空地影像联合定向研究

 摘 要
随着摄影技术的进步，摄影测量与遥感技术迅猛发展，传感器变得多元化。除了传统的航空摄影，地面近景摄影开始走入中兴阶段，越来越多的被运用到工业生产和生活服务中。同时，科技的发展，使得近景影像的获取变得大众化普遍化，人们对定位服务的需求开始增多，除去工业生产和三维建模时不需要考虑影像定位的问题，对地面拍摄的近景影像进行绝对定向具有很大意义。
本文针对近景影像绝对定向的问题，提出了联合机载航空影像（含无人机）与地面手持拍摄影像进行定位的技术手段，即以航空影像为基准，对地面影像进行定向，也就是确定地面影像在航空影像物方空间坐标系下的位置。该技术方案主要解决了以下四个问题：
1.航空影像解析处理。对航空影像进行空中三角测量，获得影像的外方位元素，为地面影像绝对定向提供控制点。这其中使用的主要技术有最小二乘影像匹配及光束法空中三角测量。
2.近景影像自由网平差处理。即在无控制点的情况下，建立无绝对位置信息的自由网，恢复影像间的相互位置关系。其中用到的主要技术有SIFT算子影像匹配及基于赫尔默特方差估计的自由网平差算法。
3.近景影像绝对定向。绝对定向控制点的物方坐标由航空影像计算获得，模型坐标采用前方交会的方法计算。不同于传统的航空影像绝对定向，近景影像绝对定向时存在旋角大的问题，对此，采取基于单位四元数的绝对定向解法，解决了初始值难确定的问题。
4.空地影像联合解算。将前面获得的航空影像和地面影像在地理空间坐标系下的外方位元素和物方点坐标作为初值，进行统一的光束法平差空中三角测量解算，得到地面影像外方位元素严密解，恢复其在地理空间坐标系下的位置和姿态。
依据此方案，本文采用两组数据分别进行实验，获得了较好的实验效果，证明了该方案的有效性和可行性。

关键词：航空影像 地面近景影像 光束法平差 自由网平差 绝对定向
目 录
摘 要 I
Abstract II
1. 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.2.1 航空影像空中三角测量技术的发展 2
1.2.2 地面近景影像处理 3
1.2.3 光束法平差技术的发展 4
1.2.4 地面影像绝对定向发展现状 5
1.3本文的主要研究内容、技术路线 6
2. 影像定向关键技术 8
2.1影像匹配 8
2.1.1 最小二乘影像匹配 8
2.1.2 SIFT算法影像匹配 11
2.2多片空间前方交会 16
2.2.1 像点空间坐标变换 16
2.2.2 共线条件方程 17
2.2.3 基于共线条件方程的影像解析处理 18
2.2.4 多片前方交会 19
2.3空中三角测量 21
2.4自由网光束法平差 23
2.4.1 自由网平差原理 23
2.4.2 平差基准 24
2.4.3 自由网平差的几种解法 25
2.5本章小结 27
3. 空地影像联合定向 28
3.1两种影像数据特点 28
3.2航空影像解算 29
3.2.1 空中三角测量流程 29
3.2.2 光束法空中三角测量 30
3.3近景摄影测量的自由网拟稳平差 32
3.3.1自由网拟稳平差基准的建立 32
3.3.2基于赫尔默特方差估计的自由网平差 34
3.4近景影像绝对定向 35
3.4.1绝对定向基本关系式 36
3.4.2 基于单位四元数的绝对定向 36
3.5 空地影像联合定向 39
3.5.1方案设计 39
3.5.2技术流程 40
3.6本章小结 44
4. 联合定向实验 45
4.1青海油田影像定向 45
4.1.1 实验数据 45
4.1.2航空影像空中三角测量 45
4.1.3地面影像自由网平差 49
4.1.4 多片前方交会 51
4.1.5 地面影像绝对定向 53
4.1.6 空地影像联合定向效果 54
4.2天津街区影像定向 57
4.2.1 实验数据 57
4.2.2航空影像空中三角测量 57
4.2.3地面影像自由网平差 58
4.2.4 多片前方交会 59
4.2.5 地面影像绝对定向 60
4.2.6 空地影像联合定向效果 60
4.3实验结果分析 62
4.4 本章小结 62
5. 结论与展望 64
5.1 论文总结 64
5.2 研究展望 64
参考文献 66
致 谢 70
随着现代科学技术的飞速发展，数码相机、手机等电子产品已经拥有庞大的用户群体，摄影摄像技术的普及和进步给我们摄影测量行业带来了更多新的突破和挑战。摄影测量的工具已经慢慢由原始走向数码，由传统走向现代，由庞大走向轻便，由航空扩展到地面，由复杂趋于简单。
