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倾斜摄影测量系统及三维建模方法研讨班倾斜摄影测量原理与关键技术汇报人:熊小东武汉大学遥感信息工程学院2014年5月15日倾斜摄影测量原理与关键技术一、倾斜摄影的定义汇报提纲二、倾斜摄影的历史三、倾斜摄影的特点和意义四、主流的倾斜摄影硬件系统五、倾斜摄影数据处理关键技术六、倾斜摄影应用按主光轴倾斜角分：①垂直影像：t5°；②轻度倾斜影像：5°t30°；③高度倾斜影像：t30°；④水平视角影像：t+а90°。倾斜摄影的定义定义：倾斜影像为相机主光轴在有一定的倾斜角时拍摄的影像。倾斜摄影历史一战时的Graflex航摄相机历史追溯早在第一次世界大战期间，就有飞行员用一种叫做Graflex的相机拍摄倾斜航空影像，用于战场侦查。其优点是不需要飞行到测区上方。但受当时胶片影像处理水平以及算法的制约，无法成功将倾斜影像进行拼接。所以，之后人们改用正直摄影的方式进行航空影像获取。1904年由Schiempflug研制的八镜头相机。搭载在飞艇上用于航空摄影。早期的倾斜摄影相机倾斜摄影历史1926由Aschenbrenner研制的九镜头相机。1931年该相机被用于测量南极。1920年代末Bagley三镜头相机。这类三镜头相机在1930s-1940s被大量生产和应用。倾斜摄影历史1930年代Barr&Stroud七镜头相机。由E.H.Thompson研制。早期的倾斜摄影相机1930年代系统结构：创新性地采用了一个垂直相机和四个倾斜相机的结构，称之为马耳他十字(MalteseCross)结构。参数：1）胶片介质，每幅影像幅宽13.5×15cm；2）焦距：150mm。FairchildT-3A5相机系统倾斜摄影历史下视影像：可很好地观测到地面和屋顶特征，整幅影像具有固定的比例尺。倾斜影像：可观测到建筑物侧面纹理，但是存在更多遮挡，影像不同地方的比例尺也不一致。倾斜影像与下视影像对比倾斜摄影的特点自遮挡倾斜影像遮挡倾斜摄影的特点被其他物体遮挡倾斜影像遮挡倾斜摄影的特点多视角观测缓解遮挡问题“三维城市建模中传统的下视影像与倾斜影像的联合是一个重要趋势，因为倾斜影像可以提供清晰的建筑物侧面纹理信息。”“在应急响应服务中，如果联合下视影像与倾斜影像，且利用专业的软件实现在倾斜影像上进行简单的量测功能，对于非测绘专业人员而言，可以帮助他们更好地进行场景解译。”倾斜摄影的意义——Racurs2008年ISPRS会议主流的倾斜摄影硬件系统系统结构：一个下视镜头+4个倾斜镜头。参数：外界猜测其相机由美国佛罗里达的IMPERX公司提供，像幅大小约4900×3200像素；1993年开始研制，1998年开始量产。其他参数及相机图片未公开。Pictometry——倾斜摄影领域的领军者Pictometry的相机检校箱主流的倾斜摄影硬件系统系统结构：下视镜头（4个垂直相机）+6个倾斜镜头。参数：1）垂直：全色影像尺寸11,674*7,514像素，象元大小6.0µ，焦距51mm；RGBN影像尺寸6,735*4,335像素，象元大小5.2µm，焦距25.5mm；2）倾斜：左右视RGB影像尺寸6,870*4,520像素，前后视RGB影像尺寸2*6,870*4,520像素(拼接后为：13,450*4,520像素)；象元大小5.2µm，焦距80mm。MicrosoftVexcel：UltraCamOpesys主流的倾斜摄影硬件系统MicrosoftVexcel：UltraCamOpesys视场角参数：1）下视全区域视场角，旁向(航向)：69°(48°)；2）倾斜视全区域视场角，旁向(航向)：45°+/-12,7°(45°+/-8.5°)；3）旁向视场角可达115.4°，航向视场角可达107°。倾斜左、右视均与下视有一定重叠主流的倾斜摄影硬件系统系统结构：四个镜头，可方便地调整成为一个大幅面下视或者四个倾斜视相机。