两步法摄影物点与像点自动匹配方法研究

2016-04-11丛佃伟许其凤

测绘通报 2016年2期

关键词：摄影测量

丛佃伟，许其凤，董　明

(信息工程大学导航与空天目标工程学院，河南郑州 450001)

两步法摄影物点与像点自动匹配方法研究

丛佃伟，许其凤，董明

(信息工程大学导航与空天目标工程学院，河南郑州 450001)

Two-step Method of Automatic Matching in Photogrammetry

CONG Dianwei，XU Qifeng，DONG Ming

摘要：摄影物点和像点的匹配工作是摄影测量中共线条件方程构建的基础，在数字近景摄影测量中，多利用编码标志方法实现自动匹配。本文提出了一种两步法摄影物点与像点快速自动匹配方法，详细阐述了两步法自动匹配方法基本原理及匹配过程，利用编制的程序和搭建的试验环境对两步法的可行性和正确性进行了验证。两步法自动匹配方法算法简单、可靠，可以缩短图像处理时间，具有特定的应用价值，在实践中已得到成功应用。

关键词：摄影测量；自动匹配；空间交会定位；摄影标志；编码标志

共线条件方程是摄影测量计算的基础，方程构建的前提是实现摄影物点与像点的匹配[1-2]。在航空及航天摄影测量中，地面控制点数量有限，一般采用事后处理、人工匹配方法。在数字近景摄影测量中，常利用编码标志实现摄影物点和像点的自动匹配[3]。目前应用广泛的编码标志主要分为同心圆环型(如图1中的(a)和(b)所示)和点分布型(如图1中的(c)和(d)所示)[4-6]，根据编码规则，编码标志的容量为几十个到数百个。由于近景摄影测量摄影距离一般较近(几米至几十米)，编码标志尺寸一般较小，边长一般在10 cm以内，尺寸具体数值与相机参数及摄影距离相关。

图1　典型编码标志类型

在一些特殊应用场合，如控制点数量有限而又不便于布设大尺寸编码标志时，则需要考虑建立一套不依赖于编码标志的摄影物点与像点自动匹配方案。本文提出了一种两步法实现摄影物点与像点快速自动匹配的方法，其主要步骤是先利用部分特征点计算摄站概略外方位元素值，然后利用已知物点坐标信息反算对应像点的概略像点坐标，解算像点坐标与软件提取像点坐标并进行比较，设定合适阈值实现摄影物点与像点的自动快速匹配，该方法算法简单、可靠，有实际应用价值。下文将从基本试验条件、两步法自动匹配基本原理及两步法自动匹配试验几个部分详细阐述。

一、基本试验条件及方法需求

某实际应用中，需要在机场附近布设20个左右地面控制点，利用机载相机拍摄地面控制点，通过空间后方交会方法实现对空中飞行载体的高精度定位、测姿。相机选用哈苏H4D-60数码相机(如图2所示)，CCD尺寸为40.2 mm×53.7 mm，有效像素为6000万，摄影镜头标称固定焦距为35.8 mm。

图2　哈苏H4D-60相机(配35.8 mm镜头)

为了提高测量精度，在摄影标定场内采用光束法自标定方法对相机参数进行了精确标定，标定结果见表1。

根据飞机飞行试验高度200 m进行地面标志尺寸设计，如果采用编码标志则其尺寸将为5 m左右，这个尺寸不仅增加了标志的制作难度、成本及搬运工作量，而且不符合在机场内进行布设的条件。利用两步法摄影物点与像点快速匹配方法可以大大缩小标志点尺寸，可以采用黑底白圆的非编码标志设计方案(如图3所示)。标志制作尺寸分两种，一种为小标志：白色实心圆直径为0.5 m；一种为大标志：白色实心圆直径为0.8 m。

表1　哈苏H4D-60相机标定情况

图3　设计的地面标志示意图

二、两步法自动匹配方法基本原理

两步法自动匹配方法实现摄影物点与像点快速自动匹配的过程可以分解为两个步骤。第一步是摄站外方位元素(摄影瞬间相机的位置和姿态)概值计算，利用拍摄识别的5个基本配置标志通过空间后方交会方法获得；第二步是利用摄站外方位元素概值和地面标志的物方坐标反求其余标志点的概略像点坐标，将所求概略像点坐标与软件提取像点坐标进行比较，设定一定的阈值作为摄影物点是否与像点匹配的条件，实现物点与像点的自动匹配。

