引入灭点约束的TSAI两步法相机标定改进研究

针对TASI两步法相机标定过程无法求解相机主点位置的问题,引入灭点几何约束进行改进,推导并建立了平面格网上两组正交直线透视投影形成的双灭点与相机内参数以及TASI两步法相机标定过程参数间的严格数学关系,详细阐述了综合运用双灭点与径向准直约束计算相机内参数的迭代过程,并以此为基础,给出了相机外方位参数以及径向畸变参数的求解步骤。实验结果验证了该改进方法的有效性。     

城市街道立面自动重建关键技术研究

据世界银行测算,一个规模为百万人口的城市的数字建设,可促进经济水平翻两番,实现“四倍跃进”。而街道建筑物立面作为城市景观的重要组成部分,其三维可视化对于构建三维数字城市具有重大意义。目前城市三维建模大多采用3DMax进行手工建模,劳动强度大、效率低、自动化程度低。针对上述问题,提出了一套自动化程度较高的城市街道立面自动重建方法,主要研究内容包括： 1．灭点分析：灭点是获取影像方位元素和纠正大倾角影像的关键。本文从灭点几何和广义点摄影测量理论两个角度对灭点与方位元素的关系进行推导和阐述。灭点的检测需对其对应的像方直线束进行分组,本文提出了“RANSAC（随机抽样一致性）”+“附有参数的条件平差”的方法,通过RANSAC获得灭点初值,然后平差解算灭点,使用“选权迭代”将粗差直线剔除,在完善直线束分组的同时解算出灭点精确坐标。然后,借助误差椭圆理论对灭点分布的误差和灭点间的相对误差进行评定。并探讨分析了拍摄角度对于灭点精度的影响。 2．点线匹配：探讨了当前流行的SIFT特征点匹配算法和新提出的“对立统一”匹配思想。针对当前直线匹配中存在的诸多问题如：核线约束退化、单应性映射区域局限、左右影像特征直线不一致和视差较约束不合理等,并同时顾及三维空间环境中物体总体分布不连续,但局部连续的矛盾,本文提出了一种基于“概率松弛”+“最小二乘影像匹配”的直线段匹配算法。本算法既有独立观测又有整体局部约束,基于对立统一的匹配思想,符合客观规律。并在直线段最小二乘影像匹配时提出结合广义点联合平差的方法,可以在提高匹配直线段精度的同时完成对其空间直线的计算。 3．近景大倾角条带数字影像解析：主要包括大倾角影像相对定向、模型连接和光束法平差。针对立面影像通常仅能得到两个方向的灭点,缺乏深度方向(Z)灭点约束造成该方向存在自由度和解算不严密的问题,提出了基于空间直线约束联合广义点光束法平差的算法获取影像方位元素。并构建自由网、完成大倾角影像纠正和影像拼接。 4．立面凹凸边界识别：由于噪声和提取直线算法的不足会造成凹凸面的关键直线未能解译,如何识别缺失的关键凹凸面边界直线是一个难题。本文提出利用空间直线聚类得到共面直线,再拟合平面,平面相交交出关键边界直线的算法。并探讨比较了RANSAC + LSM（最小二乘法）、RANSAC + PCA（主成分分析）、LSM + CONDITION（利用空间拓扑关系构建的“带限制条件的间接平差”）等多种拟合算法以获得最优的边界自动识别结果。 5．三维重建：通过自动跟踪建筑物屋顶、自动识别立面凹凸边界和人工选取地面边界点确定出空间模型对应的纹理轮廓,并计算出空间模型与纹理的比例关系,利用此关系以平面为基元进行立面三维重建。综上,本研究基于建筑物的线、面特征并借助各种理论和方法提高街道立面三维重建的自动化程度,最后通过VC++实现了其关键技术。实验表明本方法可行、自动化程度较高,且不依赖于模型化参数(CSG)、矢量图和空间三维点云辅助。     

基于几何特征约束的建筑物点云配准算法

针对人工建筑物表面存在的几何特征关系提出了基于几何特征约束的建筑物点云配准算法,根据点云数据中平面与平面重合关系,推导点在平面上和平面法线平行的2种线性不等约束条件。在6独立参数模型中增加几何特征约束的不等约束条件组成了附有约束条件的配准模型。通过对建筑物3维激光扫描点云数据的采集和处理,详细分析了几何特征约束配准算法的处理结果。试验结果分析表明几何特征约束条件可以合理地改善3维空间转换参数解算结果,提出的配准模型较适合于人工建筑物点云数据的配准。     

D.S.型解析测图仪交会原理与解算方法

本文讨论了利用三个平面交会模型点位置的原理,其中一个平面通过模型点,另外两个平面是通过一个或两个相应象点的“x-平面”和“y-平面”。然后与 AP 型解析测图仪一样,用共线方程由模型点座标计算未知的由伺服系统控制的象点座标。在这个原理的基础上,推导了 DS 型解析测图仪上各种作业方式(测点、测绘等高线以及高程断面的扫描)的计算公式。     