摄影测量学的基本任务是由获得的影像数据出发，重建相应的物方目标的三维信息。近景摄影测量是摄影测量的一个重要分支，它采取与航空摄影测量不同的摄影手段对目标地物的外形和运动状态进行测定，但不包含地形的测量。近景摄影测量较之其他的三维量测手段有很大的不同，与传统的机载航空摄影相比，获取影像更加方便快捷，省去了复杂的高空拍摄的过程；但是，由于使用的拍摄工具的影响，其缺陷是不能获取质量合格的影像，相片变形大，且拍摄地区往往有很少或者没有控制点，这就需要其他测量方法来进行后期辅助解算。
尽管多种多样的摄影工具纷纷出现，航空摄影测量依然是生产中主要使用的摄影手段之一，相当一部分的地表已获取了机载航空影像或者卫星遥感影像。然而，地面拍摄影像和手持拍摄影像并不像航空影像那样排列井然有序、便于识别目标位置，且具有较高的重叠度。所以，在现有数据的基础上，我们可以利用已经获取的航摄相片作为基准，提供控制信息，对地面拍摄影像进行绝对定向。
航空摄影部分是传统摄影测量研究的主体，发展到现在，已经建立了一套完整的理论体系，也有了很多成熟的现代摄影测量软件及工作站，由原始的摄影测量数据经过一系列规范的处理流程，生产出我们需要的4D产品，数字矢量地图、数字高程模型、数字正射影像等。利用高精度的具有地理坐标的数字正射影像和数字高程模型，可以方便地获取地面上各个目标点的三维位置信息，作为地图服务。这一方案恰恰解决了地面近景影像控制信息难获取的问题，简化了实地控制信息采集这一步骤，并且很好的利用了现有资源。因此，如何在已有的航空影像的基础上，对地面近景影像进行定位，将是本文主要讨论的内容。
目前，近景影像主要还是用于工业生产和三维建模中，很少提及到空间绝对位置确定的问题，然而，随着科技的进步和大众生活水平的提高，人们对定位服务需求越来越多，加上手机和相机的普及，近景影像的获取变得大众化普遍化，因此对地面拍摄的近景影像进行绝对定位具有很大意义，也会成为以后技术发展的一个趋势。
地面近景影像由于其拍摄方位的特殊性，不同于常规摄影测量绝对定向，两坐标系间旋转角度通常较大，一部分学者对此进行了研究，并提出了很多解决方案。
Berthold K. P. Horn提出了基于单位四元数的近景影像绝对定向方案，采用单位四元数代替传统摄影测量使用欧拉角表示的旋转矩阵，解决了迭代计算时旋转角度初值无法获取的问题[12]。信息工程大学的江刚武教授在此基础上提出了基于单位四元数的绝对定向直接解法[11]。该算法无需迭代、直接解求绝对定向参数，用单位四元数描述坐标旋转变换关系,将绝对定向问题转变为一个最优化问题进行求解，并通过模拟数据进行仿真计算试验, 验证了算法的正确性和可靠性。
武汉大学张永军[57]在现有绝对定向算法上提出了一种适合大旋转角影像的绝对定向方法, 采用奇异矩阵分解获取较准确的角元素初值, 并结合最小二乘平差进行粗差剔除和绝对定向精确参数解算。并通过试验说明该算法计算简单、收敛速度快。
另外，张剑清[58]等依据灭点理论，在传统的单模型绝对定向中引入铅垂线约束条件,定向精度与传统的基于控制点的绝对定向精度相当,并能减少所需的控制点数以及定向精度对控制点分布的依赖性。张祖勋[59]等提出了提出了基于直线特征的影像自动绝对定向，用直线特征代替控制点信息，通过分析物方空间上的直线与相应影像上直线的成像几何关系，利用自动道路提取的结果，为直线后方交会提供观测值，进而进行自动单像绝对定向。
1.3本文的主要研究内容、技术路线
本文将结合航空摄影和地面摄影这两种不同拍摄模式下获取的同一地区的影像数据进行地面影像的定向研究，提出了基于航空影像作为控制信息的地面影像绝对定向的方法，并理论联系实际，通过两组各有异同的实验，进行了航空影像与地面影像的联合定向实验。本文的整体技术路线设计如下：
1、通过最小二乘影像匹配、空中三角测量对机载拍摄的影像进行解析处理，从而获得航空影像外方位元素。
2、通过对地面近景影像进行自由网平差，获得影像在自由网模型坐标系下的位置和姿态关系。
3、选取地面影像与航空影像共有的显著特征点作为控制点，对地面影像进行绝对定向，获得地面近景影像在地理空间坐标系下的初始外方位元素和物方点坐标值。
4、对地面影像和航空影像进行联合空中三角测量，采用光束法平差严密解算，得到精确的影像外方位元素，即得到了地面近景影像在地理空间坐标系下的位置和姿态角。
本文结构安排如下：
第一章，绪论，介绍了本文的研究背景和研究意义及国内外发展现状，简要概述了本文的主要研究内容和技术路线。
第二章，阐述了影像定向处理过程中用的关键技术，包括影像匹配、空中三角测量、前方交会及自由网平差等。
第三章，阐述了空地影像联合定向的技术方案和指导思想，详细剖析了该方案中需要用到的重要步骤及关键技术。
第四章，理论联系实际，通过两组定向实验，完成了地面影像的绝对定向，证明该方案具有可行性。
第五章，总结及展望。总结了本文所研究的几点内容，并得出结论，指出实验过程中遇到的问题和需要改进的技术。