参数：1）若调整为正直摄影模式，影像尺寸18,500×12,750像素；2）若调整为倾斜模式，同时获取4幅倾斜影像，每一幅影像尺寸最高可达6千万像素，相机倾角45度。IGI：QuattroDigiCAMOblique主流的倾斜摄影硬件系统系统特点：同一套系统可方便地切换成获取下视影像或倾斜影像。IGI：QuattroDigiCAMOblique主流的倾斜摄影硬件系统系统结构：下视镜头+四个倾斜视镜头。参数：1）影像尺寸6千万像素，可升级至8千万像素；2）可选择RGB镜头或RGBN镜头。Leica：RCD30Oblique主流的倾斜摄影硬件系统系统特点：1）可切换成三视模式或五视模式；2）三视模式，镜头倾斜角45度；3）五视模式时，镜头倾斜角35度，下视与倾斜视影像间均有重叠。Leica：RCD30Oblique主流的倾斜摄影硬件系统系统结构：一个下视镜头，两个倾斜视镜头。每曝光一次镜头平台自动旋转90度，以获取四个倾斜方向的影像。参数：1）每个镜头获取的影像尺寸为7228×5428像素；2）焦距为47mm；3）视场角达114度。Trimble：AOS主流的倾斜摄影硬件系统系统特点：1）下视与两倾斜视之间有一定重叠，单次曝光的三张影像拼接后成蝶形；2）由于传感器平台的旋转，航线规划有一定难度；3）两次曝光最短时间间隔为3s。Trimble：AOS主流的倾斜摄影硬件系统系统结构：1个垂直相机+4个倾斜相机的5相机系统参数：1）相机采用5台CanonEOS1DsMkII，每台2100万像素；2）倾斜角可调节（30°-60°）；3）最短曝光间隔2.5s；4）最大相对航高3962.4米；5）集成ApplanixPOSAV310。Track'Air：Midas主流的倾斜摄影硬件系统系统结构：1个垂直相机+4个倾斜相机的5相机系统参数：1）使用哈苏像机，像幅尺寸为：5千万像素（8176*6132）/6千万像素（8956*6708）；2）焦距80mm（倾斜）/50mm(下视);100mm（倾斜）/80mm(下视)；3）象元大小6µ；4）倾斜角45°（可定制）；5）最短曝光间隔2.5s。GeoVision(四维远见)：SWDC-5主流的倾斜摄影硬件系统系统结构：1个垂直相机+4个倾斜相机的5相机系统。相机为自主研制。TOPRS(中测新图)：TOPDC-5主流的倾斜摄影硬件系统技术参数(TOPDC-5Ⅰ型)：1）焦距47mm（下视）/80mm(倾斜）；2）像幅尺寸为：下视6千万像素(9288*6000)，倾斜4千万像素（7360*5562）；3）象元大小6µ；4）倾斜角45°；5）最短曝光间隔3.5s；6）视场角（航向/旁向）：下视42°/62°，倾斜23°/31°；TOPRS(中测新图)：TOPDC-5技术参数(TOPDC-5Ⅱ型)：1）焦距47mm（下视）/80mm(倾斜）；2）像幅尺寸为：8千万像素(10320*7752)；3）象元大小5.2µ；4）倾斜角45°；5）最短曝光间隔3.5s；6）视场角（航向/旁向）：下视46°/59°，倾斜37°/29°；主流的倾斜摄影硬件系统系统结构：1个垂直相机+4个倾斜相机的5相机系统参数：1）像幅尺寸：10328×7760pixels(8000万像素）；2）焦距：下视55mm/50mm/80mm，倾斜80mm/110mm；3）象元大小5.2µ；4）倾斜角42°或45°；5）集成ApplanixPOSAV系统。上海航遥：AMC580主流的倾斜摄影硬件系统2001年开始推出ADS40，2008年推出ADS80，2013年推出ADS100。系统结构：三视推扫式相机。参数（以ADS100为例）：1）共13条CCD，每条CCD为20000像素，像素大小5µ；2）所有CCD按照前视(25.6°)、下视(0°)和后视(17.7°)分为三组；3）前视组：RGBN；4）下视组：RGGBN,绿色波段有两条交错半像素的CCD；5）后视组：RGBN.Leica：ADS40/80/100主流的倾斜摄影硬件系统系统结构：下视+前视+后视，三线阵推扫式倾斜摄影相机。