关键词：
倾斜影像
对地定位
向量场内插
粗差剔除
核线平差
极坐标区域网平差
加权稳健估计
激光测距
摘要：
自上个世纪倾斜摄影产生以来,倾斜摄影技术的应用范围逐渐由军事侦查领域扩展到测绘领域,并于本世纪初成为一门热门技术。由于倾斜影像只需更低的成本就能提供更加丰富的地物信息,此特性使其广泛应用于城市三维建模,并扩展到城市规划、城市安全、政务辅助决策、军事监视、国土防卫等各个领域。倾斜摄影技术也极大地扩展了传统航空遥感的应用范畴,并成为数字城市、智慧城市和智慧地球建设,实现空、天、地一体化遥感数据处理的关键环节之一。而倾斜影像的对地定位数据处理是实现这些宏观应用的基础之一。为了提供高精度的对地定位结果,需要将倾斜影像及其它辅助传感器观测数据进行高度联合,从而统一在一个地面坐标系统中。倾斜影像对地观测定位的核心技术包括影像匹配与粗差剔除、区域网平差等,其中前者为后者提供输入。由于影像视角差异、地面纹理匮乏等各种因素,在这些数据的自动化处理中不可避免地混入大量的误匹配点。如果没有自动的粗差剔除方法,则必然需要大量的人工干预,从而降低数据处理效率,极端情况下会使得后续区域网平差无法获得最优的结果,进而影响对地定位精度。在倾斜影像的对地定位数据处理中,倾斜影像的成像特点、平差法方程的病态性、平差求解系统对粗差的容忍程度等因素都会影响平差的收敛性能以及平差结果精度,因此在平差模型中针对性地提出相应的解决方法具有十分重要的意义。此外,在一些特定的远端大倾斜影像对地观测任务中,由于地面控制条件的成本和保密性、观测任务的灵活性和临时性以及数据处理的及时性等因素,无法提供高精度的地面控制,从而采用传统摄影测量区域网平差很可能由于观测几何构型不理想而很难提供高精度的平差结果,最终影响对地任务的实施。在这种情况下,需要寻求新的约束条件,增强区域网平差刚性,减少对地面控制条件(如控制点)的依赖,从而提高平差精度。如在一些特定的载体平台上安装有激光测距仪,可提供观测目标或局部区域的深度约束信息,而如何利用这些多传感器的联合观测优势,实现观测数据的高度融合显得尤其重要。由此,本文以无人机为观测平台,针对性地研究了倾斜对地观测影像在自动化数据处理中匹配点的粗差剔除、新型的区域网平差理论与方法。针对不同的侧重点,本文主要的研究内容如下:(1)提出了一种倾斜影像的自适应粗差剔除方法——AIMR方法。在传统摄影测量领域,通常采用假设-检验方法(如RANSAC、MLESAC)剔除同名点中的粗差,但是这些方法需要设置一些敏感性参数(如点到核线的距离阈值)。然而在不同的场景结构、影像畸变、视角差异等因素中,无法确定最佳的阈值选择,从而影响自动化处理。为了避免敏感性参数的影响,本文采用向量场内插理论解决粗差剔除问题。进一步地,通过向量场内插的求解过程,针对性地设计了其敏感性参数的自适应方法。在AIMR方法的基础上,本文还考虑了倾斜影像视角差异的特点,设计了一种顾及影像纵横分辨率差异的基于各项异性高斯-均匀分布的混合似然模型,并将其引入到AIMR的求解框架中,形成了一种更加鲁棒的倾斜影像自适应粗差剔除方法-AOPM方法。本文利用无人机倾斜影像、具有视角差异的公开数据集影像对这两种方法进行了详细的实验对比分析。本文实验结果证明,这两种方法在自适应性和效率方面都要明显优于传统的RANSAC方法和MLESAC方法,在粗差剔除结果的正确率-召回率综合指标上也略优于后者。此外,实验证实AOPM方法继承了AIMR方法的自适应性,但却具有更好的中等粗差剔除能力,并能获得更高的正确率。(2)改进了常规的核线平差方法,设计了一种附加控制点约束的核线平差方法。传统摄影测量区域网平差方法的未知数主要包括影像外方位元素和地面点坐标,由于连接点的数量往往多于影像个数,从而平差求解系统对内存的消耗随着连接点数量增加而大幅提升。为了降低平差数据处理对存储资源和计算资源的消耗,本文利用像方核线约束方程作为平差的误差观测方程,以点到核线的几何距离作为观测值,结合地面控制点约束,构建了一种以核线方程为主、以控制点共线方程为辅的平差方法,从而将影像统一到控制点所在的地面坐标系中。这种平差方法的未知数主要包括影像外方位元素和控制点坐标,大大降低了未知数个数,从而降低对内存的要求。本文通过仿真实验和真实数据实验发现,这种方法仅需要少量迭代次数即可收敛到全局最优解(或全局最优解附近),此时再采用传统光束法平差方法将会很快收敛。(3)提出了基于加权稳健估计和附加控制点约束的极坐标平差方法。在传统摄影测量区域网平差中通常采用物方点的欧式坐标作为参数化表达,但在基高比减小的情况下,其法方程容易病态,从而影响平差收敛性能。本文在分析了不同物方点参数化表达法方程奇异性的基础上,综合考虑收敛性能和线性化负担,以极坐标表达的共线方程为主、以控制点欧式坐标参数化表达的共线方程为辅,设计了相应的平差模型。在此基础上,考虑了倾斜影像像点在地面
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