數(shù)字工業(yè)攝影測(cè)量中的物方空間匹配算法

數(shù)字工業(yè)攝影測(cè)量中的物方空間匹配算法

1核線接枝點(diǎn)匹配為了提高測(cè)量精度和精度，主要采用手動(dòng)測(cè)量點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，手動(dòng)標(biāo)量點(diǎn)的自動(dòng)匹配是實(shí)現(xiàn)數(shù)字工業(yè)攝影測(cè)量自動(dòng)化的主要技術(shù)之一。目前，這項(xiàng)研究主要是基于核線限制的匹配方法。核線匹配的理論基礎(chǔ)是同名像點(diǎn)一定在相應(yīng)核線上,即基于像平面進(jìn)行匹配?？墒?由于成像過(guò)程是由3維空間向2維平面的投影,其存在(深度)信息的丟失的問(wèn)題,因此,如果單純基于像方進(jìn)行匹配,其難度必然增大。如圖1所示,設(shè)與同名像點(diǎn)p1、p2對(duì)應(yīng)的物方點(diǎn)為P,像點(diǎn)p1的投影線與像點(diǎn)p2的投影線相交于點(diǎn)P,則像點(diǎn)p1、p～1p～1在像片I2上的核線l2、l3為同一直線,其投影線的深度信息無(wú)法體現(xiàn)。為充分利用物方的空間信息,以彌補(bǔ)核線約束不足,本文提出了一種基于空間前方交會(huì)的匹配方法,用于改進(jìn)匹配性能。2比較原理2.1同像點(diǎn)投影線核線原理是基于像平面的(像方空間),若從物方空間考慮,核線原理可表述為:若兩個(gè)像點(diǎn)是同名像點(diǎn),則其投影線必在物方空間交于一點(diǎn)(圖2(a))。由于相機(jī)參數(shù)、攝站參數(shù)、像點(diǎn)坐標(biāo)量測(cè)值都存在一定誤差,故同名像點(diǎn)投影線不會(huì)嚴(yán)格相交,而是存在一個(gè)微小距離d(圖2(b))。本文依據(jù)這一原理,提出了一種基于空間前方交會(huì)的人工標(biāo)志點(diǎn)匹配方法,并取得了較好的匹配效果。2.2初始匹配像點(diǎn)基于前方交會(huì)的匹配是一個(gè)由粗到精的篩選過(guò)程。該過(guò)程為:首先通過(guò)投影線間距離判斷確定一組初始匹配像點(diǎn);然后,利用初始匹配像點(diǎn)通過(guò)逐一與目標(biāo)像點(diǎn)進(jìn)行雙片空間前方交會(huì)來(lái)確定一組潛在的物方點(diǎn),并將其按距離分組;接著,對(duì)每一個(gè)潛在的物方點(diǎn)剔除不滿足條件的像點(diǎn);最后,通過(guò)判斷與各物方點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)數(shù)來(lái)確定同名像點(diǎn)。為便于表述,本文將各閾值做如下標(biāo)記:將異面直線間的最短距離閾值記為ε1,將初始匹配物方點(diǎn)間的距離閾值記為ε2,像點(diǎn)殘差閾值記為ε3,合并同名物方點(diǎn)的距離閾值記為ε4,最小同名點(diǎn)數(shù)閾值為N,則匹配過(guò)程如下:(1)給定ε1、ε2、ε3、ε4和N。對(duì)目標(biāo)像點(diǎn)p0,逐一計(jì)算其他像片上所有像點(diǎn)投影線與p0投影線間的最短距離d1,若d1<ε1,則將該像點(diǎn)記為初始匹配像點(diǎn),這樣便可得到一組初始匹配像點(diǎn)集G(p)。如圖3所示,共找到10個(gè)初始匹配像點(diǎn)pi(i=1,2,…,10)。(2)對(duì)G(p)中每一像點(diǎn),通過(guò)逐一與目標(biāo)像點(diǎn)p0進(jìn)行雙片空間前方交會(huì)來(lái)得到一組物方點(diǎn)集合G(P)。如圖4所示,共得到10個(gè)物方點(diǎn)Pi(i=1,2,…,10)。(3)對(duì)G(P)中的物方點(diǎn)兩兩之間的距離d2進(jìn)行計(jì)算,若d2<ε2,則將此兩物方點(diǎn)合并為同一物方點(diǎn),并將相應(yīng)像點(diǎn)記為該物方點(diǎn)的同名像點(diǎn)。