参数：1）3个KodakTri-linear8023，真彩色影像；2）相对航高：400-2000m；3）影像幅宽：8023像素，360-1800m；4）地面分辨率：0.045-0.225m；5）象元大小9µ；6）前后视倾斜角45°；7）焦距：下视80mm，倾斜110mm；8）集成GPS/IMU系统。Wehrli&AssociatesInc：3-OC-1倾斜摄影数据处理关键技术1.2.3.倾斜影像自动空三倾斜影像密集匹配本节提纲倾斜影像拼接技术倾斜影像自动空三倾斜影像自动空三流程输入倾斜影像倾斜影像连接点自动匹配匹配粗差检测，构建自由网区域网平差输入地面控制数据关键步骤：1）连接点匹配；2）构建自由网；3）区域网平差。倾斜影像自动空三倾斜影像连接点自动匹配SIFT特征点匹配：1）构建尺度空间：高斯卷积核，图像金字塔；2）检测尺度空间极值点：在DOG尺度空间本层以及上下两层的26个邻域中是最大或最小值，并去除低对比度的关键点和不稳定的边缘响应点；3）计算关键点主方向；4）生成128维的关键点描述子；5）SIFT匹配：计算待匹配的两特征点间的欧式距离作为匹配测度。倾斜影像自动空三VisualSFM匹配结果倾斜影像自动空三VisualSFM匹配结果倾斜影像自动空三倾斜影像匹配点粗差检测及自由网构建粗差剔除与自由网构建流程1）采用RANSAC（随机采样一致性）方法，基于5点法相对定向模型（共面条件），进行粗差检测；2）基于双模型的粗差点检测：对于双模型间的三度重叠点，采用空间前方交会计算像点残差，剔除残差大的粗差点；基于RANSAC的相对定向下一个有足够同名点的像对基于双模型的相对定向可靠性检测输出自由网结果基于双模型的粗差点检测倾斜影像自动空三倾斜影像匹配点粗差检测及自由网构建粗差剔除与自由网构建流程3）基于双模型的相对定向可靠性检测：不断选择相互间具有足够连接点的三张影像，依次在影像间两两进行相对定向，计算相对定向的线元素和旋转矩阵。如果相对定向正确，三个线元素向量应共面，三个旋转矩阵依次相乘应为单位阵。123X12,R12X23,R23X31,R31基于RANSAC的相对定向下一个有足够同名点的像对基于双模型的相对定向可靠性检测输出自由网结果基于双模型的粗差点检测倾斜影像自动空三倾斜影像区域网平差无约束区域网平差所有倾斜影像具有独立的外方位元素，同一个相机获取的影像具有相同的相机参数。未将多个相机之间的安置参数作为约束条件纳入平差模型。平差模型为经典的多相机共线方程模型：优点是可以处理任意拍摄的倾斜影像，无需倾斜影像与下视影像同时曝光。缺点是随着相机数目的增加，未知数个数快速增多。倾斜影像自动空三倾斜影像区域网平差附加约束的区域网平差①将多个相机之间的安置参数作为约束条件纳入平差模型。以下视影像的外方位元素以及倾斜相机与下视相机的安置参数作为区域网平差未知数：优点是可以极大地减少区域网平差的未知数个数，使平差结果更为稳健。但是需要同一摄站的下视影像和倾斜影像同时曝光。倾斜影像自动空三倾斜影像区域网平差附加约束的区域网平差②将地面场景约束条件带入区域网平差，如铅垂线、水平线及直角条件等。可以增强平差的稳健性，减少控制点的使用。倾斜影像自动空三倾斜影像区域网平差附加约束的区域网平差②将地面场景约束条件带入区域网平差，如铅垂线、水平线及直角条件等。可以增强平差的稳健性，减少控制点的使用。水平线：铅垂线：直角条件：等距离条件：倾斜影像自动空三倾斜影像区域网平差倾斜影像直接定向①首先采用传统的区域网平差方法对下视影像单独进行处理，获得每张下视影像的外方位元素；②然后利用倾斜相机与下视相机之间的安置参数检校值，根据同一摄站的下视影像外方位元素计算相应倾斜影像的外方位元素。优点：可以直接利用传统的空三软件。缺点：未利用多传感器的优势，精度较差。事先检校获得的安置参数不一定可靠，且会随着使用时间的增长发生变化。也需要倾斜影像与对应的下视影像同时曝光。倾斜影像自动空三开源的倾斜影像自动空三软件——APEROAP