CN105405135A - 基于基本配置点的两步法摄影物点、像点自动匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于基本配置点的两步法摄影物点、像点自动匹配方法，可有效解决不依赖编码标志而实现摄影物点和像点的快速自动匹配的问题，方法是，本发明解决的技术方案是，先利用像素最大的2个大标志圆及其边缘分布的3个小标志圆组成的5个特征点计算摄站概略外方位元素值，然后利用已知物点坐标信息反算对应像点的概略像点坐标，解算像点坐标与软件提取像点坐标进行比较，利用阈值，实现摄影物点与像点的自动快速匹配，本发明方法简单、可靠，易操作，效果好，工作效率高，匹配准确率高，有实际应用价值。

Description

基于基本配置点的两步法摄影物点、像点自动匹配方法

技术领域

本发明涉及摄影测量领域，特别是一种基于基本配置点的两步法摄影物点、像点自动匹配方法。

背景技术

共线条件方程是摄影测量计算的基础，共线条件方程构建的前提是实现摄影物点和像点的匹配。在航空及航天摄影测量中，地面控制点数量有限，一般采用事后处理、人工匹配方法。在数字近景摄影测量中，常利用编码标志实现摄影物点和像点的自动匹配。目前应用广泛的编码标志主要分为同心圆环型(图1中的a和b)和点分布型(图1中的c和d)，根据编码规则，编码标志的容量为几十个至数百个。由于近景摄影测量摄影距离一般较近(几米至几十米)，编码标志尺寸一般较小，边长一般在几厘米至十厘米之间，尺寸具体数值与相机参数及摄影距离相关。

在一些特殊应用场合，当摄影距离增加时，为保证一定的椭圆拟合精度，通常需要增大摄影标志尺寸。当摄影标志数量有限而又不便于布设大尺寸编码标志时，则需要考虑建立一套不依赖于编码标志的摄影物点与像点自动匹配方案，这也是出发点，但如何实现摄影物点、像点自动匹配至今未见有公开报导。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种基于基本配置点的两步法摄影物点、像点自动匹配方法，可有效解决不依赖编码标志而实现摄影物点和像点的快速自动匹配的问题。

本发明解决的技术方案是，先利用像素最大的2个大标志圆及其边缘分布的3个小标志圆组成的5个特征点计算摄站概略外方位元素值，然后利用已知物点坐标信息反算对应像点的概略像点坐标，解算像点坐标与软件提取像点坐标进行比较，利用阈值，实现摄影物点与像点的自动快速匹配，方法是：

(1)对拍摄图像进行阈值分割和椭圆拟合，获得标志成像椭圆中心的像点坐标和椭圆短半轴长度的像素数；

(2)根据图像椭圆短半轴长度的像素数，像素数最大的为大标志的成像，判断出对应的像点，实现像片的定向；

(3)求取两个大标志与其它标志之间距离的像素数，实现基本配置标志的自动匹配；

(4)利用标志的物方和像方坐标信息，通过单像空间后方交会方法解算得到图像拍摄瞬间的相机的6个外方位元素的位置和姿态参数概值，用计算机实现基本配置标志的自动匹配；

(5)利用相机外方位元素概值与已知物点坐标，除5个基本配置点外，解算得到其余物点的概略像点坐标；

(6)将步骤(1)利用计算机软件拟合得到的标志图像中心像点坐标与步骤(5)解算的概略像点坐标进行比较，两个方向上的差值均在25个像素以内时，为摄影物点与该像点为对应匹配；

(7)根据标志库内编号数据为对应像点进行编号，由计算机完成摄影物点与像点的快速自动匹配。

本发明方法简单、可靠，易操作，效果好，工作效率高，匹配准确率高，有实际应用价值。

附图说明

图1为本发明典型编码标志类型示意图；

图2为本发明的摄影标志示意图；

图3为本发明摄影标志布设情况图；

图4为本发明阈值分割算法执行情况图；

图5为本发明椭圆拟合算法执行情况图。

具体实施方式

以下结合附图和具体情况对本发明的具体实施方式作详细说明。

图2为设计的摄影标志示意图，如图3所示进行摄影标志布设，图3中8号、11号点为大标志，其余为正常标志，标志尺寸大小视拍摄距离和相机配置而定，遵循摄影测量规律。7、8、9、11、14号点为基本配置标志，其余标志可在摄影视场内按照实际条件进行布设，拍摄像片若包含5个基本配置标志图像则为有效像片，首先是摄站外方位元素的摄影瞬间相机的位置和姿态概值计算，利用拍摄识别的5个基本配置标志通过空间后方交会方法获得；其次是利用摄站外方位元素概值和地面标志的物方坐标反求标志点的概略像点坐标，将所求概略像点坐标与软件提取像点坐标进行比较，阈值作为摄影物点是否与像点匹配的条件，由计算机实现物点与像点的自动匹配，其具体步骤如下：

