说明书一种航空摄影非立体采集的测图方法
技术领域
本发明涉及摄影测量研究领域，特别涉及一种航空摄影非立体采集的 测图方法。
背景技术
随着信息化时代、地理信息系统和虚拟城市等技术在世界各国的迅速 发展，人们对城市中各种三维信息的表达与处理日益迫切，利用这些三维 信息有助于进行有关城市开发决策支持、城市的规划设计、应急指挥、三 维空间分析、污染分布仿真、土木工程等工作。三维数字城市的建设元素 中，建筑物的建设数量最多，难度最大，精细化程度要求也相对更高。
目前，建筑物三维模型的矢量数据通常是使用三维数据采集软件生产 得到的，当前三维数据采集软件大多数都是基于影像构建立体环境进行测 图的，这种测图方式依赖高性能的计算机、专业图形显卡、3D显示器、 3D眼镜、3D鼠标(或手轮脚盘)，及专业的数字摄影测量系统(如Virtuozo)， 需要建立摄影测量工作站，然后由专业立体采集人员佩戴上3D眼镜后在 立体环境下完成测图，这种方式存在硬件设备多而且费用大，对人员要求 高的缺点。目前也有对非立体环境下的测图方式进行的相关研究，但作业 效率偏低，精度不高，尚不能满足市场要求。
发明内容
为了克服传统的基于多幅影像采集地物三维坐标的不足，本发明公开 了一种航空摄影非立体采集的测图方法，该方法不需要立体设备辅助测 图，完全基于非立体环境完成作业，同时使用了DSM数据用于辅助测图， 因此不仅降低了硬件成本，而且具有精度高、作业效率高的优点。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种航空摄影非立体采集的 测图方法，包括步骤：
(1)以立体像对、外方位元素、相机参数、DSM数据作为输入数据；
(2)设置不少于2个显示窗口，立体像对分别加载在其中第一显示 窗口和第二显示窗口内；
(3)在第一显示窗口内绘制屋顶多边形pgn1，查询DSM数据得到 该屋顶多边形各顶点的初始Z值；
(4)根据共线方程和Z值算出所述屋顶多边形pgn1中各顶点的大地 坐标，得到大地坐标系下的多边形PGN，再由共线方程计算PGN各顶点 在第二显示窗口上的像平面坐标，构成多边形pgn2；
(5)判断第二显示窗口上的多边形pgn2是否与其内部加载的影像中 的屋顶套合，如果不套合则移动所述pgn2中的相应顶点使其套合，然后 进入步骤(6)；如果套合，则PGN就是所要求得的结果多边形，完成测 图；
(6)根据摄影测量中空间前方交会原理，由pgn1和pgn2这两个影 像多边形计算出大地坐标下的结果多边形，完成测图。
作为另一种优选，所述步骤(5)为：判断第二显示窗口上的多边形 pgn2是否与其内部加载的影像中的屋顶套合，如果不套合则调整所述屋顶 多边形pgn1中的相应顶点的Z值使其套合。
具体的，所述步骤(1)中，立体像对、外方位元素、相机参数、DSM 数据作为输入数据输入后进行以下处理：
(1-1)对DSM数据进行预处理：将DSM数据的所有记录从测量坐 标转至相应影像的平面坐标下；
(1-2)加载外方位元素、相机参数：这一过程中加载相机参数，并将 所有影像的文件名添加至影像列表控件中；
(1-3)设置DSM预处理后的所在目录；
(1-4)设置结果文件路径，用于保存采集好的大地坐标。
具体的，所述步骤(4)中，由共线方程和Z值计算所述屋顶多边形pgn1 中某一顶点像平面点坐标(x1,y1)对应的大地坐标(X,Y,Z)的过程是：
X - X s Y - Y s Z - Z s = t a 1 a 2 a 3 b 1 b 2 b 3 c 1 c 2 c 3 x 1 - x 0 y 1 - y 0 - f ; ]]>
故：
X = X s + t [ a 1 ( x 1 - x 0 ) + a 2 ( y 1 - y 0 ) - fa 3 ] Y = Y s + t [ b 1 ( x 1 - x 0 ) + b 2 ( y 1 - y 0 ) - fb 3 ] Z = Z s + t [ c 1 ( x 1 - x 0 ) + c 2 ( y 1 - y 0 ) - fc 3 ] ]]>
令Z＝Z1，则 t = Z 1 - Z s [ c 1 ( x 1 - x 0 ) + c 2 ( y 1 - y 0 ) - fc 3 ] , ]]>由此可得：
X = X s + t [ a 1 ( x 1 - x 0 ) + a 2 ( y 1 - y 0 ) - fa 3 ] Y = Y s + t [ b 1 ( x 1 - x 0 ) + b 2 ( y 1 - y 0 ) - fb 3 ] Z = Z 1 ; ]]>
其中，(X,Y,Z)是待求的大地坐标；(Xs,Ys,Zs)为影像外方位元素中的线元 素；(x1,y1)是已知的像平面点坐标；(x0,y0)是像主点在框标坐标系中的坐 标；f为相机参数中的焦距；t是模型比例尺的缩放系数；Z1为(x1,y1)对 应地物特征点的高程值；摄影相机姿态角对应的旋转矩阵为：
