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高分辨率遥感影像DSM的改进半全局匹配生成方法
资料介绍
提出一种基于改进半全局匹配算法的高分辨率遥感影像数字表面模型(digital surface model,DSM)生成方法。首先利用影像间连接点几何约束关系对有理函数模型进行系统误差补偿,在补偿模型的基础上对影像进行分块,利用投影轨迹法逐块得到核线影像对;在密集匹配阶段,对影像建立金字塔后逐层进行半全局匹配,匹配过程中引入顾及影像纹理信息的视差图膨胀腐蚀算法约束每一层视差搜索范围,增加了视差图边缘处的有效像素数,同时减少了算法所需的内存开销和计算时间;在视差图后处理阶段,利用加权中值滤波算法保护了视差图的边缘信息;最后基于前方交会获取DSM。选取WorldView 3和资源三号立体影像进行试验,结果表明,本文方法获取的DSM精度在高程方向上接近于1.5倍GSD,并且较好地保持了地物的边缘特性,在计算效率和内存开销方面也具有较好的平衡。
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| 1577708367高分辨率遥感影像DSM的改进半全局匹配生成方法.pdf | 6M |
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Ｖｏｌ．４７ Ｎｏ．１０
第
２０１８ １０
ꢀ
卷
年
第
期
测
ＡｃｔａＧｅｏｄａｅｔｉｃａｅｔＣａｒｔｏｒａ ｈｉｃａＳｉｎｉｃａ
绘
学
报
４７
１０
ꢀ
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，
Ｏｃｔｏｂｅｒ２０１８
月
ꢀ
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，
，
［］
， ， （ ）： ：
２０１８４７ １０ １３７２１３８４．ＤＯＩ
－
引文格式 杨幸彬 吕京国 江珊 等 高分辨率遥感影像
的改进半全局匹配生成方法
测绘学报
．
ＤＳＭ
Ｊ ．
／
１０．１１９４７ ．Ａ Ｇ ＣＳ ．２０１８ ．２０１８００９１ ．
ｊ
，
，
，
ＹＡＮＧＸｉｎｂｉｎ ＬＪｉｎ ｕｏＪＩＡＮＧＳｈａｎｅｔａｌ．ＤｉｉｔａｌＳｕｒｆａｃｅＭｏｄｅｌＧｅｎｅｒａｔｉｏｎｆｏｒＨｉｈＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｔｅｒｅｏＩｍａｅ
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［ ］ ， ， （ ）： ：
Ｂａｓｅｄｏｎ ＭｏｄｉｆｉｅｄＳｅｍｉ ｌｏｂａｌ Ｍａｔｃｈｉｎ Ｊ ．ＡｃｔａＧｅｏｄａｅｔｉｃａｅｔＣａｒｔｏｒａｈｉｃａＳｉｎｉｃａ ２０１８ ４７ １０ １３７２１３８４．ＤＯＩ１０．
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１１９４７ ．Ａ Ｇ ＣＳ ．２０１８ ．２０１８００９１ ．
ｊ
高分辨率遥感影像
的改进半全局匹配生成方法
１
ＤＳＭ
，
１２
１
１
，
，
，
杨幸彬 吕京国
江
珊
张丹璐
ꢀ
，
北京建筑大学测绘与城市空间信息学院 北京
；
１０００４４ ２．
，
城市空间信息工程北京市重点实验室
１．
北京
１０００４４
ＤｉｉｔａｌＳｕｒｆａｃｅＭｏｄｅｌＧｅｎｅｒａｔｉｏｎｆｏｒＨｉｈＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｔｅｒｅｏＩｍａｅ
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ＢａｓｅｄｏｎＭｏｄｉｆｉｅｄＳｅｍｉ ｌｏｂａｌＭａｔｃｈｉｎ
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，
１２
１
１
１
， ， ，
ＹＡＮＧＸｉｎ ｂｉｎ ＬＪｉｎ ｕｏ ＪＩＡＮＧＳｈａｎ ＺＨＡＮＧＤａｎｌｕ
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ｇｇ
，
１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＧｅｏｍａｔｉｃｓａｎｄ ＵｒｂａｎＳ ａｔｉａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ Ｂｅｉｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ ｏｆＣｉｖｉｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ
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，
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；
，
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，
Ｂｅｉｉｎ １０００４４ Ｃｈｉｎａ ２．Ｂｅｉｉｎ Ｋｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒ ｏｆＵｒｂａｎＳ ａｔｉａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎ Ｂｅｉｉｎ １０００４４ Ｃｈｉｎａ
