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1、倾斜摄影测量系统及三维建模方法倾斜摄影测量系统及三维建模方法 研讨班研讨班 倾斜摄影测量原理与关键技术倾斜摄影测量原理与关键技术 汇报人: 熊小东 武汉大学 遥感信息工程学院 2014年5月15日 倾斜摄影测量原理与关键技术倾斜摄影测量原理与关键技术 一、一、 倾斜摄影的定义 汇汇 报报 提提 纲纲 二、二、 倾斜摄影的历史 三、三、 倾斜摄影的特点和意义 四、四、 主流的倾斜摄影硬件系统 五、五、 倾斜摄影数据处理关键技术 六、六、 倾斜摄影应用 按主光轴倾斜角分按主光轴倾斜角分： 垂直影像：t30 ； 水平视角影像： t+ 90。 倾斜摄影的定义倾斜摄影的定义 定义：倾斜影像为相机主光轴在
2、有一定定义：倾斜影像为相机主光轴在有一定 的倾斜角时拍摄的影像。的倾斜角时拍摄的影像。 倾斜摄影历史倾斜摄影历史 一战时的一战时的GraflexGraflex航摄相机航摄相机 历史追溯历史追溯 早在第一次世界大战期间，就有飞 行员用一种叫做 Graflex 的相机拍 摄倾斜航空影像，用于战场侦查。 其优点是不需要飞行到测区上方。 但受当时胶片影像处理水平以及算法 的制约，无法成功将倾斜影像进行拼 接。所以，之后人们改用正直摄影的 方式进行航空影像获取。 19041904年年 由Schiempflug研制的八镜头相机。 搭载在飞艇上用于航空摄影。 早期的倾斜摄影相机早期的倾斜摄影相机 倾斜摄影历
3、史倾斜摄影历史 19261926 由Aschenbrenner研制的九镜头相机。 1931年该相机被用于测量南极。 19201920年代末年代末 Bagley三镜头相机。 这类三镜头相机在1930s-1940s被大量 生产和应用。 倾斜摄影历史倾斜摄影历史 19301930年代年代 Barr 100mm （倾斜） / 80mm(下视)； 3）象元大小6； 4）倾斜角45（可定制）； 5）最短曝光间隔2.5s。 GeoVision (四维远见四维远见)：SWDC-5 主流的倾斜摄影硬件系统主流的倾斜摄影硬件系统 系统结构系统结构： 1个垂直相机+4个倾斜相机的5相机系统。相机为自主研制。 TOP
4、RS(中测新图中测新图)：TOPDC-5 主流的倾斜摄影硬件系统主流的倾斜摄影硬件系统 技术参数技术参数(TOPDC(TOPDC- -5 5 型型) )： 1）焦距47mm（下视）/80mm(倾 斜）； 2）像幅尺寸为：下视6千万像素 (9288*6000) ， 倾 斜 4 千 万 像 素 （7360*5562）； 3）象元大小6； 4）倾斜角45； 5）最短曝光间隔3.5s； 6）视场角（航向/旁向）：下视 42/62，倾斜23/31； TOPRS(中测新图中测新图)：TOPDC-5 技术参数技术参数(TOPDC(TOPDC- -5 5 型型) )： 1）焦距47mm（下视）/80mm(倾
5、斜）； 2 ） 像 幅 尺 寸 为 ： 8 千 万 像 素 (10320*7752)； 3）象元大小5.2； 4）倾斜角45； 5）最短曝光间隔3.5s； 6）视场角（航向/旁向）：下视 46/59，倾斜37/29； 主流的倾斜摄影硬件系统主流的倾斜摄影硬件系统 系统结构系统结构： 1个垂直相机+4个倾斜相机的5相机系统 参数参数： 1 ） 像 幅 尺 寸 ： 103287760 pixels (8000万像素）； 2）焦距：下视55mm/50mm/80mm，倾斜 80mm/110mm； 3）象元大小5.2； 4）倾斜角42或45； 5）集成Applanix POS AV系统。 上海航遥：上海
6、航遥：AMC580 主流的倾斜摄影硬件系统主流的倾斜摄影硬件系统 2001年开始推出ADS40，2008年推出ADS80， 2013年推出ADS100 。 系统结构系统结构： 三视推扫式相机。 参数参数（以以ADSADS100100为例为例）： 1）共13条CCD，每条CCD为20000像素，像素大 小5； 2）所有CCD按照前视(25.6)、下视(0)和后 视(17.7)分为三组； 3）前视组：RGBN； 4）下视组：RGGBN,绿色波段有两条交错半像素 的CCD； 5）后视组：RGBN. Leica：ADS 40/80/100 主流的倾斜摄影硬件系统主流的倾斜摄影硬件系统 系统结构系统结构
