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基于多视影像匹配模型的倾斜航空影像自动连接点提取及区域网平差方法
资料介绍
自动可靠地获取精确且均匀分布的连接点并进行区域网平差解算,是使用倾斜航空影像进行高精度测绘、三维信息提取和三维城市模型构建等应用的前提。本文提出了一种实用化的大重叠率倾斜航空影像的全自动连接点匹配和联合区域网平差方法。一方面,针对倾斜航空影像因遮挡严重、尺度变化大和几何变形严重而引起的同名点匹配困难问题,充分利用POS数据和平均飞行高度等初始数据,同时顾及这些数据的误差,通过有效组合一种改进的ASIFT算法和基于窗口的多角度多视影像匹配模型(WMVM),使用由粗到细的多分辨率分层匹配策略完成连接点的全自动提取;另一方面,在传统的最小二乘光束法平差的基础上,根据倾斜航空影像数据的特点,提出了基于稳健估值原理的粗差自动探测与剔除关键算法。最后,利用多组典型试验区域的倾斜航空影像数据试验结果验证了所提算法的可靠性、精度和实际性能。
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Ｖｏｌ．４６ Ｎｏ．５
第
卷
第
期
测
绘
学
报
ꢀ
４６
５
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，
Ｍａ ２０１７
ｙ
年
月
２０１７
５
ＡｃｔａＧｅｏｄａｅｔｉｃａｅｔＣａｒｔｏｒａ ｈｉｃａＳｉｎｉｃａ
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引文格式 张力 艾海滨 许彪 等 基于多视影像匹配模型的倾斜航空影像自动连接点提取及区域网平差方法
．
［］ ， ，
测绘学报
Ｊ ． ２０１７ ４６
（）：
：
／
５５４５６４．ＤＯＩ１０．１１９４７ ．Ａ Ｇ ＣＳ ．２０１７ ．２０１６０５７１ ．
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５
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，
，
，
ＺＨＡＮＧＬｉ ＡＩ Ｈａｉｂｉｎ ＸＵ Ｂｉａｏ ｅｔａｌ．Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｉｅ ｏｉｎｔＥｘｔｒａｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄｏｎ Ｍｕｌｔｉｌｅｉｍａｅ Ｍａｔｃｈｉｎ ａｎｄ Ｂｕｎｄｌｅ
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［］ ， ， （）：
ＡｄｕｓｔｍｅｎｔｏｆＬａｒｅＢｌｏｃｋｏｆＯｂｌｉｕｅＡｅｒｉａｌＩｍａｅｓＪ ．ＡｃｔａＧｅｏｄａｅｔｉｃａｅｔＣａｒｔｏｒａｈｉｃａＳｉｎｉｃａ２０１７４６５ ５５４５６４．ＤＯＩ
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１０．１１９４７ ．Ａ Ｇ ＣＳ ．２０１７ ．２０１６０５７１ ．
ｊ
基于多视影像匹配模型的倾斜航空影像自动连接点提取及区域网平
差方法
，
１２
，
１３
１
１
１
，
艾海滨
，
许
，
孙钰珊
，
董友强
张
力
彪
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，
中国测绘科学研究院 北京
１．
；
，
武汉大学测绘学院 湖北 武汉
１００８３０ ２．
；
中国 矿业 大学
４３００７９ ３．
（ ） ，
北京 地球科学与测绘工程学院 北京
１０００８３
ＡｕｔｏｍａｔｉｃＴｉｅ ｏｉｎｔＥｘｔｒａｃｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＭｕｌｔｉｌｅｉｍａｅＭａｔｃｈｉｎ ａｎｄＢｕｎｄｌｅ
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ＡｄｕｓｔｍｅｎｔｏｆＬａｒｅＢｌｏｃｋｏｆＯｂｌｉｕｅＡｅｒｉａｌＩｍａｅｓ
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１３
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，
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ＺＨＡＮＧＬｉ ＡＩＨａｉｂｉｎ ＸＵＢｉａｏ ＳＵＮＹｕｓｈａｎ ＤＯＮＧＹｏｕｉａｎ
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，
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，
，
；
１．ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍ ｏｆＳｕｒｖｅｉｎ ＆ Ｍａ ｉｎ Ｂｅｉｉｎ １００８３０ Ｃｈｉｎａ ２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＧｅｏｄｅｓ ａｎｄＧｅｏｍａｔｉｃｓ Ｗｕｈａｎ
