胡 亞 江

(深圳中銘勘測股份有限公司，廣東 深圳 518172)

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基于DLG的單近景影像建筑物三維測量技術(shù)

胡 亞 江

(深圳中銘勘測股份有限公司，廣東 深圳 518172)

結(jié)合數(shù)字地圖提供的位置信息，根據(jù)選取的建筑物特征點(diǎn)不同的類型，分別應(yīng)用點(diǎn)點(diǎn)匹配和點(diǎn)線匹配兩種測量計(jì)算算法，實(shí)現(xiàn)單近景影像的建筑物三維測量，試驗(yàn)結(jié)果證明，數(shù)字地圖的單近景影像匹配的建筑物三維測量技術(shù)能精確測量出建筑物高度，其精度能夠滿足三維地理信息數(shù)據(jù)采集精度的要求。

數(shù)字地圖，單近景影像，影像點(diǎn)坐標(biāo)，建筑物三維測量

0 引言

在求解近景影像的攝影位置信息、攝影姿態(tài)信息、內(nèi)方位元素信息、影像畸變參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)影像像素點(diǎn)的空間定位信息。這時(shí)，任何一個(gè)像素點(diǎn)與物鏡中心的連線構(gòu)成了一條空間攝影方向線，被測像素點(diǎn)的空間目標(biāo)點(diǎn)就位于這條攝影方向線上，單張影像無法確定在攝影方向線的具體位置，因此不能唯一確定被攝物體的空間位置。

而在數(shù)字地圖的支持下，攝影方向線指向了數(shù)字地圖上的某個(gè)目標(biāo)點(diǎn)或某個(gè)空間地物，利用數(shù)字地圖提供的平面位置，就可以實(shí)現(xiàn)單張近景影像的三維測量。根據(jù)所求空間地物點(diǎn)的類型不同，基于DLG的單張近景影像的三維測量技術(shù)可以分為兩類：一類是測量數(shù)字地圖上地形特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，另一類是測量數(shù)字地圖上非地形特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

觀測的像素點(diǎn)對應(yīng)于數(shù)字地圖的地形特征點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的平面坐標(biāo)是已知的，只要求出該點(diǎn)的高程即可；當(dāng)觀測的像素點(diǎn)不是地形特征點(diǎn)而是空間目標(biāo)的某個(gè)細(xì)部點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的空間位置不能直接從數(shù)字地圖上得到。當(dāng)觀測點(diǎn)位于數(shù)字地圖的某個(gè)直線目標(biāo)上，那么可以在像素點(diǎn)和直線目標(biāo)進(jìn)行匹配，得到該像素點(diǎn)的對應(yīng)點(diǎn)三維空間坐標(biāo)。

1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

以圖1的示例來介紹基于DLG的影像解析數(shù)據(jù)預(yù)處理過程。

1.1 影像點(diǎn)測量與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

圖像上在計(jì)算機(jī)中是以width行、height列中的二維矩陣來表示，每一個(gè)像素點(diǎn)在二維矩陣中的位置可以用直角坐標(biāo)系統(tǒng)C0—uv中的(u，v)坐標(biāo)來表示。

對圖1中的1～9點(diǎn)進(jìn)行影像測量，測量出各點(diǎn)的圖像坐標(biāo)系(u，v)，并用轉(zhuǎn)換關(guān)系式(1)將其轉(zhuǎn)換為像平面坐標(biāo)系(x，y)，單位為像素，像素點(diǎn)的像空間坐標(biāo)系(x，y，-f)。

(1)

當(dāng)然，焦距f是未知的，可以給定一個(gè)初始值(以像素為單位，示例中假定近似值為3 000)。

1.2 地物點(diǎn)坐標(biāo)獲取

從數(shù)字地圖上獲取與影像像素點(diǎn)對應(yīng)的空間地物點(diǎn)的二維平面坐標(biāo)，這里應(yīng)用C#.NET編程，利用ArcGIS ENGINE地圖控件，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字地圖上對應(yīng)的空間地物點(diǎn)的平面坐標(biāo)量測。

2 測量方法原理

2.1 點(diǎn)點(diǎn)匹配測量

所測的像素點(diǎn)對應(yīng)于數(shù)字地圖的地形特征點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的平面坐標(biāo)是已知的，這里采用點(diǎn)點(diǎn)匹配的測量方法，只要求出該點(diǎn)的高程即可。其計(jì)算過程如下：

1)獲取像素點(diǎn)坐標(biāo)(xp，yp)和相應(yīng)的地形特征點(diǎn)平面坐標(biāo)(X，Y)，對像素點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行影像畸變改正：

(2)

2)計(jì)算像素點(diǎn)在攝影測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)：

(3)

3)對地形特征點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行變換和平移：

(4)

平面坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)：

(5)

4)根據(jù)：

(6)