7、： 下视+前视+后视，三线阵推扫式倾斜摄影 相机。 参数参数： 1）3个Kodak Tri-linear 8023，真彩色影 像； 2）相对航高：400-2000 m； 3）影像幅宽：8023像素，360-1800 m； 4）地面分辨率：0.045-0.225 m； 5）象元大小9； 6）前后视倾斜角45； 7）焦距：下视 80mm，倾斜 110mm； 8）集成GPS/IMU系统。 Wehrli & Associates Inc：3-OC-1 倾斜摄影数据处理关键技术倾斜摄影数据处理关键技术 1. 2. 3. 倾斜影像自动空三 倾斜影像密集匹配 本本 节节 提提 纲纲 倾斜影像拼接技术 倾斜影
8、像自动空三倾斜影像自动空三 倾斜影像自动空三流程倾斜影像自动空三流程 输入倾斜影像 倾斜影像连接点自动匹 配 匹配粗差检测，构建自 由网 区域网平差 输入地面 控制数据 关键步骤：关键步骤： 1）连接点匹配； 2）构建自由网； 3）区域网平差。 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 倾斜影像连接点自动匹配倾斜影像连接点自动匹配 SIFTSIFT特征点匹配：特征点匹配： 1）构建尺度空间：高斯卷积核，图像 金字塔； 2）检测尺度空间极值点：在DOG尺度 空间本层以及上下两层的26个邻域中 是最大或最小值，并去除低对比度的 关键点和不稳定的边缘响应点； 3）计算关键点主方向； 4）生成128维的关键点
9、描述子； 5）SIFT匹配：计算待匹配的两特征点 间的欧式距离作为匹配测度。 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 VisualSFM 匹配结果匹配结果 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 VisualSFM 匹配结果匹配结果 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 倾斜影像匹配点粗差检测及自由网构建倾斜影像匹配点粗差检测及自由网构建 粗差剔除与自由网构建流程 1）采用RANSAC（随机采样 一致性）方法，基于5点法相对 定向模型（共面条件），进行 粗差检测； 2） 基于双模型的粗差点检测： 对于双模型间的三度重叠点， 采用空间前方交会计算像点残 差，剔除残差大的粗差点； 基于RANSAC的相对定 向 下
10、一个有 足够同名 点的像对 基于双模型的相对定向 可靠性检测 输出自由网结果 基于双模型的粗差点检 测 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 倾斜影像匹配点粗差检测及自由网构建倾斜影像匹配点粗差检测及自由网构建 粗差剔除与自由网构建流程 3）基于双模型的相对定向可靠 性检测： 不断选择相互间具有足够连 接点的三张影像，依次在影像 间两两进行相对定向，计算相 对定向的线元素和旋转矩阵。 如果相对定向正确，三个线 元素向量应共面，三个旋转矩 阵依次相乘应为单位阵。 1 2 3 X12,R1 2 X23,R2 3 X31,R3 1 基于RANSAC的相对定 向 下一个有 足够同名 点的像对 基于双模型的
11、相对定向 可靠性检测 输出自由网结果 基于双模型的粗差点检 测 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 倾斜影像区域网平差倾斜影像区域网平差 无约束区域网平差 所有倾斜影像具有独立的外方位元素，同一个相机获取的影 像具有相同的相机参数。未将多个相机之间的安置参数作为约 束条件纳入平差模型。平差模型为经典的多相机共线方程模型： 优点是可以处理任意拍摄的倾斜影像，无需倾斜影像与下视 影像同时曝光。 缺点是随着相机数目的增加，未知数个数快速增多。 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 倾斜影像区域网平差倾斜影像区域网平差 附加约束的区域网平差 将多个相机之间的安置参数作为约束条件纳入平差模型。以 下视影像的外