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Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ Ｗｕｈａｎ４３００７９ Ｃｈｉｎａ ３．Ｃｏｌｌｅ ｅｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅａｎｄＳｕｒｖｅｉｎ Ｅｎｉｎｅｅｒｉｎ ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔ ｏｆＭｉｎｉｎ
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，
Ｂｅｉｉｎ １０００８３ Ｃｈｉｎａ
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ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ
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：
，
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｕｅｔｏａｄｖａｎｔａｅｓｓｕｃｈａｓｅａｓｅｏｆｉｎｔｅｒｒｅｔａｔｉｏｎ ｃｏｍｌｅｔｅｎｅｓｓｔｈｒｏｕｈｍｉｔｉａｔｉｏｎｏｆｏｃｃｌｕｄｉｎ
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ａｒｅａｓ ａｓｗｅｌｌａｓｓｓｔｅｍａｃｃｅｓｓｉｂｉｌｉｔ ｔｈｅａｅｒｉａｌｏｂｌｉｕｅｉｍａｅｓｈａｖｅｆｏｕｎｄｔｈｅｉｒ ｌａｃｅｉｎｎｕｍｅｒｏｕｓｃｉｖｉｌ
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ａ ｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒｆｏｒｔｈｅｓｅａ ｌｉｃａｔｉｏｎｓｈｉｈ ｕａｌｉｔ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｄａｔａａｒｅｅｓｓｅｎｔｉａｌ．Ａｆｕｌｌ ａｕｔｏｍａｔｉｃ
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ｔｉｅ ｏｉｎｔｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｒｏｃｅｄｕｒｅｉｓｄｅｖｅｌｏｅｄｔｏ ｒｅｃｉｓｅｌ ｏｒｉｅｎｔｔｈｅｌａｒｅｂｌｏｃｋｏｆｏｂｌｉｕｅａｅｒｉａｌｉｍａｅｓ ｉｎ
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（
）
ｗｈｉｃｈａｒｅｆｉｎｅｄＡＳＩＦＴａｌｏｒｉｔｈｍａｎｄａｗｉｎｄｏｗｂａｓｅｄｍｕｌｔｉｌｅｖｉｅｗｉｎ ｉｍａｅｍａｔｃｈｉｎ ＷＭＶＭ ｍｅｔｈｏｄ
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，
ａｒｅｃｏｍｂｉｎｅｄ．Ｉｎｔｈｉｓａ ｒｏａｃｈ ｔｈｅＷＭＶＭｍｅｔｈｏｄｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｎｃｅｔｏｆｍｕｌｔｉｉｍａｅｍａｔｃｈｉｎ ｕｉｄｅｄ
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ｆｒｏｍ ｏｂｅｃｔ ｓａｃｅ ａｎｄ ａｌｌｏｗｓ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ３Ｄ ｏｂｅｃｔｓ ｂ ｍａｔｃｈｉｎ ａｌｌ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｉｍａｅｓ
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ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌ ａｎｄａｓｕａｒｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｎｄｏｗｉｎｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｉｍａｅｃａｎｂｅｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈｗｉｎｄｏｗｓｏｆ
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，
，
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｚｅ ｓｈａｅａｎｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｅａｒｃｈｉｍａｅｓ．Ｔｈｅｎａｎｏｔｈｅｒｋｅ ａｌｏｒｉｔｈｍｓ ｉ．ｅ．ｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄ
