專利名稱：一種城市低空無人機(jī)系統(tǒng)生成數(shù)字正射影像圖的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種城市低空無人機(jī)系統(tǒng)生成數(shù)字正射影像(DOM)方法，屬于航空?qǐng)D像處理技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用于城市低空無人機(jī)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
城市低空無人機(jī)系統(tǒng)，即利用先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、傳感器技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，智能化、專業(yè)化、快速、低成本獲取城市國(guó)土、規(guī)劃、 環(huán)境等空間遙感信息，并完成遙感數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用分析的技術(shù)系統(tǒng)，具有機(jī)動(dòng)、快速、高效、 經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)。由于城市低空無人機(jī)系統(tǒng)獲取的影像有像幅小、重疊度大、像片旋角超限和航測(cè)比例尺不一致等不利特點(diǎn)，特別是存在地物遮擋、陰影現(xiàn)象，給后期城市影像解譯和判讀帶來諸多困難，且城市無人機(jī)系統(tǒng)獲取的影像噪聲現(xiàn)象嚴(yán)重，這些因素極大地掩蓋了系統(tǒng)的高效、快速和高精度處理等優(yōu)點(diǎn)。城市影像后期處理困難重重，嚴(yán)重限制了低空無人機(jī)系統(tǒng)在城市中的應(yīng)用。同時(shí)城市低空無人機(jī)影像具有分辨率高的優(yōu)勢(shì)，高分辨率城市影像在城市國(guó)土、 規(guī)劃、環(huán)境等領(lǐng)域具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值，是普通城市航空和航天遙感所無法企及的。數(shù)字正射影像(DOM)具有地圖的幾何特征和影像特征，是由數(shù)字高程模型(DEM) 進(jìn)行微分糾正生成的，DEM的精度直接影響著DOM最終成果的精度。傳統(tǒng)的DEM采集主要是利用地形圖進(jìn)行數(shù)字化把等高線錄入計(jì)算機(jī)，或者將地形圖經(jīng)掃描輸入計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行屏幕數(shù)字化生成等高線。一般來說，DEM的這種采集方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，并且很容易出現(xiàn)輸入錯(cuò)誤。經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的地區(qū)，地形圖很難反映當(dāng)前的地形現(xiàn)狀，利用它生成的DEM就不具有時(shí)效性。隨著航空、航天遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器的性能不斷提高，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法成為快速獲取DEM的主要手段。利用常規(guī)的攝影測(cè)量方法來進(jìn)行4D產(chǎn)品GD :DEM、D0M、DLG、DRG)的生產(chǎn)，市面上現(xiàn)有的軟件有全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站(VirtuoZo，JX-4)，單片微分糾正軟件(Geoway D0M) 或多項(xiàng)式糾正軟件(Geoway)，以及 ERDAS 的 LPS (Leica Photogrammetry Suite)，PCI，ENVI 等遙感與地理信息系統(tǒng)軟件等。以LPS軟件為例來說明制作DEM并生成DOM的傳統(tǒng)制作流程。在LPS中首先進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算，得到每張影像的外方位元素，經(jīng)過影像匹配生成大量同名點(diǎn)并計(jì)算對(duì)應(yīng)地面點(diǎn)坐標(biāo)XYZ值，借助激光雷達(dá)(簡(jiǎn)稱LiDAR)點(diǎn)云濾波方法，得到測(cè)區(qū)的DEM，通過對(duì)原始影像微分糾正獲得D0M。以上這些軟件主要處理的是大像幅影像或者高分辨率(0. 6米 5米)衛(wèi)星影像， 對(duì)于低空無人機(jī)遙感平臺(tái)獲取的超高分辨率(分辨率為0. 08 0. 2米)遙感影像，生成的 DEM很難滿足精度要求。并且對(duì)于城市地區(qū)而言，具有密集的建筑物和植被區(qū)，大量的匹配點(diǎn)位于房屋的頂部以及植被的頂部，由此結(jié)果計(jì)算得到的是數(shù)字表面模型DSM，不是需求的 DEM，因此必須對(duì)影像匹配的結(jié)果進(jìn)行修正，將房頂上和樹上的點(diǎn)降低到地面上來，從而獲