(1)对拍摄图像由计算机进行阈值分割算法(图4为算法执行情况示例)和椭圆拟合算法(图5为算法执行情况示例)，获取标志成像椭圆中心的像点坐标和椭圆短半轴长度的像素数；

(2)根据图像椭圆短半轴长度的像素数，像素数最大的两个为2个大标志的成像，判断出对应的8号像点和11号像点，实现像片的定向；

(3)求取两个大标志与其它标志之间距离的像素数，与11号像点距离最近的点为14号点，垂直8号像点和11号像点连线方向上的距离最近点分别为7号像点和9号像点，由计算机实现7号、8号、9号、11号、14号像点5个基本配置标志点的自动匹配；

(4)利用5个标志的东北天坐标系(X、Y、Z)和像平面坐标系(x，y)，东北天坐标系称物方坐标，像平面坐标系称像方坐标，通过单像空间后方交会方法解算得到图像拍摄瞬间的相机的6个外方位元素的位置(X_S,Y_S,Z_S)和姿态参数的偏角、倾角和旋角的3个概值(ω,κ)，其中为偏角、ω为倾角、κ为旋角；

(5)利用相机外方位元素概值(X_S,Y_S,Z_S,ω,κ)和除5个基本配置标志点外的已知物点坐标(X′,Y′,Z′)，利用共线条件方程(式1)得到其余物点的概略像点坐标(x′,y′)；

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x_0-f\frac{a_1(X^{\′}-X_s)+b_1(Y^{\′}-Y_s)+c_1(Z^{\′}-Z_s)}{a_3(X^{\′}-X_s)+b_3(Y^{\′}-Y_s)+c_3(Z^{\′}-Z_s)}\\ y^{\′}=y_0-f\frac{a_2(X^{\′}-X_s)+b_2(Y^{\′}-Y_s)+c_2(Z^{\′}-Z_s)}{a_3(X^{\′}-X_s)+b_3(Y^{\′}-Y_s)+c_3(Z^{\′}-Z_s)}\end{array}\right.$ 式(1)

式中，f、x₀、y₀为相机内方位元素，为已知值；

a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃为共线条件方程中旋转矩阵的元素，其中：

式(2)

(6)将步骤(1)利用计算机拟合得到的标志图像中心像点坐标与步骤(5)解算的概略像点坐标进行比较，两个方向上的差值均在25个像素以内时认为摄影物点与该像点为对应匹配；

(7)根据标志库内编号数据为对应像点进行编号，用计算机完成摄影物点与像点的快速自动匹配。

所述的8号点、11号点为大标志，大标志圆直径为20cm，其余标志为正常标志，正常标志圆直径为10cm，为便于测量标志中心的物方坐标，在标志中心粘贴反射片。

所述的拍摄图像，是用哈苏H4D-60相机在距离墙壁垂直距离30m处对摄影标志进行拍照所获得的图像，利用德国MVtec公司开发的图像处理软件HALCON编制了标志识别与自动匹配软件程序，通过阈值分割和椭圆拟合算法可获得标志图像的中心坐标的像素数和拟合椭圆短半轴长度的像素数。

本发明方法经测试和实地应用，取得了非常好的有益技术效果，有关资料如下：

本发明在实验中，根据图2的标志设计和图3的标志布设规则在某楼墙面上布设21个摄影标志。8号点、11号点为大标志，大标志圆直径为20cm，其余标志为正常标志，正常标志圆直径为10cm，为便于测量标志中心的物方坐标，在标志中心粘贴反射片，标志中心物方坐标量测结果如表1所示：

表1标志中心物方坐标单位：m

所述的拍摄图像，是用哈苏H4D-60相机在距离墙壁垂直距离30m处对摄影标志进行拍照所获得的图像，利用德国MVtec公司开发的图像处理软件HALCON编制了标志识别与自动匹配软件程序，通过阈值分割和椭圆拟合算法可获得标志图像的中心坐标的像素数和拟合椭圆短半轴长度的像素数，如表2所示：

表2拍摄标志图像信息提取单位：像素数

利用两步法自动匹配方法实现过程步骤(1)-(3)实现5个基本配置标志的匹配，利用5个基本配置标志的物方坐标和像方坐标计算得到图像拍摄瞬间摄站的6个外方位元素概值，如表3所示：

表3解算的摄站外方位元素概值

根据摄站外方位元素概值与表1中的物方坐标，反解得到对应的像点坐标概值，转换为像素数后与表2的像点坐标比较(两个方向)，差值均小于25个像素时认为实现了摄影物点与像点的自动匹配。

经检核，自动匹配的标志图像编号与实际对应的物点编号一致，验证了本发明方法(又称两步法)的摄影物点与像点自动匹配方法的正确性和有效性。并经多次反复试验和计算，均取得相同和相近似的结果，表明本发明方法稳定可靠，匹配正确，有效解决了物点、像点的匹配不再依赖事后处理、人工匹配的问题，工作效率高，可提高工作效率3-5倍，效果好，正确性(准确性)高达99％以上，操作简单，可靠，有很强的实际应用价值，是摄影测量技术领域中的一大创新。