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，
ｂｕｎｄｌｅａｄｕｓｔｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｒｏｓｓｅｒｒｏｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ＆ ｒｅｍｏｖａｌａｌｏｒｉｔｈｍ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄｆｏｒ
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，
ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌ ｏｒｉｅｎｔｔｈｅ ｏｂｌｉｕｅ ａｎｄ ｎｅａｒｌ ｖｅｒｔｉｃａｌｉｍａｅｓ ｗｉｌｌｂｅ ｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌ ｔｈｒｏｕｈｔｈｅ
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，
ｅｘｅｒｉｍｅｎｔｓｂ ｕｓｉｎ ｒｅａｌｏｂｌｉｕｅｉｍａｅｓｏｖｅｒｓｅｖｅｒａｌｔｅｓｔａｒｅａｓ ｔｈｅ ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄａｃｃｕｒａｃ ｏｆｔｈｅ
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ｒｏｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｉｓｓｔｕｄｉｅｄａｎｄ ｒｅｓｅｎｔｅｄ．
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： ； ； ；
Ｋｅ ｗｏｒｄｓ ｏｂｌｉｕｅａｅｒｉａｌ ｈｏｔｏｓ ｂｕｎｄｌｅａｄｕｓｔｍｅｎｔ ａｆｆｉｎｅｉｎｖａｒｉａｎｔｆｅａｔｕｒｅｄｅｔｅｃｔｏｒｆｅａｔｕｒｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ
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；
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ｍｕｌｔｉｌｅｉｍａｅｍａｔｃｈｉｎ
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：
（
）
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｕ ｏｒｔ ＴｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ Ｎｏ．４１２７１３７４
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： ，
要 自动可靠地获取精确且均匀分布的连接点并进行区域网平差解算 是使用倾斜航空影像进行高
摘
ꢀ
、 。
精度测绘 三维信息提取和三维城市模型构建等应用的前提 本文提出了一种实用化的大重叠率倾斜
。 ， 、
航空影像的全自动连接点匹配和联合区域网平差方法 一方面 针对倾斜航空影像因遮挡严重 尺度变
，
化大和几何变形严重而引起的同名点匹配困难问题 充分利用
，
数据和平均飞行高度等初始数据
ＰＯＳ
，
同时顾及这些数据的误差 通过有效组合一种改进的
算法和基于窗口的多角度多视影像匹配模
ＡＳＩＦＴ
（ ）， ； ，
使用由粗到细的多分辨率分层匹配策略完成连接点的全自动提取 另一方面 在传统的最
ＷＭＶＭ
型
， ，
小二乘光束法平差的基础上 根据倾斜航空影像数据的特点 提出了基于稳健估值原理的粗差自动探测
。 ，
与剔除关键算法 最后 利用多组典型试验区域的倾斜航空影像数据试验结果验证了所提算法的可靠
、
性 精度和实际性能
。
， ：
力 等 基于多视影像匹配模型的倾斜航空影像自动连接点提取及区域网平差方法
第
期
张
ꢀ
５
５５５
： ； ； ； ；
关键词 倾斜航空摄影 光束法最小二乘平差 仿射不变性特征提取算子 特征提取 多视影像匹配
：
：
Ａ
：
文章编号
１００１１５９５２０１７０５０５５４１１
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（
）
中图分类号
文献标识码
Ｐ２３７
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－
－
－
：
基金项目 国家自然科学基金
（
）
４１２７１３７４
，
较大关注 与
、
ＳＩＦＴ ＭＳＥＲ
，
等相比较
ＡＳＩＦＴ
倾斜航空摄影技术是国际测绘领域近些年发
算
ꢀꢀ
，
展起来的一项新技术 极大地扩展了遥感影像的
、 、
法在对图像旋转 尺度缩放 光照变化上具有更强
［
］
。
［ ］
１８
１４
－
。 ，
然而 由于该算法采用近似于穷举
应用领域