3得真正的DEM。但是一般的軟件只是簡(jiǎn)單的濾波，并不能達(dá)到理想的效果，其生成的DEM達(dá)不到所要求的精度。再者傳統(tǒng)的DEM修測(cè)采用立體觀測(cè)與量測(cè)，逐點(diǎn)地修正錯(cuò)誤的高程點(diǎn)， 效率比較低。數(shù)字正射影像(DOM)是由DEM進(jìn)行微分糾正生成的，因此DEM的質(zhì)量直接決定DOM 的質(zhì)量。其次對(duì)于無人機(jī)航空攝影測(cè)量獲取的影像片幅小，獲取一定范圍的正射影像，需要進(jìn)行影像鑲嵌和勻光勻色等處理?，F(xiàn)有的一些影像處理方法只是針對(duì)衛(wèi)星或中空航空影像進(jìn)行處理，并未對(duì)低空， 特別是城市低空獲取的低空高分辨率影像進(jìn)行有效的相關(guān)處理。例如對(duì)于城市地區(qū)建筑物林立的情況，其拼接線需要大量的人工調(diào)整和修測(cè)。并且進(jìn)行城市地區(qū)數(shù)字影像糾正時(shí)，由于人工建筑物等沒有經(jīng)過有效的微分糾正，正射影像圖上存在建筑物向不同方向傾斜的問題，這種傾斜必然帶來地物遮擋現(xiàn)象，尤其是高大建筑物帶來的遮擋問題更是突出，對(duì)正射影像圖上影像信息的判讀帶來了很大的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是提供一種城市低空無人機(jī)系統(tǒng)生成數(shù)字正射影像方法，能夠充分利用城市低空獲取影像的高分辨率優(yōu)勢(shì)，高效精確地生產(chǎn)D0M。本發(fā)明包括如下技術(shù)方案一種城市低空無人機(jī)系統(tǒng)生成數(shù)字正射影像圖的方法，包含以下步驟數(shù)據(jù)資料準(zhǔn)備，數(shù)據(jù)資料包括控制點(diǎn)資料、相機(jī)檢校文件、姿態(tài)資料；影像的空中三角測(cè)量，生成核線影像；影像匹配，生成數(shù)字表面模型(DSM)；基于城市建筑物特征構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN) 和數(shù)字高程模型(DEM)內(nèi)插；數(shù)字微分糾正生成數(shù)字正射影像圖(DOM)；城市低空數(shù)字正射影像圖鑲嵌，包括拼接線選擇、勻光勻色、邊界裁切。影像匹配，引用垂直線估計(jì)算法(簡(jiǎn)稱VLL)追加定向點(diǎn)實(shí)現(xiàn)密集點(diǎn)云生成，生產(chǎn) DSM ；通過城市建筑物立體觀測(cè)與量測(cè)方式獲取特征線，并約束DSM構(gòu)建TIN，內(nèi)插獲取DEM ； 對(duì)高重疊度的影像裁切15%進(jìn)行DOM的鑲嵌。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于(1)本發(fā)明針對(duì)城市低空高分辨影像數(shù)據(jù)處理的效率低、難度大、精度低、效果差等特點(diǎn)，對(duì)常規(guī)航空航天影像數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn)操作，以此適應(yīng)城市低空高分辨影像處理的特點(diǎn)，能夠有效指導(dǎo)城市無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)的作業(yè)。(2)采用城市低空無人機(jī)系統(tǒng)獲取的分辨率為0. 1米的正射影像對(duì)城市大比例尺地形圖進(jìn)行生產(chǎn)和更新，精度達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 1000地形上單點(diǎn)定位的絕對(duì)精度要求(士0.5米)。(3)采用城市低空無人機(jī)系統(tǒng)獲取的分辨率為0. 2米的正射影像對(duì)城市大比例尺地形圖進(jìn)行生產(chǎn)和更新，精度也能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 2000地形上單點(diǎn)定位的絕對(duì)精度要求(士 1.0米)。


圖1為本發(fā)明的一種城市低空無人機(jī)系統(tǒng)生成DOM的方法流程圖。圖2為本發(fā)明VLL影像匹配原理圖。
圖3為本發(fā)明基于建筑物特征線的構(gòu)建TIN示意圖。
