面向结构化场景的直线特征提取匹配与光束法平差研究

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1、摘要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

2、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

3、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

4、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I中国矿业大学（北京）博士学位论文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

5、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。关键词：线提取匹配，宽基线，三维线段重建，线光束法平差，结构化轮廓IIA

6、bstractAbstractIntheapplicationofurbanobjectsinaerialphotogrammetry,theacquisitionofthethree-dimensional(3D)structuralmodelsandtrueorthophotosofstructuredscenario,buildingsforexample,occupyanimportantposition.Atpresent,thetheoryandtechnologyofphotogrammetrybasedonpointfeaturesare

7、relativelymature.Almostallofthephotogrammetrysoftwaresandapplicationsprocessingarebasedonpointfeatures,andtheresearchesandapplicationsofphotogrammetrictechniquesbasedonlinefeaturesarerelativelyfew.Linefeatureshavesomeadvantagesthatpointfeaturesdonotpossessandhaveimportantapplicat

8、ionvalueinnavigation&positioning,buildin