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（
）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｍｅｔｈｏｄｉｓ ｒｏｏｓｅｄｆｏｒ ｅｎｅｒａｔｉｎ ｄｉｉｔａｌｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｅｌ ＤＳＭ ｏｆｈｉｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｔｅｌｌｉｔｅ
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（
）
（
）
ｉｍａｅｒ ＨＲＳＩ ｂａｓｅｄｏｎｍｏｄｉｆｉｅｄｓｅｍｉ ｌｏｂａｌｍａｔｃｈｉｎ ＳＧＭ ａｌｏｒｉｔｈｍ．Ｆｉｒｓｔｌ ｔｈｅｓｓｔｅｍｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅ
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，
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ｒａｔｉｏｎａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｉｓｃｏｍ ｅｎｓａｔｅｄｂ ｕｓｉｎ ｔｈｅ ｅｏｍｅｔｒｉｃｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｉｍａｅ
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，
ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｉｎｔｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍ ｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｔｈｅｉｍａｅｉｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｂｌｏｃｋｓ．Ｔｈｅ ｒｏｅｃｔｉｏｎ
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，
ｔｒａｅｃｔｏｒ ｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｉｍａｅ ａｉｒｓｏｆｔｈｅｉｍａｅｓＩ．ｎｔｈｅｄｅｎｓｅｍａｔｃｈｉｎ ｓｔａｅｔｈｅｄｉｓａｒｉｔ
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，
ｍａ ｉｓｃｏｍ ｕｔｅｄｕｓｉｎ ｓｅｍｉ ｌｏｂａｌｍａｔｃｈｉｎ ｂ ｌａｅｒａｆｔｅｒｂｕｉｌｄｉｎ ｔｈｅ ｒａｍｉｄｓｉｍａｅｓａｎｄａｎｅｘａｎｓｉｏｎ
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， ，
ｃｏｒｒｏｓｉｏｎａｌｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒｄｉｓａｒｉｔ ｒａｈｓ ｗｈｉｃｈｔａｋｅｓｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔｔｈｅｉｍａｅｔｅｘｔｕｒｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｓ
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，
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｈｅｒａｎｅｏｆ ａｒａｌｌａｘｓｅａｒｃｈｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｘｅｌｓａｔｔｈｅｅｄｅｏｆ
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ｔｈｅ ａｒａｌｌａｘｍａ ａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｍｅｍｏｒ ｏｖｅｒｈｅａｄａｎｄｃｏｍ ｕｔａｔｉｏｎｔｉｍｅｒｅｕｉｒｅｄｆｏｒｔｈｅａｌｏｒｉｔｈｍＩ．ｎｔｈｅ
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，
ｏｓｔ ｒｏｃｅｓｓｉｎ ｓｔａｅｏｆｄｉｓａｒｉｔ ｉｍａｅｔｈｅｅｄｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｄｉｓａｒｉｔ ｉｍａｅｉｓ ｒｏｔｅｃｔｅｄｂ ｗｅｉｈｔｅｄ
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ｇ
，
ｍｅｄｉａｎｆｉｌｔｅｒｉｎ ａｌｏｒｉｔｈｍ．Ｆｉｎａｌｌ ｔｈｅＤＳＭｉｓａｃｕｉｒｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｏｒｗａｒｄｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｔｅｒｅｏｉｍａｅｓ
