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基于广义立体像对的三维重建方法研究

作　者: 王伟玺
导　师: 石金峰
学　校: 辽宁工程技术大学
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: 三维重建 广义立体像对 多源遥感数据 RFM 规范化处理 观测值权阵 等步长探测 多项式回归 矩阵QR分解 岭估计
分类号: P237
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 600次
引　用: 4次
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内容摘要


随着高分辨率卫星遥感成像技术的发展,现代遥感技术已进入一个动态、快速、准确、及时提供多波段、多时相、海量对地观测数据的阶段,在国防建设、经济建设和社会发展等关系国计民生等领域有着越来越广泛的应用。随着遥感卫星数量的增多,以及卫星立体成像能力的不断提高,越来越多的卫星影像资源为全球范围内目标的三维重建提供了可能。但由于各种特殊因素的制约(如政治因素、经济因素、技术因素、安全因素等),导致了可用的遥感影像资源十分有限,采用传统方法实现急需的各种三维重建还面临极大的挑战。基于上述原因,有时针对某些特定区域,往往难以得到同一颗卫星传感器或者同一相机所拍摄的立体影像(要么根本没有,要么价格昂贵),却可得到不同卫星传感器或者不同相机所拍摄的该区域影像。因此,从数据的可得性和成本考虑,利用不同传感器或相机所拍摄的非立体影像,按照摄影测量与遥感原理和相应的数学理论,同样能够构建起广义上的立体影像对(即左右影像的成像几何模型可以完全不同),达到提取三维立体信息的目的,从而实现对该地区地形和目标地物的三维重建。因此,如何利用多源遥感数据以及相关信息实现准确可靠的地形与地面目标三维重建,这一问题越来越凸显出其迫切性和重要性。论文以基于多源遥感数据的三维重建为研究目标,对基于RFM(有理函数模型)的新型空间前方交会数学模型、广义立体像对的构建及计算方法等模型和算法进行了系统的研究,并进行了初步实验,主要研究内容如下:(1)对目前国内外利用遥感影像进行三维重建的研究现状进行了综合评述,并着重介绍了RFM模型在遥感影像三维重建方面的应用现状,分析了三维重建的发展趋势。(2)提出广义立体像对的概念,并对此概念从内涵、适用对象、现实意义和数学意义等方面进行了详细的阐述。并对广义立体像对的构建方法进行了说明。(3)提出了多源遥感影像数据规范化处理的技术框架,并对规范化处理所包含的内容和方法进行了探讨和说明。(4)扩展了基于RFM的空间前方交会数学模型。针对多源影像的复杂性,提出了RFM+CEM(共线方程模型)、RFM+AM(仿射变换模型)和RFM+DLT(直接线性变换模型)三种基于RFM的空间前方交会数学模型。(5)在模型算法研究的基础上,论文利用现有多源遥感数据对广义立体像对的构建和地面目标三维重建的精度进行了实验分析,着重分析和讨论了观测值权阵的引入及其对模型计算精度的影响。依据模型系数矩阵的状态,对RFM+RFM模型,提出了对观测值权阵的等步长探测法和多项式回归法,以求出观测值权阵的最优解,提高计算精度;对RFM+AM模型和RFM+DLT模型,提出矩阵QR分解或者岭估计的方法,保证模型解算的稳定性。最后证明了构建广义立体像对的可行性。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-13
1 绪论  13-24
  1.1 研究背景和意义  13-15
    1.1.1 研究背景  13-15
    1.1.2 研究意义  15
  1.2 研究对象和目标  15-16
  1.3 国内外研究现状及发展趋势  16-21
    1.3.1 国内研究现状  16-18
      1.3.1.1 数字摄影测量的研究现状  16-18
      1.3.1.2 基于影像的三维重建的研究现状  18
    1.3.2 国外研究现状  18-20
      1.3.2.1 数字摄影测量的研究现状  18-19
      1.3.2.2 对RFM模型的研究现状  19-20
    1.3.3 发展趋势  20-21
  1.4 主要研究内容和方法  21-23
    1.4.1 主要的研究内容  21-22
      1.4.1.1 广义立体像对的概念和构建方法  21
      1.4.1.2 多源影像规范化处理  21
      1.4.1.3 基于RFM的广义立体像对空间前方交会数学模型  21-22
      1.4.1.4 广义立体像对的精度评价  22
    1.4.2 主要的关键技术  22
    1.4.3 研究方法  22-23
  1.5 论文的组织安排  23-24
2 广义立体像对的概念及构建方法  24-30
  2.1 广义立体像对的概念  24-25
  2.2 广义立体像对的构建方法  25-26
  2.3 广义立体像对的针对目标及意义  26-29
    2.3.1 广义立体像对的针对目标  26-27
    2.3.2 广义立体像对的现实意义  27-28
    2.3.3 广义立体像对的数学意义  28-29
  2.4 本章小结  29-30
3 基于影像的空间定位方法  30-58
  3.1 概述  30
  3.2 常用影像空间定位方法  30-42
    3.2.1 多项式纠正法  30-32
    3.2.2 共线方程式法(Collinearity Equation Model,CEM法)  32-35
    3.2.3 直接线性变换法(Direct Linear Transformation,DLT法)  35-37
    3.2.4 仿射变换法(Affine Model,AM法)  37-39
