第13課：基于遙感的三維重建理論與方法

遙感影像三維重建

研究意義：

三維可視化是城市基礎(chǔ)建設(shè)、規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、交通和通訊等方面的一個(gè)重要環(huán)節(jié),是當(dāng)今“數(shù)字城市”(digitalcity)的一個(gè)重要表現(xiàn)手段，研究快速建立三維城市模型是構(gòu)建數(shù)字城市的一個(gè)重要方面。當(dāng)今先進(jìn)的遙感技術(shù)和數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)是三維城市景觀模型重建的一個(gè)重要手段。因此利用遙感影像可以快速獲取三維信息。一、攝影測量基本原理XYZa

(x,y)xyzS(Xs,Ys,Zs)A(X,Y,Z)1、共線方程

2、解算地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)

由共線方程可知，單張像片只能列出兩個(gè)方程，無法求解三個(gè)未知數(shù)（X,Y,Z），所以利用立體像對進(jìn)行地面點(diǎn)三維坐標(biāo)的解算，如圖所示。基本原理已知量未知量二、高分辨率遙感影像三維重建1、高分辨率衛(wèi)星簡介

IKONOS（4m彩色、1m全色衛(wèi)星影像Quickbird（快鳥、0.6m）衛(wèi)星影像2、高分率遙感影像成像模型

傳感器成像模型的建立是進(jìn)行攝影測量立體定位處理的基礎(chǔ)，一般分為物理和通用傳感器模型。在傳統(tǒng)的攝影測量領(lǐng)域，使用較多的是物理傳感器模型，而且使用畫幅式相機(jī)，這樣基于共線方程的立體像對糾可以實(shí)現(xiàn)三維重建。隨著遙感技術(shù)和航天技術(shù)的發(fā)展，在攝影測量領(lǐng)域畫幅式相機(jī)逐漸被CCD傳感器所取代，如果采用基于共線方程傳感器模型描述，將導(dǎo)致定向參數(shù)之間的強(qiáng)相關(guān)性，影響定向的精度和穩(wěn)定性。同時(shí)通用傳感器模型與具體的傳感器無關(guān)，因而更能適應(yīng)傳感器成像方式多樣化的發(fā)展要求，所以通用傳感器模型的研究成為當(dāng)前攝影測量與遙感領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。3.常用影像定位方法多項(xiàng)式法共線方程式法直接線性變換法仿射變換法有理函數(shù)模型法3.常用影像定位方法多項(xiàng)式法共線方程式法3.常用影像定位方法直接線性變換法仿射變換法8參數(shù)法3.常用影像定位方法嚴(yán)密仿射變換公式有理函數(shù)模型法3.常用影像定位方法有理函數(shù)模型(RFM)基于RFM的通用傳感器模型

RFM定義：

RFM是將像點(diǎn)坐標(biāo)（r,c）表示為以相應(yīng)地面點(diǎn)空間坐標(biāo)（X,Y,Z）為自變量的多項(xiàng)式的比值，公式如下：RFM傳感器優(yōu)點(diǎn)：①、一般性：形式簡單，適用于大多數(shù)傳器；

②、保密性：RFM中隱含了傳感器信息；

③、高效性：便于實(shí)時(shí)處理。稱為有理多項(xiàng)式系數(shù)(RationalPolynomialCoefficients,RPC)，簡稱RPC參數(shù)

3.常用影像定位方法有理函數(shù)模型系數(shù)（RPC）的解算方法：與地形無關(guān)的RPC系數(shù)求解

傳感器的嚴(yán)密物理模型已知空間格網(wǎng)+最小二乘法

與地形有關(guān)的RPC系數(shù)求解

傳感器的嚴(yán)密物理模型未知

GCP選點(diǎn)+最小二乘法3.常用影像定位方法有理函數(shù)模型的優(yōu)化直接優(yōu)化法利用新增GCPs對RPC系數(shù)重新解算

新增的GCPs作為RPC系數(shù)解算的強(qiáng)制附合條件權(quán)陣賦值條件平差附有條件的間接平差新RPC系數(shù)原始RPC系數(shù)原始GCPs新增GCPs3.常用影像定位方法間接優(yōu)化法利用新增GCPs計(jì)算仿射變換系數(shù)，改變像方空間坐標(biāo)值原始像素坐標(biāo)原始RPC系數(shù)新增GCPs像方仿射變換系數(shù)新像素坐標(biāo)新增GCPs用于像方仿射變換系數(shù)的計(jì)算3.常用影像定位方法不同空間坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換高斯正反算廣義大地坐標(biāo)微分公式3.常用影像定位方法三、近景影像三維重建

近景攝影測量是攝影測量與遙感學(xué)科的一個(gè)重要分支，其目的是通過攝影測量的方法，研究目標(biāo)物體的外形、尺寸以及運(yùn)動狀態(tài)等。通過近景攝影測量的方式獲取物體真實(shí)尺寸從而建立三維景觀，滿足了中小型用戶的可視化需求。其中直接線性變化（DLT）在近景攝影測量中應(yīng)用比較廣泛。直接線性變化解法，因無需內(nèi)方位元素值和外方位元素的初始近似值，特別適用于非量測相機(jī)所攝影像的攝影測量處理，故本算法成為近景攝影量測的重要組成部分。

1、直接線性變換概念:

直接線性變換（DirectLinearTransformation）解法是建立像點(diǎn)坐標(biāo)儀坐標(biāo)和相應(yīng)物點(diǎn)物方空間坐標(biāo)之間直接的線性關(guān)系的算法。

原理：

直接線性變換解法,原則上也是從共線條件方程演繹而來的。按共線條件方程得出直接線性變換的基本關(guān)系式:

2、直接線性變換解算

直接線性變換解法的具體解算過程，包括系數(shù)L的解算以及空間坐標(biāo)（X、Y、Z）的解算共兩個(gè)步驟：步驟一：系數(shù)L和物方空間坐標(biāo)（X,Y,Z）近似值的解算；步驟二：系數(shù)L和物方空間坐標(biāo)（X,Y,Z）精確解算。

四、單張遙感影像三維重建

（1）、傳統(tǒng)的航空影像及近景影像通常作為建筑物三維重建的重要信息源。但是，航空影像由于其高空成像造成側(cè)面紋理匱乏，且航空、近景影像均需要昂貴的儀器、設(shè)備。（2）、對于從立體遙感影像上自動、半自動地進(jìn)行建筑物的提取和重建的方法,已經(jīng)有了大量的研究,在技術(shù)思路上也已經(jīng)比較成熟,而且獲得的建筑物幾何模型精度也較高。在有些特定情況下,特別是在工程攝影測量、