Claims (4)

1.一种基于基本配置点的两步法摄影物点、像点自动匹配方法，其特征在于，先利用像素最大的2个大标志圆及其边缘分布的3个小标志圆组成的5个特征点计算摄站概略外方位元素值，然后利用已知物点坐标信息反算对应像点的概略像点坐标，解算像点坐标与软件提取像点坐标进行比较，利用阈值，实现摄影物点与像点的自动快速匹配，方法是：

(1)对拍摄图像进行阈值分割和椭圆拟合，获得标志成像椭圆中心的像点坐标和椭圆短半轴长度的像素数；

(2)根据图像椭圆短半轴长度的像素数，像素数最大的为大标志的成像，判断出对应的像点，实现像片的定向；

(3)求取两个大标志与其它标志之间距离的像素数，实现基本配置标志的自动匹配；

(4)利用标志的物方和像方坐标，通过单像空间后方交会方法解算得到图像拍摄瞬间的相机的6个外方位元素的位置和姿态参数概值，用计算机实现基本配置标志的自动匹配；

(5)利用相机外方位元素概值与已知物点坐标，除5个基本配置点外，解算得到其余物点的概略像点坐标；

(6)将步骤(1)利用计算机软件拟合得到的标志图像中心像点坐标与步骤(5)解算的概略像点坐标进行比较，两个方向上的差值均在25个像素以内时，为摄影物点与该像点为对应匹配；

(7)根据标志库内编号数据为对应像点进行编号，由计算机完成摄影物点与像点的快速自动匹配。

2.根据权利要求1所述的基于基本配置点的两步法摄影物点、像点自动匹配方法，其特征在于，步骤如下：

(1)对拍摄图像由计算机进行阈值分割和椭圆拟合算法，获取标志成像椭圆中心的像点坐标和椭圆短半轴长度的像素数；

(2)根据图像椭圆短半轴长度的像素数，像素数最大的两个为2个大标志的成像，判断出对应的8号像点和11号像点，实现像片的定向；

(3)求取两个大标志与其它标志之间距离的像素数，与11号像点距离最近的点为14号点，垂直8号像点和11号像点连线方向上的距离最近点分别为7号像点和9号像点，由计算机实现7号、8号、9号、11号、14号像点5个基本配置标志点的自动匹配；

(4)利用5个标志的东北天坐标系(X、Y、Z)和像平面坐标系(x，y)，通过单像空间后方交会方法解算得到图像拍摄瞬间的相机的6个外方位元素的位置坐标(X_S,Y_S,Z_S)和姿态参数的偏角、倾角和旋角的3个概值其中为偏角、ω为倾角、κ为旋角；

(5)利用相机外方位元素概值和除5个基本配置标志点外的已知物点坐标(X′,Y′,Z′)，利用共线条件方程式(1)得到5个特征点以外物点的概略像点坐标(x′,y′)；

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x_0-f\frac{a_1(X^{\′}-X_s)+b_1(Y^{\′}-Y_s)+c_1(Z^{\′}-Z_s)}{a_3(X^{\′}-X_s)+b_3(Y^{\′}-Y_s)+c_3(Z^{\′}-Z_s)}\\ y^{\′}=y_0-f\frac{a_2(X^{\′}-X_s)+b_2(Y^{\′}-Y_s)+c_2(Z^{\′}-Z_s)}{a_3(X^{\′}-X_s)+b_3(Y^{\′}-Y_s)+c_3(Z^{\′}-Z_s)}\end{array}\right.$ 式(1)

式中，f、x₀、y₀为相机内方位元素；

a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃为共线条件方程中旋转矩阵的元素，其中：

式(2)

(6)将步骤(1)利用计算机拟合得到的标志图像中心像点坐标与步骤(5)解算的概略像点坐标进行比较，两个方向上的差值均在25个像素以内时认为摄影物点与该像点为对应匹配；

(7)根据标志库内编号数据为对应像点进行编号，用计算机完成摄影物点与像点的快速自动匹配。

3.根据权利要求1所述的基于基本配置点的两步法摄影物点、像点自动匹配方法，其特征在于，所述的8号点、11号点为大标志，大标志圆直径为20cm，其余标志为正常标志，正常标志圆直径为10cm，为便于测量标志中心的物方坐标，在标志中心粘贴反射片。

4.根据权利要求1所述的基于基本配置点的两步法摄影物点、像点自动匹配方法，其特征在于，所述的拍摄图像，是用哈苏H4D-60相机在距离墙壁垂直距离30m处对摄影标志进行拍照所获得的图像，利用德国MVtec公司开发的图像处理软件HALCON编制了标志识别与自动匹配软件程序，通过阈值分割和椭圆拟合算法可获得标志图像的中心坐标的像素数和拟合椭圆短半轴长度的像素数。