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非常规航摄影像定位方法及精度评定

作　者: 钟灿
导　师: 袁修孝
学　校: 武汉大学
专　业: 摄影测量与遥感
关键词: 非常规航摄影像影像仿真相对定向绝对定向区域网平差精度
分类号: P231
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

航空摄影测量是获取及更新地理信息的重要手段,是基本比例尺地形图的主要成图方式,已经成为我国基础测绘的通用作业模式。随着科技的发展,摄影测量有了长足的发展。轻小型飞行平台已经应用于航空摄影测量,使其作业形式更加灵活,但也带来了影像姿态不稳定的新问题。本文围绕非常规航摄影像的定向和定位这一主线,针对其排列不规则、姿态变化大引起的新问题,以空中三角测量为基础,深入研究了适用于非常规航摄影像的定向方法,并对其定位精度进行了深入探讨。本文的主要研究内容和创新性成果如下：(1)改进了非常规航摄影像的模拟方法。为提高处理效率,改进了影像模拟方法,提出以面元为处理单位的反解法对航摄影像进行模拟。首先选取待模拟区域对应的DEM和DOM数据,根据航摄条件设置影像的内外方位元素；其次根据区域的地形特点将影像划分为面元；然后对面元四角的像素进行高程迭代以获取其对应地面点的平面位置,并建立面元与地面格网的近似仿射变换关系；最后基于仿射变换计算面元上所有像素对应的地面平面位置,并在DOM上获取灰度值。对平地和丘陵地的多种摄影条件下的航摄影像模拟结果表明,本文提出的影像模拟方法能够模拟各种摄影条件下的航摄影像,相比逐像素的影像模拟方法,处理效率提高了10倍左右。(2)分析了航摄影像的匹配精度。通过对模拟的航摄影像进行高精度影像匹配,评价影像匹配的精度。试验结果表明,对影像间几何变形小的影像,匹配精度优于1/6像素；对影像间几何变形较大的影像,匹配精度一般不超过0.4像素。这一统计结果可作为影像自动量测的精度估值以及检验指标。(3)针对影像间存在大旋角的立体像对,提出了以奇异值分解约束本质矩阵获得未知数初值的严格相对定向方法。首先构建影像间的本质矩阵,采用传统的8点法线性求解本质矩阵元素；其次顾及本质矩阵的秩亏特性,采用奇异值分解方法对本质矩阵进行降秩约束；然后从经约束的本质矩阵元素导出相对定向元素的初始值；最后将初始值带入到基于上下视差的严格相对定向模型进行迭代求解。对模拟影像、常规航摄影像、非常规航摄影像的相对定向试验表明,该方法适用于存在大旋角立体影像对的相对定向,能够满足实际生产重构立体模型的精度需求。(4)针对存在大旋角、大倾角的影像模型,提出了基于平面旋转的绝对定向方法。方法的核心是根据拟合平面的法向量的旋转关系直接求解三维旋转参数。首先对模型点在像方坐标系和物方坐标系下各自拟合出最佳平面,并计算平面的法向量；然后通过平面法向量的空间旋转关系直接求解绝对定向角元素的初值；最后,将角元素初值连同由经验公式估计的比例系数初值一并代入绝对定向的严格模型进行绝对定向元素的精确求解。对模拟影像、航摄影像、近景影像的试验结果表明,本文方法适用于存在大旋转角的影像模型的绝对定向,定向精度满足实际生产需求。(5)分析了解析空中三角测量各个环节的误差传播特性,统计了非常规影像定位定向的精度估值。通过对各种摄影条件下的模拟航摄影像区域网的平差处理,给出非常规航摄影像定位精度的估算公式。

全文目录

摘要  10-12
ABSTRACT  12-15
第一章绪论  15-21
  1.1 研究背景和意义  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-19
    1.2.1 影像自动量测方面  16-17
    1.2.2 影像相对定向方面  17
    1.2.3 影像绝对定向方面  17-18
    1.2.4 影像定位方面  18-19
  1.3 主要研究内容  19-20
  1.4 论文结构安排  20-21
第二章非常规航摄影像的高效仿真  21-42
  2.1 概述  21
  2.2 非常规航摄影像的特点  21-23
    2.2.1 常规航摄影像的特点  21-22
    2.2.2 非常规航摄影像的特点  22-23
  2.3 航摄影像的基本几何关系  23-25
    2.3.1 影像内方位元素  23-24
    2.3.2 影像外方位元素  24
    2.3.3 共线方程  24-25
  2.4 航摄影像的快速仿真  25-35
    2.4.1 虚拟影像的生成  25-27
    2.4.2 模拟影像的生成  27-30
    2.4.3 系统误差的误差源  30-33
    2.4.4 系统误差引入模型  33-35
    2.4.5 系统误差模型的选择  35
  2.5 航摄影像仿真试验  35-41
    2.5.1 试验数据  35-37
    2.5.2 虚拟影像仿真  37-38
    2.5.3 模拟航空摄影  38-41
  2.6 本章小结  41-42
第三章非常规航摄影像的自动量测  42-60
  3.1 概述  42
  3.2 基于灰度相关的影像匹配  42-50
    3.2.1 相关系数匹配  42-43
    3.2.2 最小二乘匹配  43-48
    3.2.3 基于特征点的灰度相关  48-50
  3.3 基于特征的影像匹配  50-52
  3.4 误匹配点的剔除  52-55
  3.5 影像自动量测精度分析  55
    3.5.1 传统相对定向精度评定  55
    3.5.2 直接评定  55
  3.6 影像自动量测试验  55-59
    3.6.1 采用的匹配策略  55-57
    3.6.2 影像匹配精度分析  57-59
  3.7 本章小结  59-60
第四章非常规影像的概略定向  60-107
  4.1 概述  60
  4.2 非常规影像的相对定向  60-74
    4.2.1 双像几何  61-63
    4.2.2 相对定向参数的求解  63-66
    4.2.3 相对定向的精度评定  66-69
    4.2.4 相对定向试验  69-74
  4.3 非常规影像模型的绝对定向  74-100
    4.3.1 传统绝对定向方法  75-77
    4.3.2 旋转矩阵的表达  77-88
    4.3.3 常用的旋转矩阵求解方法  88-90
    4.3.4 基于平面拟合方法的绝对定向方法  90-94
    4.3.5 试验分析  94-100
  4.4 非常规影像的航带网构建  100-105
    4.4.1 自由航带网的构建  100-104
    4.4.2 自由区域网的构建  104-105
  4.5 本章小结  105-107
第五章非常规航摄影像定向精度分析  107-115
  5.1 概述  107
  5.2 非常规影像的区域网平差  107-110
    5.2.1 传统光束法平差  107-108
    5.2.2 GPS辅助光束法平差  108-109
    5.2.3 GPS/IMU辅助光束法平差  109-110
  5.3 空中三角测量的精度指标  110-112
    5.3.1 理论精度  111
    5.3.2 实际精度  111-112
  5.4 区域网平差的定位精度估计  112-113
    5.4.1 试验数据  112
    5.4.2 常规影像的定位精度  112-113
    5.4.3 非常规影像定位精度  113
  5.5 本章小结  113-115
第六章总结与展望  115-117
参考文献  117-123
附录A 平面的三维旋转变换  123-125
附录B 水平面法向量对K的旋转不变性  125-126
附录C 三维旋转中φ、ω已知时κ角的求解  126-127
攻读博士学位期间发表的论文和科研情况  127-128
致谢  128

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