专利名称：采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法
技术领域：
本发明涉及一种三维重建方法，特别涉及一种采用方差分量估计的广义立体像对
三维重建方法。
背景技术：
随着遥感技术、传感器技术及计算机技术的飞速发展，人类在对地观察领域实现了前所未有的跨越式发展。越来越多的高分辨率遥感商用卫星、军用卫星、临近空间飞行器、航空飞机、无人侦察机等观测平台的出现，使得人们获取大范围高精度三维场景模型成为了可能。其中，利用遥感数据进行三维重建也成了遥感领域的研究热点。早期，人们利用严格传感器模型，通过精确获取成像传感器的内、外定向参数，通过相同成像系统获取的多角度立体像对的前方交汇，利用最小二乘技术实现感兴趣目标点的三维重建，进而，利用插值技术可以实现大范围场景DEM的快速生成；随着IK0N0S2、QuickBird等高分辨率卫星服务提供商为用户提供卫星图像的有理多项式模型(Rational Function Model, RFM),基于RFM的三维重建技术得到了广泛的研究。总的来说，基于RFM的三维重建技术的发展经历了三个阶段第一阶段，就是利用前方交汇的立体成像技术构造最小二乘估计模型，采用给定的RFM参数实现未知三维坐标的求解；第二阶段，人们开始意识到原始的RFM模型可能存在比较严重系统误差，为此，通过两种途径可以实现三维重建精度的提高。第一种方法是通过利用具有精确三维坐标的地面控制点(Ground Control Point, GCP),采用丛调整技术(Bundle-Adjustment)等实现对原始RFM模型的修正；第二种方法不需要修正RFM模型,但也是利用具有精确三维坐标的GCP，通过在图像域或者目标域计算坐标变换模型(修改原始RFM前方交汇方法中的输入或输出)，来实现目标点三维重建精度的改进。第三阶段，为了更好的利用广泛的遥感数据，人们已经不拘泥于相同成像系统下获取立体数据，而是根据需求，通过联合利用不同成像系统具有不同分辨率的遥感数据实现三维重建。但是当前所使用的方法还仅仅停留在对经典基于RFM前方交汇三维重建方法的小修小补上。然而，无论是基于严格传感器模型的三维重建方法还是基于RFM的三维重建方法，现有方法大多严格要求构成立体像对图像的成像传感器除成像俯仰角外具有严格相同的内外定向参数，以使立体像对针对交叠区域具有完全相同的尺度关系。这就造成了针对同一观测场景的不同成像条件下的遥感数据无法得到充分的利用，例如不同平台、不同角度、不同时相。因此，就需要研究相关理论，实现利用由不同成像系统获取的具有交叠区域的遥感图像构成的广义立体像对来完成三维重建任务。面对不同成像系统下由于大角度造成的同图像各像素分辨率差异及不同成像条件图像间分辨率差异往往很大的情况，经典的基于RFM前方交汇三维重建方法的数学模型将变成一种具有严重不平衡性的广义线性方程组。因此，迫切需要从根本上解决具有严重分不平衡性的广义立体像对三维重建问题
发明内容
本发明的目的是为了解决面对不同成像系统下由于大角度造成的同图像各像素分辨率差异及不同成像条件图像间分辨率差异很大时，现有的基于RFM的广义立体像对三维重建方法存在具有严重不平衡性的广义线性方程组的问题，本发明提供一种采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法。本发明的采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法，它包括如下步骤步骤一根据成像传感器的参数，得到待重建的目标点在广义立体像对各图像中对应点的像素级分辨率；步骤二 利用所述广义立体像对各图像的RFM通用传感器模型构造关于待重建的目标点三维重建的广义线性方程组；步骤三利用步骤一中得到的像素级分辨率对步骤二中构造的广义线性方程组进行权值矩阵初始化；步骤四利用加权最小二乘估计对待重建的目标点的三维坐标进行初始估计；步骤五根据当前的权值矩阵及待重建的目标点的三维坐标的初值，利用加权最小二乘估计得到当前迭代下待重建的目标点的三维坐标相对所述三维坐标初值的增量，并得到当前估计的误差量；步骤六判断所述当前估计的误差量是否满足精度要求，若满足，则输出当前待重建的目标点的三维坐标的估计值，完成三维重建，若不满足，则转入步骤七；步骤七根据所述当前估计的误差量，利用方差分量估计方法对当前的权值矩阵进行更新，再利用加权最小二乘估计对待重建的目标点的三维坐标的估计值进行更新，转入步骤五。本发明的优点在于，本发明通过详细分析广义立体像对各图像中目标点像素的实际分辨率并结合方差分量估计解决了基于RFM的广义立体像对三维重建数学模型严重不平衡的问题，有效改善了经典的基于RFM的三维重建算法实现广义立体像对三维重建的精度。使得可以综合利用具有不同成像条件的广义立体像对实现对感兴趣目标点的三维重建任务，提高了现有数据的利用效率。
图1为本发明所述的采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法的流程示意图。图2为本发明具体实施方式
二所述的采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法的像素级分辨率的分析示意图，其中A表示成像传感器。图3为本发明具体实施方式
三所述的采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法的像素级分辨率的分析示意图，其中A表示成像传感器。图4为QuickBird卫星获取的多时相高分辨率卫星图像采用本发明所述的采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法的控制点的示意图。图5为WorldVieW2卫星获取的多时相高分辨率卫星图像采用本发明所述的采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法的控制点的示意图。