使用倾斜航空影像进行高精度测
绘 三维信息提取和三维城市模型构建等应用首
先要解决如何精确计算倾斜航空影像的外方位元
的稳健性
、
，
法来模拟两个相机轴定向参数 对两幅图像通过
，
一系 列 的 仿 射 变 换 得 到 两 组 图 像 序 列 再 利 用
， ，
素的问题 这通常是经过摄影测量区域网平差 即
，
算法对 两 组 图 像 序列 进 行 特 征 匹 配 计 算
ＳＩＦＴ
。
空三加密 过 程 解 决 的 而 如 何利 用 影 像匹配 算
，
复杂度极高而效率很低 对于海量的航空倾斜影
， “ ”
法 可靠而又精确地获取具有足够 光线束 且在
，
像 且每个影像像素都达千万级的影像此算法难
，
影像中尽量均匀分布的连接点用于平差解算 是
。
以满足实际的应用需求
针对现有方法存在的问题 本文提出了一种
实用化的倾斜航空影像全自动连接点匹配和联合
。
涉及自动空三加密过程的一个关键问题 与传统
，
，
的近似垂直航空影像相比 倾斜航空影像之间存
、 、 、
在地物几何变形 分辨率差异 影像旋转 地物相
。 ，
区域网平差方法 首先 充分利用
数据和平
ＰＯＳ
，
互遮挡等问题 传统基于灰度和多数基于特征的
影像匹配算法在应用于倾斜航空影像时成功率和
，
均飞行高度数据 避免了现有大多数算法所采用
“ ” “ ”、
的类似于 盲搜索 和 穷举法 预先纠正倾斜视
，
可靠性大大降低 甚至失败
。
； ，
影像等耗时且稳健度低的缺陷 其次 针对倾斜航
，
目前 国内外针对倾斜航空影像中连接点的
，
空影像因遮挡严重 尺度和光照变化大而引起的
［
］
５１０
。
－
，
同名点匹配困难 在充分利用
自动提取已经开展了大量研究
其中常用的
系统提供的初
ＰＯＳ
， ，
始外方位元素的基础上 顾及其误差 组合使用改
一类方法是在影 像 中提 取 具 有 仿射 不 变 性的区
， ，
域 建立描述子然后再进行匹配 包括基于
、
ＳＩＦＴ
进的 算法和基于窗口的多角度多视影像
ＡＳＩＦＴ
、
ＭＳＥＲ ＨａｒｒｉｓＡｆｆｉｎｅ ＆ＨｅｓｓｉａｎＡｆｆｉｎｅ
－
，
匹配算法 并采用由粗到细的多分辨率分层匹配
等 仿 射
－
ꢀ
［ ，
］
７１１１５
，
－
； ，
策略得到最终的自动转点结果 最后 利用典型试
不变特征算子的类似算法
点是一般基于影像间的两两匹配 且对大倾角倾
这类方法的 缺
，
验区域的倾斜航空影像数据针对算法的性能进行
。
斜影像的匹配效果不好 另一类方法则是利用基
算子的匹配算法对原始影像像
，
了试验 试验结果验证了所研发的算法的可靠性
、
。
精度和实际性能
于
或
ＳＩＦＴ ＭＳＥＲ
、
Ａ Ｂ
对
先 进 行 粗 匹 配 得 到 一 定 数 量 的 同 名 点
倾斜航空影像几何成像模型分析及区域
１
ꢀ
，
对 再计算出两幅影像之间的一个关系矩阵
。
Ｈ
网平差
，
然后以影像 为参考影像 利用
Ｂ
矩阵对影像
Ａ
Ｈ
，
对校正影像
Ａ′
进行纠正得到校正影像
和影
Ａ′
当前几乎所有的倾斜航摄系统都是多相机系
ꢀꢀ
，
匹配 再将校正影像
，
统 且配备一个
，
系统获取姿态 对于这类多
像
进行
上匹配出
Ａ′
Ｂ
ＳＩＦＴ
ＰＯＳ
［］
６
：
。
，
相机系统 区域网平差可以采用以下 种方式
３
的特征点反算到原始影像
上
该类方法及其
Ａ
［
，
１１１６１７
－
］
，
被广泛采用 但其结果严重依赖
——— ，
无约束 的 联 合 定 向 方 式 即 每 景
１
改进版本
方法
，
于初始匹配点的分布和匹配正确率 尚难以保证
，
影像都使用独立的外方位元素 对于相同相机拍
。
匹配效果 目前
，
。
摄的影像使用共同的内方位元素 这种方式没有
加入诸如影像之间的相对姿态等的约束
算法因具备完全的仿射
ＡＳＩＦＴ
不变性且对大倾角倾斜影像的匹配效果较好得到
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ｉ
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） （
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（
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＝－
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Ｘ－Ｘ０ｎ Ｒ１３＋ Ｙ－Ｙ０ｎ Ｒ２３＋ Ｚ－Ｚ０ｎ Ｒ３３
（
）
（
）
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（）
１
烍
Ｚｘ
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ｉ
ｉ
） （
Ｘ－Ｘ０ｎ Ｒ１２＋ Ｙ－Ｙ０ｎ Ｒ２２＋ Ｚ－Ｚ０ｎ Ｒ３２
（
）
（
）
－ ｎ ＝－
ｙ ｙ０
＝－
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ｉ
ｉ
ｉ
） （
Ｘ－Ｘ０ｎ Ｒ１３＋ Ｙ－Ｙ０ｎ Ｒ２３＋ Ｚ－Ｚ０ｎ Ｒ３３
（
）
（
）
Ｎ
烎
式中
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