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ｑ
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ｏｆＷｏｒｌｄＶｉｅｗ３ａｎｄＺＹ３ｔｏｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄ．ＴｈｅｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＤＳＭａｃｃｕｒａｃ
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，
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ｏｂｔａｉｎｅｄｂ ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｎｅａｒｌ １．５ｔｉｍｅｓｈｉｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＧＳＤｉｎｅｌｅｖａｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｅｄｅ
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ｇ
ꢀ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｏｂｅｃｔａｒｅ ｍａｉｎｔａｉｎｅｄ ｗｅｌｌ．Ｔｈｅ ａｌｏｒｉｔｈｍｉｓｃｏｍ ｕｔａｔｉｏｎａｌｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｈａｓ
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ｒｅｌａｔｉｖｅｌｌｏｗｍｅｍｏｒ ｏｖｅｒｈｅａｄ．
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ꢀ
ｙ
ꢀ
： ； ； ；
Ｋｅ ｗｏｒｄｓ ｈｉｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｔｅｌｌｉｔｅｉｍａｅｒ ｒａｔｉｏｎａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｒｏｅｃｔｉｏｎｔｒａｅｃｔｏｒ ｓｅｍｉ ｌｏｂａｌ
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；
ｍａｔｃｈｉｎ ｄｉｉｔａｌｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｅｌ
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： （
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｕ ｏｒｔ ＴｈｅＮａｔｉｏｎａｌＫｅ ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏ ｍｅｎｔＰｒｏｒａｍｏｆＣｈｉｎａ Ｎｏ．２０１６ＹＦＢ０５００３０４
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）；
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（
）；
ＴｈｅＦｕｎｄｏｆＢｅｉｉｎ Ｋｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒ ｏｆＵｒｂａｎＳａｔｉａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎ Ｎｏ．２０１７２１２ ＴｈｅＡｄｖａｎｃｅｄ
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（
ｇ
）
ＰｒｏｅｃｔｏｆＵｒｂａｎＤｅｓｉｎＢｉ ＤａｔａＡｃｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄＰｒｏｃｅｓｓｉｎ ３００５９９１７３０６
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ｇ
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：
要 提 出 一 种 基 于 改 进 半 全 局 匹 配 算 法 的 高 分 辨 率 遥 感 影 像 数 字 表 面 模 型
（
ｄｉｉｔａｌｓｕｒｆａｃｅ
ꢀ
摘
ꢀ
ｇ
，
ｍｏｄｅｌＤＳＭ
）
。
，
生成方法 首先利用影像间连接点几何约束关系对有理函数模型进行系统误差补偿 在
，
；
，
补偿模型的基础上对影像进行分块 利用投影轨迹法逐块得到核线影像对 在密集匹配阶段 对影像建
，
立金字塔后逐层进行半全局匹配 匹配过程中引入顾及影像纹理信息的视差图膨胀腐蚀算法约束每一
，
，
；
层视差搜索范围 增加了视差图边缘处的有效像素数 同时减少了算法所需的内存开销和计算时间 在
，
；
。
ＤＳＭ
视差图后处理阶段 利用加权中值滤波算法保护了视差图的边缘信息 最后基于前方交会获取
，
，
选取
和资源三号立体影像进行试验 结果表明 本文方法获取的
精度在高程方向上
ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ３
ＤＳＭ
， ：
杨幸彬 等 高分辨率遥感影像
第
期
的改进半全局匹配生成方法
１０
ＤＳＭ
１３７３
，
，
接近于
倍
１．５ ＧＳＤ
并且较好地保持了地物的边缘特性 在计算效 率 和内存 开 销方面也 具 有较好的
。
平衡
：
；
；
；
；
关键词 高分辨率遥感影像 有理函数模型 投影轨迹 半全局匹配 数字表面模型
：
：
Ａ
： （ ）
１００１１５９５２０１８１０１３７２１３
－ － －
中图分类号
文献标识码
文章编号
Ｐ２３６
ꢀꢀꢀꢀ
ꢀꢀꢀꢀ
：
基金项 目 国 家 重 点 研 发 计 划
（
）；
城 市 空 间 信 息 工 程 北 京 市 重 点 实 验 室 基 金
２０１６ＹＦＢ０５００３０４
（
）；
城市设计大数据获取与处理高精尖项目
（
）
２０１７２１２
３００５９９１７３０６
，
并不高 且每个像素都需要在相同的视差搜索范
从卫星立体影像获取精确数字表面模型的关
ꢀꢀ
，
，
围内计算匹配代价 造成了误匹配概率的增大
。
键在于影像间的密集匹配 通常按照匹配优化策
［］
１
。
［， ］
７１７
略的不同主要分为局部和全局匹配算法两种
文献
提出的
算法在金 字 塔影像上
ｔＳＧＭ
，
逐层进行半全局匹配 利用上层匹配结果动态限
局部匹配算法通过计算像素的最小匹配代价获取
，
，
，
定每个像素的视差搜索范围 大大地减少了算法
最佳匹配点 其特点是速度快 但在重复纹理或低
，
纹理区域的匹配效果较差 因此不能满足生成高
，
的内存开销和计算时间 同时提高了匹配准确度
。
［
］
２３
－
。
精度数字表面模型的需求 全局匹配算法
［ ］
１８
匹
文献
将
算法 应 用于卫星 立 体影像匹
ｔＳＧＭ
，
配效果较好 但由于算法本身的计算复杂度较高
、
，
配取得了较好的结果 但当影像重复纹理信息较
，
计算时间较长 因此很难应用到大像幅的遥感影
，
ｔＳＧＭ
多时
算法在核线范围内获取的顶层匹配
。
像匹配 文献
［— ］
４ ５
，
结果会受到一定的影响 且会逐层传递到下一层
提出的半全局匹配算法在匹
，
。
匹配结果上 另外
，
ｔＳＧＭ
配效果和计算效率方面有较好的平衡 而且比较
［］
６
算法通过搜索窗口内
，
、
、
，
容易实现并行加速 因此被广泛应用于近景
航
最大 最小视差来确定视差搜索范围 视差图边缘
［］
７
［
］
８１０
－
。
，
像素的搜索范围可能超出视差预设最大值 导致
空
和卫星 影像匹配中
目前 将半全局匹配算法应用于卫星影像匹
，
，
计算内存增加 视差边缘处误匹配的概率也会增
：
配的思路 主 要 有 两 种 基 于 物 方 的
。
，
ｔＳＧＭ
匹 配
大
在视差后处理阶段
算法采用传统的
ＯＳＧＭ
（
）
ｏｂｅｃｔｂａｓｅｄｓｅｍｉ ｌｏｂａｌｍａｔｃｈｉｎ
ｇ
，
中值滤波算法不能将噪声同细节区别出来 因此
和基于像方
ｊ
－
ꢀ
－
ｇ
ꢀ
。
匹 配 文 献
［ —
１１ １２
］
，
视差图的边缘和尖角会受到破坏 导致图像细节
的
提 出 的
匹
ＳＧＭ
ＯＳＧＭ
，
配算法在物方空间上计算代价矩阵 然后进行代
。
［ ］
模糊 文献 利用改进的导向中值滤波替代传
１９
，
价积聚和最优视差选择得到最终的匹配结果 这
统的中值滤波算法有效 保 护了视差 图 的边缘信
，
种方法省去了核线影像生成的步骤 可以直接应
，
息 其不足之处在于滤波过程中阈值的设置不具
。
。
用于多视影像的匹配中 基于像方的
［ ］
１３
匹配
备较好的普适性
ＳＧＭ
，
，
针对上述问题 本文提出一种基于改进半全
算法 在影像面上计算代价矩阵 属于严格的逐
。
像素匹配算法 文献
［ ］
１０
。
利用卫星影像数据对
局匹配的高分辨率遥感影像
生成方法
该
ＤＳＭ
和
ＯＳＧＭ ＳＧＭ
算 法 的 匹 配 效 果 进 行 了 对 比 分
方法利用影像分块策略约束半全局匹配时的初始
，
析 结果表明基于像方
，
视差搜索范围 对核线影像块建立金字塔后逐层
算法获取的
精
ＳＧＭ
ＤＳＭ
，
，
进行半全局匹配 并引入顾及影像纹理信息的视
度要高于
且
算法可以利用左右视
ＯＳＧＭ
ＳＧＭ
，
差一致性检查剔除误匹配 因此生成的
、
差图膨胀 腐蚀算法和加权中值滤波算法保护视
粗
ＤＳＭ
，
差较少 此外
，
ＳＧＭ
，
差图边缘信息 同时减少匹配过程中的内存开销
算法的惩罚系数
可 以 根
Ｐ２
，
据影 像 灰 度 信 息 自 适 应 调 整 也 有 效 地 提 高 了
。
和计算时间 利用
和资源三号立体
ＷｏｒｌｄＶｉｅｗ３
。
精度
。
影像匹配结果验证了本文方法的有效性
ＤＳＭ
，
由于卫星 影 像 的 幅 宽 较 大 直 接 应 用
ＳＧＭ
改进半全局匹配的高分辨率遥感影像
１
ꢀ
。
算法存在一定的困难 文献
［ —
１４ １５
］
提出利用影
算法逐块
提取流程
ＤＳＭ
，
像分块约束视差搜索范围 基于
ＳＧＭ
；
获取匹配结果 文献
［ ］
将已有的
１６
高程信
本文基于改进半全 局 匹配的高 分 遥感影像
ＤＥＭ
ꢀꢀ
，
息反算至核线影像 限制
：
、
算法的视差空间
生成方法主要包括 影像精确定向 核线影
ＳＧＭ
ＤＳＭ
。
大小 这两种方法在一定程度上解决了大像幅影
、
像生成 影像密集匹配和前方交会生成
个
ＤＳＭ４
ꢀ
，
像匹配时的难点问题 然而算法本身的计算效率
，
部分 流程如图 所示
１
。
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