征点Fj的观测向量。
4、建立基于极坐标参数化的光束法平差的观测方程。I)计算特征点Fj到主相机点方向的向量表达4 ；2)计算特征点匕到任意其它相机Pi中心的向量表达>’.『；3)根据小孔成像原理，建立基于极坐标参数化的平差观测方程；对于光束法平差算法，将每一个特征点在每一张图像上的像点坐标的信息表达为相机位姿和特征点参数的函数，这个函数为观测方程。所有相机中观测到特征点I的每一像点坐标可以表达为
权利要求
1.一种基于极坐标参数化的航空摄影测量光束法平差的方法，包括以下步骤 1)通过航空拍摄测量区域得到一系列图像，提取并匹配测量区域所有图像的特征点； 2)基于极坐标参数化表达特征点； 3)建立基于极坐标参数化的光束法平差的观测方程； 4)基于极坐标参数化的观测方程进行区域网平差。
2.如权利要求I所述的一种基于极坐标参数化的航空摄影测量光束法平差的方法，其特征在于所述步骤I)提取并匹配测量区域所有图像的特征点，包括以下步骤 ①对图像进行自动色调调整，增加图像对比度； ②估算每相邻两幅图像的重叠区域； ③在步骤②估算的重叠区域的基础上，对每相邻两幅图像的重叠区域分别进行分块，并对分块后的图像分别进行SIFT特征点提取和匹配，且将分块匹配后的特征点统一转到图像坐标系的原点，使坐标系统一化； ④采用多层随机抽样一致性算法去除步骤③中匹配的特征点集中的粗差点； ⑤采用Hash表数据结构构建所有特征点的空间关系，得到同名像点。
3.如权利要求I所述的一种基于极坐标参数化的航空摄影测量光束法平差的方法，其特征在于所述步骤2)基于极坐标参数化表达特征点，包括以下步骤 ①确定每个特征点的主相机点tm和副相机点ta； ②确定主相机所拍摄的特征点在此图像上的观测向量<; ③结合副相机点1确定极坐标形式下的深度信息Pj ； ④结合主相机点和副相机点，空间三维特征点Fj采用方位角％、高程角0」和极坐标形式下的深度信息P j表达为
4.如权利要求2所述的一种基于极坐标参数化的航空摄影测量光束法平差的方法，其特征在于所述步骤2)基于极坐标参数化表达特征点，包括以下步骤 ①确定每个特征点的主相机点tm和副相机点ta； ②确定主相机所拍摄的特征点在此图像上的观测向量<; ③结合副相机点1确定极坐标形式下的深度信息Pj ； ④结合主相机点和副相机点，空间三维特征点Fj采用方位角P高程角0」和极坐标形式下的深度信息P j表达为
5.如权利要求I或2或3或4所述的一种基于极坐标参数化的航空摄影测量光束法平差的方法，其特征在于所述步骤3)建立基于极坐标参数化的光束法平差的观测方程，包括以下步骤 ①计算特征点Fj到主相机点方向的向量表达Ujm； ②计算特征点匕到任意其它相WPi中心的向量表达Ib； ③根据小孔成像原理，建立基于极坐标参数化的平差观测方程。
6.如权利要求I或2或3或4所述的一种基于极坐标参数化的航空摄影测量光束法平差的方法，其特征在于所述步骤4)基于极坐标参数化的观测方程进行区域网平差，包括以下步骤 ①计算松限制条件下的特征点和相机姿态的初始值； ②利用极坐标参数法的光束法区域网平差进行整体平差，获取相机位姿和特征点在局部坐标系下的状态向量； ③绝对定向，选用少量控制点把平差后得到的局部坐标系转换到全局坐标系； ④精度评定，使用重投影误差和实际精度评价最小二乘平差精度和可靠性。
7.如权利要求5所述的一种基于极坐标参数化的航空摄影测量光束法平差的方法，其特征在于所述步骤4)基于极坐标参数化的观测方程进行区域网平差，包括以下步骤 ①计算松限制条件下的特征点和相机姿态的初始值； ②利用极坐标参数法的光束法区域网平差进行整体平差，获取相机位姿和特征点在局部坐标系下的状态向量； ③绝对定向，选用少量控制点把平差后得到的局部坐标系转换到全局坐标系； ④精度评定，使用重投影误差和实际精度评价最小二乘平差精度和可靠性。
8.如权利要求6所述的一种基于极坐标参数化的航空摄影测量光束法平差的方法，其特征在于所述步骤①计算松限制条件下的特征点和相机姿态的初始值，包括以下步骤； a)相邻两幅图像相对定向，构建两幅图像的单模型； b)将单模型连接成航带模型； c)根据构成的航带模型，利用小孔成像模型求解相机姿态的初始值，并利用相机姿态的初始值通过基于极坐标参数化的观测方程求解特征点的初始值。
9.如权利要求7所述的一种基于极坐标参数化的航空摄影测量光束法平差的方法，其特征在于所述步骤①计算松限制条件下的特征点和相机姿态的初始值，包括以下步骤； a)相邻两幅图像相对定向，构建两幅图像的单模型； b)将单模型连接成航带模型； c)根据构成的航带模型，利用小孔成像模型求解相机姿态的初始值，并利用相机姿态的初始值通过基于极坐标参数化的观测方程求解特征点的初始值。
全文摘要
本发明涉及一种基于极坐标参数化的航空摄影测量光束法平差的方法，包括以下步骤1)通过航空拍摄测量区域得到一系列图像，提取并匹配测量区域所有图像的特征点；2)基于极坐标参数化表达特征点；3)建立基于极坐标参数化的光束法平差的观测方程；4)基于极坐标参数化的观测方程进行区域网平差。本发明改变传统采用直角坐标XYZ参数化的形式表示三维特征点，采用更接近相机测量空间的极坐标中主相机点、观测向量和极坐标量来表达，可以广泛应用于航空摄影测量中的空中三角测量中。
文档编号G01C11/04GK102778224SQ201210280068
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月8日 优先权日2012年8月8日
发明者刘岳峰, 孙华波, 孙岩标, 徐遵义, 晏磊, 景欣, 王涛, 罗博仁, 赵亮, 赵红颖 申请人:北京大学