合并后,將該組物方點(diǎn)記為G(Q)。如圖5所示,將物方點(diǎn)P2、P5、P6、P7合并為Q1,將P3、P8、P9、P10合并為Q2。(4)對(duì)于集合G(Q)中的每一物方點(diǎn),首先剔除屬于同一像片的像點(diǎn);然后統(tǒng)計(jì)每一物方點(diǎn)的同名像點(diǎn)數(shù)n,若n<N,則將該物方點(diǎn)刪除,并將剩余的物方點(diǎn)集合記為G～(Q)G～(Q)。如圖6所示,與物方點(diǎn)Q2對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)p8、p9同屬一張像片,應(yīng)將其剔除(圖6(a))。若最小同名點(diǎn)數(shù)閾值N設(shè)為3,則物方點(diǎn)P1、P4應(yīng)剔除(同名點(diǎn)數(shù)均為2,見(jiàn)圖6(b))。(5)對(duì)于G～(Q)G～(Q)中的每一物方點(diǎn),先通過(guò)多片前方交會(huì)計(jì)算物方點(diǎn)坐標(biāo);然后反求物方點(diǎn)在成像像片上的像點(diǎn)坐標(biāo),同時(shí)計(jì)算像點(diǎn)殘差d3,若d3>ε3,則將該像點(diǎn)剔除;最后統(tǒng)計(jì)每一物方點(diǎn)的同名像點(diǎn)數(shù)n,若n<N,則將該物方點(diǎn)刪除,并將剩余的物方點(diǎn)集合記為G?(Q)G^(Q)(如圖7所示)。(6)若集合G?(Q)G^(Q)中只有一個(gè)物方點(diǎn),則其對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)即為一組同名像點(diǎn)。若集合G?(Q)G^(Q)中有多個(gè)物方點(diǎn),則選取對(duì)應(yīng)像點(diǎn)最多的物方點(diǎn)。若像點(diǎn)最多的物方點(diǎn)不唯一,則該目標(biāo)像點(diǎn)p0匹配失敗;否則,與該物方點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)即為一組同名像點(diǎn)。如圖7所示,若與物方點(diǎn)Q1對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)數(shù)為4,與物方點(diǎn)Q2對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)數(shù)為3,則與物方點(diǎn)Q1對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)p5、p6、p7與目標(biāo)像點(diǎn)p0即為一組同名像點(diǎn),Q1為對(duì)應(yīng)的物方點(diǎn)(圖7(a));若物方點(diǎn)Q1、Q2的對(duì)應(yīng)像點(diǎn)數(shù)均為3,則目標(biāo)像點(diǎn)p0匹配失敗(圖7(b))。2.3多名像點(diǎn)的匹配上述匹配方案是針對(duì)一個(gè)目標(biāo)像點(diǎn)進(jìn)行的。在實(shí)際匹配過(guò)程中,為保證匹配速度和準(zhǔn)確性,還應(yīng)注意以下問(wèn)題:(1)在實(shí)際測(cè)量中,由于人工標(biāo)志點(diǎn)和像片數(shù)量都非常大,而且非同名像點(diǎn)投影線常相互交錯(cuò),此時(shí)若初始參數(shù)(主要是攝站參數(shù))值不準(zhǔn)確,將直接導(dǎo)致誤匹配增加,甚至無(wú)法匹配,因此在匹配過(guò)程中,一方面應(yīng)先利用少數(shù)已匹配的點(diǎn)進(jìn)行光束法平差,以提高攝站的參數(shù)精度;另一方面,應(yīng)優(yōu)先匹配同名像點(diǎn)數(shù)多的目標(biāo)像點(diǎn),即將最小同名點(diǎn)數(shù)閾值N設(shè)為一個(gè)較大值。