由三個(gè)方程計(jì)算地形特征點(diǎn)的高程，可以先計(jì)算點(diǎn)投影系數(shù)λ，然后計(jì)算高程：

(7)

2.2 點(diǎn)線匹配測量

當(dāng)觀測的像素點(diǎn)不是地形特征點(diǎn)而是空間目標(biāo)的某個(gè)細(xì)部點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的空間位置不能直接從數(shù)字地圖上得到。如果觀測點(diǎn)位于數(shù)字地圖的某個(gè)直線目標(biāo)上，那么可以采用像素點(diǎn)和直線目標(biāo)進(jìn)行匹配測量方法，得到該像素點(diǎn)的對應(yīng)點(diǎn)三維空間坐標(biāo)。具體實(shí)施過程如下：

2)根據(jù)影像的內(nèi)外方位元素計(jì)算攝影中心在地圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)：

(8)

3)由攝影中心和像素點(diǎn)構(gòu)成了一條空間攝影射線。該攝影射線在空間輔助坐標(biāo)系中的水平偏角和仰角為：

(9)

同時(shí)，攝影方向線的方位角為：

α測=α攝-u

(10)

4)利用數(shù)字地圖上的直線端點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算其斜率：

(11)

5)那么，攝影方向線與該直線的水平交點(diǎn)坐標(biāo)為：

(12)

6)根據(jù)攝影中心(X0，Y0)到被測點(diǎn)(XJ，YJ)的距離s，可以計(jì)算被測點(diǎn)高程為：

H=Z0+s×tan(v)

(13)

3 實(shí)例測量與精度分析

為了驗(yàn)證建筑物三維測量的效果，對建筑物的各特征點(diǎn)進(jìn)行測量和分析。圖2中對近景影像上的多個(gè)房角點(diǎn)和窗戶角點(diǎn)進(jìn)行分層分列選取，從高度方向分為9層、在水平方向分為19列，除了三個(gè)被遮擋點(diǎn)以外，對總共171個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行了觀測和計(jì)算。

利用以上點(diǎn)線匹配的測量技術(shù)，對這171個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了三維坐標(biāo)計(jì)算，表1中列出了各點(diǎn)的高程結(jié)果，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

從表1的計(jì)算結(jié)果中可以看出：檢測點(diǎn)的外精度高于內(nèi)精度，符合測量數(shù)據(jù)處理的規(guī)律。在沒有考慮到數(shù)字地圖自身精度

的情況下，計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)精度達(dá)到了厘米級，遠(yuǎn)高于數(shù)字地圖本身的分米級精度要求，所測建筑物高度的精度滿足三維地理數(shù)據(jù)的精度要求。

表1 三維測量的高程結(jié)果及精度計(jì)算

4 結(jié)語

基于數(shù)字地圖的單近景影像三維測量技術(shù)在近景影像解析的基礎(chǔ)上，根據(jù)地物點(diǎn)的不同類型，分別采用點(diǎn)點(diǎn)匹配和點(diǎn)線匹配兩種測量計(jì)算算法，實(shí)現(xiàn)對近景影像上的地理目標(biāo)進(jìn)行三維測量。試驗(yàn)結(jié)果證明：通過數(shù)字地圖的單近景影像匹配的建筑物三維測量技術(shù)能精確測量出建筑物高度，其精度能夠滿足三維城市地理信息數(shù)據(jù)采集精度的要求。

[1] 馮文灝.近景攝影測量[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2002.

[2] 康志忠.數(shù)字城市中街道景觀主體三維可視化的快速實(shí)現(xiàn)研究[D].武漢：武漢大學(xué)博士學(xué)位論文，2004.

[3] 劉亞文.利用數(shù)碼像機(jī)進(jìn)行房產(chǎn)測量與建筑物的精細(xì)三維重建[D].武漢：武漢大學(xué)博士學(xué)位論文，2005.

[4] 張祖勛,吳 軍,張劍清.建筑場景三維重建中影像方位元素的獲取方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2003,28(3)：265-271.

[5] 張祖勛,張劍清,張世興.單像房屋三維重建[A].海峽兩岸自動(dòng)化數(shù)字工程測量研討會[C].臺南,2001.

Architectural three-dimensional measurement technology of single close-range image on the basis of DLG

Hu Yajiang

(ShenzhenZhongmingSurvey&MeasurementCo.,Ltd,Shenzhen518172,China)

Combining with location information supplied by digital map, according to different selected architectural characteristics, the paper respectively applies two kinds of measurement and computation methods of point-point matching and point-line matching, and realizes architectural three-dimensional measurement of single close-range image. The experimental results show that: architectural three-dimensional measurement technology matching single close-range image of digital map can accurately measure building height. Furthermore, the accuracy can meet three-dimensional geographic information data collecting accuracy demands.

digital map, single close-range image, image-point coordinate, architectural three-dimensional measurement

1009-6825(2016)16-0218-02

2016-03-20

胡亞江(1980- )，男，碩士，工程師

TU198

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