具體實(shí)施例方式(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備城市低空無人機(jī)系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)有控制點(diǎn)資料、相機(jī)檢校文件、獲取的數(shù)字影像和與數(shù)字影像對(duì)應(yīng)的POS、IMU數(shù)據(jù)。需要對(duì)這些數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行檢查。(2)空三加密空三加密根據(jù)控制點(diǎn)資料、數(shù)字影像和數(shù)字影像對(duì)應(yīng)的POS、IMU (即姿態(tài)數(shù)據(jù))數(shù)據(jù)，求出每張相片的內(nèi)外方位元素。(3)生成核線影像根據(jù)空三加密成果，進(jìn)行實(shí)時(shí)核線影像計(jì)算和核線影像重采樣，生成核線影像。(4)創(chuàng)建立體模型建立立體觀測(cè)和量測(cè)環(huán)境，并依據(jù)生成的核線影像，創(chuàng)建立體像對(duì)的立體模型。(5)立體采集建筑物特征線在建立的立體模型下，采用雙目視覺原理，進(jìn)行建筑物特征線的立體采集。(6)影像匹配，生成數(shù)字表面模型(DSM)本發(fā)明采用高斯金字塔影像匹配策略，構(gòu)建影像分辨率由低到高的金字塔影像層影像金字塔，從而減少數(shù)據(jù)的運(yùn)算量，提高影像匹配的效率，提高匹配精度，然后相應(yīng)的形成由粗到精的影像匹配方案。a.構(gòu)建高斯金字塔圖像的高斯金字塔分解是通過依次對(duì)低層圖像與具有低通特性的一定大小窗口函數(shù)W(m，η)進(jìn)行卷積，再把卷積結(jié)果作隔行隔列的降2采樣來實(shí)現(xiàn)。假設(shè)要構(gòu)建N級(jí)高斯金字塔，將原始影像作為高斯金字塔的最底層G。，其金字塔影像序列分別為(；。、&、…(V 其中金字塔第L層&可由低一級(jí)圖像Gm由下式產(chǎn)生
其中[]丨2表示抽??；*表示卷積算子；w表示高斯卷積核，w中各元素的和必須等于1。由金字塔構(gòu)建的特征可以看出，相鄰上級(jí)與下級(jí)之間的運(yùn)算都是利用上面公式得到的，于是可定義一個(gè)函數(shù)REDUCE0來形象表示Gl = REDUCE (Gl^1)對(duì)于第L層中的具體像素點(diǎn)(i，j)的灰度值的計(jì)算可以通過加權(quán)平均的形式來求得，即
2 權(quán)利要求
1.一種城市低空無人機(jī)系統(tǒng)生成數(shù)字正射影像圖的方法，其特征在于包含以下步驟(1)數(shù)據(jù)資料準(zhǔn)備，數(shù)據(jù)資料包括控制點(diǎn)資料、相機(jī)檢校文件、姿態(tài)資料；(2)影像的空中三角測(cè)量，生成核線影像；(3)影像匹配，生成數(shù)字表面模型(DSM)；(4)基于城市建筑物特征構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)和數(shù)字高程模型(DEM)內(nèi)插；(5)數(shù)字微分糾正生成數(shù)字正射影像圖(DOM)；(6)城市低空數(shù)字正射影像圖鑲嵌，包括拼接線選擇、勻光勻色和邊界裁切。
2.如權(quán)利要求1所述的一種城市低空無人機(jī)系統(tǒng)生成數(shù)字正射影像圖的方法，其特征在于，所述步驟(3)中的影像匹配，采用高斯金字塔影像匹配策略，構(gòu)建影像分辨率由低到高的金字塔影像層，在低級(jí)別影像層上采用最小二乘影像匹配算法，作為高級(jí)別影像層的初始值，并且在高級(jí)別影像層上采用相關(guān)系數(shù)匹配算法，以此生成DSM。
3.如權(quán)利要求1所述的一種城市低空無人機(jī)系統(tǒng)生成數(shù)字正射影像圖的方法，其特征在于，所述步驟(4)首先提取城市DEM約束特征線，然后根據(jù)城市DEM約束特征線進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)的構(gòu)建，通過特征線內(nèi)部的高程點(diǎn)不參與構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，并進(jìn)行數(shù)字高程模型(DEM)內(nèi)插，從而獲取真正的地面高程點(diǎn)DEM。
4.如權(quán)利要求1所述的一種城市低空無人機(jī)系統(tǒng)生成數(shù)字正射影像圖的方法，其特征在于，所述步驟(6)利用微分糾正對(duì)城市高重疊度高分辨率影像進(jìn)行正射糾正，同時(shí)進(jìn)行 15%邊界裁切，只保留中心一定區(qū)域的影像，最后對(duì)生成的正射影像進(jìn)行鑲嵌。
全文摘要
一種城市低空無人機(jī)系統(tǒng)生成數(shù)字正射影像圖的方法，包含以下步驟數(shù)據(jù)資料準(zhǔn)備，數(shù)據(jù)資料包括控制點(diǎn)資料、相機(jī)檢校文件、姿態(tài)資料；影像的空中三角測(cè)量，生成核線影像；影像匹配，生成數(shù)字表面模型(DSM)；基于城市建筑物特征構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)和數(shù)字高程模型(DEM)內(nèi)插；數(shù)字微分糾正生成數(shù)字正射影像圖(DOM)；城市低空數(shù)字正射影像圖鑲嵌，包括拼接線選擇、勻光勻色、邊界裁切。本發(fā)明能夠充分利用城市低空獲取影像的高分辨率優(yōu)勢(shì)，高效精確地生產(chǎn)DOM。
文檔編號(hào)G01C11/00GK102506824SQ201110311259
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月14日
發(fā)明者張峰, 解婓斐, 郝勝勇 申請(qǐng)人:航天恒星科技有限公司