(2)由于物方點(diǎn)距離閾值ε1不能太大,否則初始匹配時(shí),將因出現(xiàn)大量非同名像點(diǎn)而造成干擾,因此同一物方點(diǎn)的相應(yīng)像點(diǎn)就可能因閾值太大而被匹配為多組同名像點(diǎn)。如圖8所示,在對(duì)目標(biāo)像點(diǎn)p0進(jìn)行匹配時(shí),點(diǎn)Q1、Q2實(shí)際是同一物方點(diǎn),但在合并物方點(diǎn)時(shí),由于其距離大于閾值,無(wú)法合并為同一點(diǎn),從而只匹配到物方點(diǎn)P1、P2、P3、P4;而在后續(xù)的匹配中,點(diǎn)P5、P6、P7則被匹配為另一組同名像點(diǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題,應(yīng)在所有目標(biāo)像點(diǎn)匹配完成后,先利用匹配出的所有物方點(diǎn)進(jìn)行一次光束法平差,再對(duì)物方點(diǎn)兩兩的距離d4進(jìn)行計(jì)算,并與閾值ε4進(jìn)行比較,若d4<ε4,則將其合并為同一點(diǎn)。(3)在匹配過(guò)程中,雖然經(jīng)過(guò)一次光束法平差后,攝站參數(shù)精度有所提高,但畢竟參與平差的點(diǎn)數(shù)較少,其精度仍然有限,由于這將使得物方點(diǎn)坐標(biāo)誤差較大,從而導(dǎo)致在進(jìn)行像點(diǎn)殘差閾值判斷時(shí),部分同名像點(diǎn)會(huì)因殘差較大而被剔除。針對(duì)這一問(wèn)題,應(yīng)在利用所有物方點(diǎn)進(jìn)行光束法平差后再反求物方點(diǎn)在像片上的坐標(biāo),以尋找遺漏的像點(diǎn)。綜上所述,完整的匹配過(guò)程如下:(1)設(shè)定閾值ε1、ε2、ε3、ε4和N(若像片數(shù)大于3,則令N=4;否則,令N=3),并按2.2節(jié)步驟匹配出少量點(diǎn),例如,每張像片上匹配出10個(gè)像點(diǎn);(2)利用匹配出的像點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的物方點(diǎn)進(jìn)行光束法平差,以提高攝站的參數(shù)精度;(3)將已匹配的像點(diǎn)放回原像片,作為待匹配像點(diǎn),重新對(duì)所有像點(diǎn)進(jìn)行匹配;(4)再次利用匹配出的像點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的物方點(diǎn)進(jìn)行光束法平差;(5)對(duì)每一物方點(diǎn)尋找其遺漏的相應(yīng)像點(diǎn);(6)令N=3,對(duì)剩余的待匹配像點(diǎn)進(jìn)行匹配;(7)根據(jù)物方點(diǎn)距離閾值ε4合并同名物方點(diǎn)。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析為驗(yàn)證基于空間前方交會(huì)的匹配算法的性能,分別采用兩組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),第1組為實(shí)驗(yàn)室控制架數(shù)據(jù),第2組為某直徑為2.8m的衛(wèi)星天線攝影測(cè)量數(shù)據(jù)。表1為該兩組數(shù)據(jù)的匹配結(jié)果統(tǒng)計(jì)。圖9為控制架測(cè)量匹配實(shí)驗(yàn)中,前3張像片的同名像點(diǎn)示意圖。分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:(1)兩組實(shí)驗(yàn)均實(shí)現(xiàn)了物方點(diǎn)100%匹配,且沒(méi)有誤匹配點(diǎn)出現(xiàn),這證明基于空間前方交會(huì)的匹配算法匹配率高,誤匹配率低;(2)該匹配算法速度較快,能滿足數(shù)字工業(yè)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)處理的要求;(4)平差后的攝站參數(shù)和物方點(diǎn)的坐標(biāo)精度較高,能為自檢校光束法平差提供可靠的初值。如前所述,盡