为更好地理解两步法摄影物点与像点自动匹配方案，如图4所示，在测试区内进行标志布设，图中8号、11号点为大标志，7、8、9、11、14号点为基本配置标志，其余标志可在摄影视场内按照实际条件进行布设，包含5个基本配置标志的摄影像片为有效像片。

图4　测试区内标志布设情况

两步法自动匹配方法的具体实现过程如下：

1) 对拍摄图像进行阈值分割(如图5所示)和椭圆拟合(如图6所示)等处理工作[6-10]，获取标志成像椭圆中心的像点坐标和椭圆短半轴长度(像素数)。

图5　阈值分割

图6　椭圆拟合

2) 根据求得的图像椭圆短半轴长度(像素数)，像素数最大的两个为2个大标志的成像，根据飞行方向判断出对应的8号像点和11号像点。

3) 求取两个大标志与其他标志之间的距离(像素数)，最近的距离为11号点和14号点之间的距离，大标志为11号像点，另一个则为14号像点，此时实现了像片的定向。垂直8号像点和11号像点连线方向上的距离最近点分别为7号像点和9号像点。

4) 上面工作完成了5个基本配置标志(7、8、9、11、14号)的自动匹配工作，利用5个标志的物方和像方坐标信息，通过单像空间后方交会方法解算得到图像拍摄瞬间相机的6个外方位元素[1-2,11]概值。

5) 利用相机外方位元素概值与已知物点坐标(除5个基本配置点外)，通过共线条件方程解算得到其余物点的概略像点坐标。

6) 将步骤1)利用软件拟合得到的标志图像中心像点坐标与步骤5)解算得到的概略像点坐标进行比较，在两个方向上差值均在25个像素以内时认为摄影物点与该像点为对应匹配。

7) 根据标志库内编号数据为对应像点进行编号，完成摄影物点与像点的快速自动匹配工作。

三、两步法自动匹配方法验证试验

根据图4所示的标志布设规则在学校207号楼北侧墙面上布设21个摄影标志(如图7所示)。8号点、11号点为大标志，白色实心圆直径为0.2 m，其余标志为小标志，白色实心圆直径为0.1 m。为便于测量标志中心的物方坐标，在标志中心粘贴反射片，标志中心物方坐标量测结果见表2。

图7　在墙面上粘贴物方标志

利用哈苏H4D-60相机在距离墙壁垂直距离30 m处对摄影标志进行拍照，利用德国MVtec公司开发的图像处理软件HALCON编制了标志识别与自动匹配软件程序，通过阈值分割和椭圆拟合算法可获得标志图像的中心坐标(像素数)和拟合椭圆短半轴长度(像素数)，见表3。

表3　拍摄标志图像信息提取　像素

根据两步法自动匹配方法步骤1)—3)实现5个基本配置标志的匹配工作，利用5个基本配置标志的物方坐标和像方坐标计算得到图像拍摄瞬间摄站的6个外方位元素概值，见表4。

表4　解算的摄站外方位元素概值

根据摄站外方位元素概值与表2中的物方坐标，反解得到对应的像点坐标概值，转换为像素数后与表3的像点坐标比较(两个方向)，差值均小于25个像素时认为实现了摄影物点与像点的自动匹配，最终匹配情况如图8所示。

图8　摄影物点与像点自动匹配情况

经检核，两步法自动匹配的标志图像编号与实际对应的物点编号一致，验证了两步法摄影物点与像点自动匹配方法的正确性和有效性。

四、结束语

本文结合实际应用条件，对较远拍摄距离条件下(几百米)的摄影物点与像点的自动匹配方案进行研究，提出了两步法摄影物点与像点快速自动匹配方法。介绍了两步法自动匹配基本原理，设计了相应的验证性试验，利用编制的软件实现了摄影物点与像点的快速自动匹配，验证了方法的正确性和有效性。

两步法摄影物点与像点快速自动匹配方法可不依赖编码标志，在实现摄影物点与像点自动匹配的同时能够大大减小标志尺寸。两步法自动匹配方法算法简便、有效，可以提高图像处理在线处理时间，具有一定的实际应用价值[11-12]。该方法已在利用摄影测量技术对卫星导航系统动态定位性能进行检定的重大专项项目中得到成功应用。

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