利用岸线约束进行解析独模法空三航带网平差

本研究的目的是想通过增加岸线点作为绝对约束的试验，把约束引入独模法空三的基本线性化数学模型中。独模法空三包含七个参数，三个角元素（Ω、φ、π），三个线元素（X0、Y0、Z0）和一个比例因子（λ）。被运用的这条航线有8张象片，近似摄影比例尺为1／7500，位于阿拉伯海湾科威特城的一部分，构成7个立体模型。航线中包含5个全野外地面控制点，5个平面检查点，10个高程检查点，8个岸线点。用带有约束和不带约束两次完成航带网平差，并对结果进行比较。在平羞过程中保持检查点一致以保证晗当的精度评估。象片坐标量测在Kevn（克恩）DSR11解析测图仪上完成，并对影象主要误差进行预处理。在构成统一航带网之前解析地构成立体模型。结果表明，当增加岸线点作为绝对约束时，高程中误差和平面中误差分别改善了约19．5％和8．5％。对于岸线覆盖的许多立体模型，增加这些约束的结果，仅使的法方程系数矩阵的带宽增加。     

在相机检校中利用无穷远点进行参数分离

大多数的相机检校方法包括GoldStandard算法都是基于点信息同时需要考察所有的检校参数。与此不同,我们提出一种新的检校方法,这种方法利用直线的定向信息,并且将此问题分离成两个更简单的部分。即单一影像线和其灭点间的平移最小化的问题。和前面的方法不同,我们不需要平行线对。此外,灭点的不变特性意味着通过单纯的平移而联系起来的多幅图像可以用来增大检校数据集合的规模而不必增加考察参数的数目。我们将这种方法与基于灭点的方法和GoldStandard算法进行比较,实验表明这种方法具有更好的结果。     

点面特征约束下利用对偶四元素描述的点云配准模型求解方法

点云数据的高精度配准是保证空间物体表面三维数据完整性的关键,针对相邻测站点云数据存在位置、姿态和尺度差异的问题,提出一种在点面特征约束下利用对偶四元素描述的点云配准模型求解方法。首先,利用对偶四元素表示空间相似变换的旋转矩阵和平移向量,在此基础上顾及尺度因子,依据点在平面内和点在平面外分别所构建的向量与平面的法向量之间存在垂直和平行的空间拓扑关系,并以此作为空间相似变换的约束条件,基于最小二乘准则构建平差模型;然后,引入Levenberg-Marquardt法解算平差模型,以避免平差处理中可能由初始值的不恰当性,或由雅克比矩阵所构建的实对称矩阵接近奇异时而导致迭代不收敛;最后,通过两组实验与现有方法进行对比分析,实验结果表明,所提方法能有效实现点云配准。因此,点面特征约束下顾及尺度因子且利用对偶四元素实现空间相似变换的方法具有较强的实用价值。     

基于交比的单幅图像平面几何信息提取算法

提出并实现了基于交比这一射影变换不变量的单幅图像平面几何信息提取方法。该方法首先利用结构化场景中的平行、垂直等几何关系计算平面的灭点灭线;然后利用平面上已知长度的参考线段及灭点、灭线信息构建交比;最后依据待求线段与已知几何信息的位置关系计算待求线段的长度。对实验数据计算结果的精度分析验证了算法的正确性和可行性。     

面向复杂坡面地形航摄的无人机优视航摄面提取算法研究

针对自然坡面、人工边坡及滑坡、崩塌地带等复杂坡面地形研究提取一种与复杂坡面地形相适应的无人机优视航摄面,用来解决无人机影像数据采集过程中分辨率不均及采集精度不均的问题。文中通过研究坡面DEM的地细节化处理方法、简化模型顶点聚类、基于法矢约束的样点采样算法以及空间平面处理算法,实现了优视航摄优视面的计算提取。     

基于局部约束的建筑物屋顶点云平面分割方法

建筑物屋顶面点云分割结果的好坏对建筑物三维模型重建起着重要的作用。针对传统RANSAC算法建筑物屋顶面点云的分割问题,提出了一种基于局部约束的建筑物点云平面分割方法。利用点云局部曲面法向约束构建法向准则,利用半径约束的点云空间聚类的方法对共面屋顶面点云进行分解,从而抑制"伪屋顶面"的产生;利用局部抽样策略降低算法的迭代次数,减少运算量。实验表明该方法能够获得稳定可靠的建筑物屋顶点云分割结果,将有利于后续的建筑物三维模型重建。     