具体实施方式
具体实施方式
一结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法，它包括如下步骤步骤一根据成像传感器的参数，得到待重建的目标点在广义立体像对各图像中对应点的像素级分辨率；步骤二 利用所述广义立体像对各图像的RFM通用传感器模型构造关于待重建的目标点三维重建的广义线性方程组；步骤三利用步骤一中得到的像素级分辨率对步骤二中构造的广义线性方程组进行权值矩阵初始化； 步骤四利用加权最小二乘估计对待重建的目标点的三维坐标进行初始估计；步骤五根据当前的权值矩阵及待重建的目标点的三维坐标的初值，利用加权最小二乘估计得到当前迭代下待重建的目标点的三维坐标相对所述三维坐标初值的增量，并得到当前估计的误差量；步骤六判断所述当前估计的误差量是否满足精度要求，若满足，则输出当前待重建的目标点的三维坐标的估计值，完成三维重建，若不满足，则转入步骤七；步骤七根据所述当前估计的误差量，利用方差分量估计方法对当前的权值矩阵进行更新，再利用加权最小二乘估计对待重建的目标点的三维坐标的估计值进行更新，转入步骤五。步骤三中的初始化后的权值矩阵为进行加权最小二乘估计求解过程中所需权值矩阵；主要目的在于根据立体像对图像间的分辨率关系来消除由于图像分辨率不同引起的不平衡问题，并为后面迭代估计最优方差分量提供较好初始值具体实施方式
二本实施方式是对具体实施方式
一所述的采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法的进一步限定，步骤一中根据成像传感器的参数，得到待重建的目标点在广义立体像对各图像中对应点的像素级分辨率的方法为根据成像传感器的高度H、瞬时视场角Θ、俯仰角β和图像大小Ν*Ν，获得该传感
器获得的图像中的第k个像素的分辨率为
权利要求
1.采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法，其特征在于，它包括如下步骤步骤一根据成像传感器的参数，得到待重建的目标点在广义立体像对各图像中对应点的像素级分辨率； 步骤二 利用所述广义立体像对各图像的RFM通用传感器模型构造关于待重建的目标点三维重建的广义线性方程组； 步骤三利用步骤一中得到的像素级分辨率对步骤二中构造的广义线性方程组进行权值矩阵初始化； 步骤四利用加权最小二乘估计对待重建的目标点的三维坐标进行初始估计； 步骤五根据当前的权值矩阵及待重建的目标点的三维坐标的初值，利用加权最小二乘估计得到当前迭代下待重建的目标点的三维坐标相对所述三维坐标初值的增量，并得到当前估计的误差量； 步骤六判断所述当前估计的误差量是否满足精度要求，若满足，则输出当前待重建的目标点的三维坐标的估计值，完成三维重建，若不满足，则转入步骤七； 步骤七根据所述当前估计的误差量，利用方差分量估计方法对当前的权值矩阵进行更新，再利用加权最小二乘估计对待重建的目标点的三维坐标的估计值进行更新，转入步骤五。
2.根据权利要求1所述的采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法，其特征在于，步骤一中根据成像传感器的参数，得到待重建的目标点在广义立体像对各图像中对应点的像素级分辨率的方法为 根据成像传感器的高度H、瞬时视场角0、俯仰角P和图像大小N*N，获得该传感器获得的图像中的第k个像素的分辨率为
3.根据权利要求1所述的采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法，其特征在于，步骤一中根据成像传感器的参数，得到待重建的目标点在广义立体像对各图像中对应点的像素级分辨率的方法为根据已知的成像传感器的正视图像的平均分辨率Re Sn和俯仰角0，获得待重建的目标点在广义立体像对各图像中对应点的像素级分辨率为
4.根据权利要求1所述的采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法，其特征在于，步骤二中所述待重建的目标点三维重建的广义线性方程组为
5.根据权利要求1所述的采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法，其特征在于，步骤三中初始化的权值矩阵为
6.根据权利要求1所述的采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法，其特征在于，步骤七中根据所述当前的误差量，利用方差分量估计方法对当前的权值矩阵进行更新的方法为 步骤七一根据当前估计的误差量Vlt = AXs= vA2 v；计算中间变量
全文摘要
采用方差分量估计的广义立体像对三维重建方法，涉及一种三维重建方法，为了解决面对不同成像系统下由于大角度造成的同图像各像素分辨率差异及不同成像条件图像间分辨率差异很大时，现有的基于RFM的广义立体像对三维重建方法存在具有严重不平衡性的广义线性方程组的问题。所述方法为通过利用广义立体像对中相应的待重建目标点的像素级分辨率关系实现将方差分量估计方法嵌入到经典的基于有理多项式模型RFM前方交汇的三维重建方法中，实现迭代求解未知三维坐标过程中的权值矩阵自适应调整，从而有效提高三维重建精度，提高广义立体像对进行三维重建的可行性，它用于广义立体像对的三维重建。
文档编号G06T17/00GK103021021SQ20121045798
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月15日 优先权日2012年11月15日
发明者谷延锋, 曹志民, 张晔 申请人:哈尔滨工业大学