12、方位元素以及倾斜相机与下视相机的安置参数作 为区域网平差未知数： 优点是可以极大地减少区域网平差的未知数个数，使平差结 果更为稳健。但是需要同一摄站的下视影像和倾斜影像同时曝 光。 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 倾斜影像区域网平差倾斜影像区域网平差 附加约束的区域网平差 将地面场景约束条件带入区域网平差，如铅垂线、水平线及 直角条件等。可以增强平差的稳健性，减少控制点的使用。 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 倾斜影像区域网平差倾斜影像区域网平差 附加约束的区域网平差 将地面场景约束条件带入区域网平差，如铅垂线、水平线及 直角条件等。可以增强平差的稳健性，减少控制点的使用。 水平线： 铅垂
13、线： 直角条件： 等距离条件： 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 倾斜影像区域网平差倾斜影像区域网平差 倾斜影像直接定向 首先采用传统的区域网平差方法对下视影像单独进行处理， 获得每张下视影像的外方位元素； 然后利用倾斜相机与下视相机之间的安置参数检校值，根 据同一摄站的下视影像外方位元素计算相应倾斜影像的外方位 元素。 优点：可以直接利用传统的空三软件。 缺点：未利用多传感器的优势，精度较差。事先检校获得的 安置参数不一定可靠，且会随着使用时间的增长发生变化。也 需要倾斜影像与对应的下视影像同时曝光。 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 开源的倾斜影像自动空三软件开源的倾斜影像自动空三软件 A
14、PERO APERO是由法国的IGN（Institut Gographique National） 开发的开源区域网平差软件，与现有开源软件相比其特点如下： 现有的开源平差软件以计算机视觉的基本矩阵为基本模型， 主要为针对非专业人员开发，以通用性为原则，导致平差过程 中过度参数化；而本软件从摄影测量角度出发，平差未知数为 具有物理意义的外方位元素等，稳健性好。 现有的开源软件在相机检校参数设置方面不灵活；而本软 件考虑多个相机检校参数模型，精度高，实用性强。 与其配套的另一个开源软件为MICMAC，功能为密集匹配。 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 开源的倾斜影像自动空三软件开源的倾斜影像自动
15、空三软件 APERO 模块介绍： 构建自由网模块：根据相对定向、单片空间后方交会的方 法计算影像的外方位元素初值，以及获取影像的连接关系（即 当前影像的外方位元素由哪些影像计算获得）； 区域网平差模块：线性化共线方程，采用Gauss-Newton或 Levenberg-Markard迭代法由最小二乘计算影像外方位元素等未 知数； 绝对定向模块：由地面控制点或场景约束条件进行影像绝 对定向； 数据导入及输出模块：连接点文件、控制点文件、GPS等。 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 倾斜影像区域网平差倾斜影像区域网平差效果效果 70张倾斜影像 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 倾斜影像区域网平差倾
16、斜影像区域网平差效果效果 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 VisualSFM 网址：http:/ccwu.me/vsfm/ 空三相关模块介绍： SIFT on GPU(SiftGPU)：开源的GPU加速的SIFT匹配程序， 与传统基于CPU的SIFT匹配程序相比，匹配速度得到了极大地提 升； Multicore Bundle Adjustment：多核区域网平差模块， 支持CPU多核与GPU多核，与传统算法相比可分别提速10倍至30 倍。 倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三 60张倾斜影像（VisualSFM,13 min） 倾斜影像区域网平差倾斜影像区域网平差效果效果 倾斜影像密集匹配倾斜影像密集匹配 倾斜影像密集匹配及三维显示软件倾斜影像密集匹配及三维显示软件 开源算法开源算法/ /软件：软件： 密集