高速铁路CPⅢ平面网复测若干技术问题探讨

高速铁路CPⅢ平面网需要在不同施工阶段进行复测,复测过程中的主要技术困难有大跨度连续梁段埋设的CPⅢ点随梁体伸缩变化存在多值性,无法满足随时使用的坐标准确性小于等于±3mm。采用线性回归模型对大跨度连续梁段的CPⅢ点平面坐标进行预测,基本解决了多值性的问题,同时提出在复测阶段选用合格的cPⅢ点代替CPII对其平面网进行约束,使复测后的成果尽量与原测成果相匹配。该方法可增强CPⅢ点使用的准确性,为现场施工提高效率。     

直线特征约束的高分辨率卫星影像区域网平差方法

以"像方观测直线与像方预测直线必须重合"作为几何约束条件,以有理函数模型(RFM)作为高分辨率卫星影像的几何处理模型,提出了一种直线特征约束的高分辨率卫星影像区域网平差方法。本文方法仅需像方直线与物方直线相对应,无须像方直线上的像点与物方直线上的地面点一一对应。通过对圣迭戈试验区的两景IKONOS影像、斯波坎试验区的两景QuickBird影像和普罗旺斯试验区的两景SPOT-5影像进行试验,结果表明:本文方法可以充分利用直线特征作为控制条件,有效补偿RPC参数中的系统误差,获得的IKONOS、QuickBird和SPOT-5影像区域网平差的平面与高程精度均优于1个像素。     

移动高程平面约束的多视影像特征点匹配

针对影像匹配中由于重复纹理和遮挡导致的不确定性问题,提出移动高程平面约束的多视影像特征点匹配方法。该方法将多视影像上提取的特征点投影到不同高程的物方格网平面,利用平面上格网单元来约束候选同名特征点,对多视影像进行选择性匹配,避免部分影像遮挡对匹配的影响。实验选取UCX(UltraCamX)数字航空影像进行匹配,取得可靠的匹配结果,从而验证了本文方法的有效性。     

单目视觉定位中的相机标定

单目视觉定位因其定位模型简单、标定步骤少等特点被广泛应用,根据灭点原理对单目视觉定位中的相机标定进行了研究和分析,并将RANSAC方法用于灭点计算来改善灭点的平稳性,提高了相机标定参数的精度。     

一种新的点云平面混合分割方法

为了同时提高点云平面分割效率与可靠性,提出了一种新的将区域增长与RANSAC相结合的点云平面分割方法。该方法通过对八叉树节点进行平面度测试实现种子平面的自动遴选,将节点平面参数作为区域增长约束得到初始分割结果。实验证明了该方法能够高效可靠地实现散乱点云平面分割。     

基于灭点理论和物方平行线几何约束的建筑墙面纹理自动纠正

提出了基于灭点理论和物方平行线几何约束的建筑墙面纹理的自动纠正方法，实验证明了该方法的有效性。     

利用灭点进行相机检校与定姿的充要条件及其不确定性分析

本文探讨和论证了利用三个正交方向的灭点进行相机的内外方位元素定标与定参的不确定性问题,给出了灭点定参的充要条件,着重探讨了双正交方向灭点联合误差分布下解算第三灭点的问题,补充了相对误差椭圆估计灭点的不确定性方法,并提出了利用Monte-Carlo 方法模拟第三灭点空间分布和估算分布范围大小（面积）的算法。本文不仅丰富了利用灭点定参的基本理论与方法,而且揭示了灭点空间分布规律和不确定性,为研究灭点基础应用的普适性提供理论依据。     

关键点检测的复杂建筑物模型自动重建

利用机载LiDAR点云数据进行建筑物重建是当今摄影测量与遥感领域的一个热点问题,特别是复杂形状建筑物模型的精确自动构建一直是一个难题。本文提出一种基于关键点检测的复杂建筑物模型自动重建方法,采用RANSAC法与距离法相结合的分割方法自动提取建筑物屋顶各个平面的点云,并利用Alpha Shape算法提取出各个平面的精确轮廓,根据屋顶平面之间的空间拓扑关系分析建筑物的公共交线特征,在此特征约束下对提取的初始关键点进行修正,最终重建出精确的建筑物3维模型。选取不同类型复杂建筑物与包含复杂建筑物的城市区域点云进行实验,结果表明该算法具有较强实用价值。     

直线外空间定线法

本文提出了一种在直线外设站进行直线的三维定线的方法。如果已知一条直线上的两个点，则不需要在该直线上置镜。直线外定线是通过构成两个平面来完成的。这两个平面的交线正好是给定的直线，每个平面均包含两个已知点和一个所选定的不在该直线上的置镜点。用此法所得的定线精度与用经纬仪进行平面定线的精度相当。     

平面离散点集拓扑邻近稳定区域计算模型

本文利用Voronoi图及其对偶Delaunay三角网研究了平面离散点集拓扑邻近稳定区域的计算方法,证明了点的拓扑邻近稳定区域必须满足的两个条件,给出了点的拓扑邻近稳定区域定量计算模型,并通过实验证明其正确性。