面向结构化场景的直线特征提取匹配与光束法平差研究

发布时间：2020-09-19 18:11

【摘要】：在航空摄影测量的城市目标应用中,建筑物等结构化场景的三维结构模型和真正射影像获取占据重要的地位。目前基于点特征的摄影测量理论与技术较为成熟,几乎所有的摄影测量软件和应用处理都是基于点特征的,而基于线特征的摄影测量技术研究和应用相对较少。线特征具有点特征不具备的一些优点,在导航定位、结构轮廓获取和三维重建领域具有重要的应用价值。跟点特征一样,线特征的提取匹配和平差优化也是实现直线精确三维重建的基础和关键技术保障。特别是在城市三维建模和测图中,结构化物体轮廓的获取需要有长度完整、数量足够、坐标精确的线特征信息。直线的提取匹配是首要一步;在提取匹配结果的基础上进行平差解算是获得准确三维线段的重要环节。当前优秀的直线提取方法,提取速度快,效果也比较好。然而,几乎所有的直线提取算法都存在一个问题:直线容易被分段,即本应该是一条很长的直线因为局部微小的变化或干扰而被打断为很多短小的碎线段,这些杂碎的线段会导致数据量增加,使处理变得更加复杂。在利用倾斜摄影测量技术进行线段匹配时,由于宽基线大视角效应,常常只能获得非常少且正确率不高的匹配线段。虽然存在基于直线特征进行传感器位姿估计的研究,但是真正利用线特征进行光束法平差来实现传感器自动定姿定位和物方坐标精确获取的研究尚不存在。针对上述存在的几个关键问题,本文围绕如何在结构化物体轮廓上实现长度更完整、数量更多、定位更准确的优质三维线段获取进行展开,将从如下四个方面对上述问题进行解决和验证。(1)针对如何从根本上为三维线段重建提供更完整的二维线段数据源,提出了一种基于仿射不变性的直线提取改进方法。根据仿射相机模型从不同视角模拟相机投影,创造多余观测,对提取的线段集进行提纯和优化,获得更完整的直线段。试验结果表明:本文提出的方法使获得的线段长度大大增加,极大地降低了分段效应,可以获得更多数量的有用线段,同时减少了冗余。将改进后的直线提取结果应用到直线匹配中,可以得到更完整、更多数量、更高正确率的匹配线段。(2)针对如何为三维线段重建提供更多的正确匹配线段,提出了两种基于POS信息辅助的宽基线航空影像线段匹配方法。分别以仿射变换模型和透视变换模型纠正倾斜影像的变形,消除视角差异,从正形影像上进行匹配,以提高匹配的成功率和正确率。试验结果表明:本文提出的两种模型在不损失效率的情况下,匹配出的线段数量和正确率都有了极大的提升。同时,透视投影模型比仿射投影模型的提升效果更优。(3)为保证在控制点缺乏的情况下实现更精确的相机自动定姿定位和空间三维线段获取,提出了一种利用水平和竖直线约束的点线混合光束法平差方法。利用水平和竖直线条件约束建立非线性目标函数模型,进行自由网和绝对网平差优化处理。通过仿真和实测试验结果表明:在只有3个地面控制点的情况下,与无水平和垂直线约束的光束法平差方法相比,本文提出的利用线特征约束的方法使定位精度可以提高50%。(4)为验证(1)(2)(3)中提取匹配和平差方法的有效性,对建筑物边缘进行三维线段重建,并用于对真正射影像的质量改善中。试验结果表明:重建的三维线段可以有效地辅助三维点云解决建筑物边缘部位的锯齿拉花现象;也从另一方面说明了本文重建出了长度完整、数量足够并且坐标准确的优质三维线段。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P231
【图文】：

1 绪论1.1 选题的背景及意义1.1.1 研究背景本研究基于国家重点研发计划《无人航空器区域组网厘米级遥感观测数据的实时快捷精准处理技术》，国家自然科学基金《克服光束法平差病态奇异性的极坐标模型方法探索》，北京市科委项目《极坐标体系下新一代遥感高速成像处理系统》，为研发不同于传统直角坐标体系的摄影测量软件，即基于极坐标体系下的快速正射拼接软件。此软件包含了从特征匹配、畸变校正、空三平差、数字表面模型生成到最终的正射影像拼接模块，如图 1.1。研发历经一年半，已经形成了软件初级版本（目前只有光束法平差模块为极坐标体系）。本人负责的是三维表面模型生成和正射拼接模块。关于极坐标的介绍，请参考两篇博士论文[1-2]。

(a) LSD 提取效果 (b) EDLines 提取效果 (c) CannyLines 提取效果图 1.2 三种优秀直线提取方法的分段效应Fig.1.2 Segmentation Effect of Three Outstanding Line Extraction Methods很多时候并不希望出现太多的短线段。首先，短线段的几何特征不如长线段明显，很多时候不如长线段便于筛选；其次，短线段的定位精度会比长线段差，由端点的微小定位不准确而产生的影响会比长线段严重；另外，过多的碎线段会导致后期的计算量过大，并且加剧数据的模糊性和错误识别(比如在直线的匹配和三维重建中)。因此，如何解决影像结构直线的分段是一个难题，也具有重要的意义。1.2.2 直线特征的匹配直线特征作为一种比较明显的结构信息，通常同名直线可以提供比同名点更多的约束[38-40]。相对于点匹配，直线的匹配比较复杂，国内外学者对这方面的研究进行了一定的探索。直线的匹配不要求两条线段的首末端点对应一致，能够适用于遮挡环境，已经应用在机器人导航避障等领域中[41]。对于一些纹理缺乏的背景，特

abib 等人提出利用数字建筑模型（Digital Building Model，DBM）来提高城市正射影像质量[132]。周国清等针对已有真正射校正方法中出现的建筑物边界缺缘模糊、定位不准等问题，提出了一种基于 3D R-树结构的 CSG 模型方法来优质的建筑物模型，从而提高正射影像效果[133]。然而这些方法对于建筑物边锯齿扭曲改善是有限的。很多生产单位都是在作业后期利用 PhotoShop 将锯曲部位修整，以达到美观的效果[134-135]。如图 1.3 所示，两组数据取自不同类型的无人机影像，分别用国际商用摄影 PhotoScan 处理得到真正射影像。第一组影像选取一段高架桥截图，第二组影取的是居民区一房屋。图（a）和图（b）的左侧展示的是原始影像，图（a）（b）的右侧显示的是 PhotoScan 处理得到的真正射影像。可以明显发现，高笔直的边缘在正射校正后出现锯齿现象（图（a）右侧所示），房屋笔直的边缘射校正后出现扭曲现象（图（b）右侧所示），严重影响了真正射影像的质量。

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 缪君;储s

本文编号：2822842