      3.2.4.1 8参数仿射变换  37
      3.2.4.2 严密仿射变换公式  37-39
    3.2.5 有理函数模型法(Rational Function Model,RFM法)  39-42
      3.2.5.1 有理函数模型的数学定义  41-42
  3.3 卫星高分辨率影像的有理函数模型  42-56
    3.3.1 高分辨率影像的有理函数模型  43-44
    3.3.2 有理多项式系数(RPC)及其计算  44-48
      3.3.2.1 RPC未知  44-48
      3.3.2.2 RPC已知  48
    3.3.3 RFM的优化  48-51
      3.3.3.1 直接优化法  48-49
      3.3.3.2 间接优化法  49-51
    3.3.4 基于有理函数模型的空间坐标变换  51-56
      3.3.4.1 不同空间坐标系之间的坐标变换  51-54
      3.3.4.2 有理函数模型解算  54-55
      3.3.4.3 基于有理函数模型的影像处理算法流程  55-56
  3.4 本章小结  56-58
4 影像的规范化处理  58-68
  4.1 影像规范化的目的及意义  58
  4.2 影像空间分辨率的规范化处理  58-60
    4.2.1 规范化的方法  58-60
  4.3 影像色彩的规范化处理  60-66
    4.3.1 彩色影像到彩色影像的规范化处理  60-65
      4.3.1.1 常用的彩色空间  61-62
      4.3.1.2 RGB彩色空间  62-63
      4.3.1.3 HIS彩色空间  63-64
      4.3.1.4 RGB彩色空间到HIS彩色空间的转换  64
      4.3.1.5 HIS彩色空间到RGB彩色空间的转换  64-65
    4.3.2 彩色影像到灰度影像的规范化处理  65-66
  4.4 影像尺寸的规范化处理  66
  4.5 本章小结  66-68
5 基于RFM的广义立体空间前方交会数学模型  68-98
  5.1 传统的空间前方交会数学模型  68-72
    5.1.1 传统的单张影像解求地面点坐标方法  68-70
      5.1.1.1 影像覆盖区域的DEM已知  68-69
      5.1.1.2 影像覆盖区域的DEM未知  69-70
    5.1.2 传统的立体影像空间前方交会模型  70-71
    5.1.3 传统的空间交会模型的空间几何意义  71-72
  5.2 基于有理函数模型的空间前方交会数学模型  72-94
    5.2.1 基于RFM模型的单张影像解求地面点坐标方法  72-76
    5.2.2 基于RFM模型的广义立体像对空间前方交会模型  76-94
      5.2.2.1 RFM+RFM模型  77-84
      5.2.2.2 RFM+CEM模型  84-87
      5.2.2.3 RFM+AM模型  87-91
      5.2.2.4 RFM+DLT模型  91-94
  5.3 广义立体像对空间前方交会模型的几何意义和适用范围  94-95
    5.3.1 空间几何意义  94-95
    5.3.2 适用范围  95
  5.4 本章小结  95-98
6 广义立体像对实验与分析  98-130
  6.1 实验环境  98
    6.1.1 软件环境  98
    6.1.2 硬件环境  98
  6.2 实验数据源  98-100
  6.3 坐标系统的统一  100-102
    6.3.1 计算WGS84大地椭球和80大地椭球之间的转换参数  101
    6.3.2 地面控制点(GCP)和检查点(CKP)的选取  101
    6.3.3 地面控制点(GCP)和检查点(CKP)的坐标转换  101-102
  6.4 实验一  102-108
    6.4.1 SPOT5影像标准化参数的计算  102-103
    6.4.2 SPOT5影像RPC系数的计算  103-104
    6.4.3 QuickBird影像与SPOT5影像各自RPC系数的优化计算  104-105
    6.4.4 广义立体像对的构建  105-107
    6.4.5 精度评定  107-108
  6.5 实验二  108-111
    6.5.1 SPOT5影像AM模型参数的计算  109-110
    6.5.2 广义立体像对的构建  110-111
    6.5.3 精度评定  111
  6.6 实验三  111-114
    6.6.1 SPOT5影像DLT模型参数的计算  112-113
    6.6.2 广义立体像对的构建  113
    6.6.3 精度评定  113-114
  6.7 实验精度的横向比较  114-119
  6.8 实验精度分析  119-128
    6.8.1 高程精度分析  119-120
    6.8.2 平面精度分析  120-121
    6.8.3 观测值权阵P对精度的影响  121-128
  6.9 本章小结  128-130
7 结论与展望  130-133
  7.1 结论  130-131
  7.2 论文的主要贡献  131-132
  7.3 进一步工作与展望  132-133
附录1 主要数学方法  133-134
附录2 攻读学位期间的主要成果  134-135
参考文献  135-148
致谢  148-150
附件  150-151

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 测绘学 > 摄影测量学与测绘遥感 > 测绘遥感技术
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