a 1 a 2 a 3 b 1 b 2 b 3 c 1 c 2 c 3 ; ]]>
即由像平面坐标(x1,y1)求得物点的大地坐标(X,Y,Z)。
具体的，所述步骤(4)中，由共线方程计算PGN某一顶点(X,Y,Z)在 第二显示窗口上的像平面坐标(x′，y′)的步骤是：
x ′ = x 0 - f a 1 ( X - X s ) + b 1 ( Y - Y s ) + c 1 ( Z - Z s ) a 3 ( X - X s ) + b 3 ( Y - Y s ) + c 3 ( Z - Z s ) y ′ = y 0 - f a 2 ( X - X s ) + b 2 ( Y - Y s ) + c 2 ( Z - Z s ) a 3 ( X - X s ) + b 3 ( Y - Y s ) + c 3 ( Z - Z s ) ; ]]>
其中,(Xs,Ys,Zs)为影像外方位元素中的线元素；(x0、y0)为像主点在框标 坐标系中的坐标(即偏移量，一般很小)，f为相机参数中的焦距，这两 个数据都包括在相机参数中。摄影相机姿态角对应的旋转矩阵为：
a 1 a 2 a 3 b 1 b 2 b 3 c 1 c 2 c 3 ; ]]>
即由物点的大地坐标(X,Y,Z)求得第二显示窗口上的像平面坐标(x′，y′)。
步骤(6)中所述的空间前方交会属于现有技术，其定义是：由立体 像对中两张像片的内、外方位元素和像点坐标来确定相应地面点的地面坐 标的方法。所述步骤(6)中，由pgn1和pgn2这两个影像多边形计算出大地 坐标下的结果多边形的计算过程具体见王佩军、徐亚明编著的、由武汉大 学出版社出版的《摄影测量学》第二版。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明方法充分利用摄影测量学的基本原理和算法，在作业的过 程中，始终是以单张相片为基础，所以不需要立体采集环境即能完成三维 坐标的采集工作，因此可以去除手轮脚盘以及三维显示装置等设备，降低 硬件成本。
2、对于本发明，普通数据处理人员即可胜任房屋屋顶三维结构矢量 线的采集工作，作业人员的门槛大大的降低，并且可以节省培训投入成本。
3、本发明方法将地物的三维坐标采集从三维环境转移至二维环境， 整个工作流程被简化，在保证精度的前提条件下提升了工作效率。
4、本发明方法中采用了DSM数据用于辅助测图，通过DSM获取准 确的Z预判值，即提高了采集精度，又加快了作业效率。
附图说明
图1是实施例1所述方法的流程图。
图2是实施例1中的操作界面示意图。
图3是实施例2所述方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实 施方式不限于此。
实施例1
本实施例所述航空摄影非立体采集的测图方法在普通PC机上实现， 以采集平面屋顶为例。输入数据包括：
1、影像数据：27010.tif、27011.tif、27009.tif、26010.tif。
2、DSM数据：27009_27010.las、27010_27011.las、26010_26011.las。
3、相机参数文件UCXP.cmr，格式如下：
4、外方位元素文件photos.txt，格式如下：
准备工作：将影像数据、DSM数据、相机参数文件、外方位元素文 件都放在同一目录workspace下。
参见图1，本实施例所述航空摄影非立体采集的测图方法，包括以下 步骤：
1、对DSM数据进行预处理：本发明中的DSM指数字表面模型，指 物体表面形态以数字表达的集合。本发明提到的DSM数据指点云数据， 点云是在同一空间参考系下表达目标空间分布和目标表面特性的海量点 集合，包含地物点的三维坐标(XYZ)，也可能包含激光反射强度(Intensity) 以及颜色信息(RGB)。
进行预处理的过程是：作业人员使用批处理工具将DSM数据的所有 记录从测量坐标转至相应影像的平面坐标下，如将27010_27011.las转至 27010.tif下并命名为27010_27011_to_27010.las，将27010_27011.las转至 27011.tif下并命名为27010_27011_to_27011.las，将最后的预处理结果保存 于workspace\dsm_data\目录下。
2、加载外方位元素文件(D:\workspace\photos.txt)：外方位元素文件 中已经记录了所有影像的文件名和相机参数文件，所以此操作会同时加载 相机参数文件，并将所有的影像名添加至影像列表控件中。
3、设置DSM预处理后的所在目录(D:\workspace\dsm_data\)。
4、设置结果文件路径(D:\workspace\result.shp)：用于保存采集好的房 屋屋顶顶部结构矢量线(即大地坐标系下的结果多边形)。
5、将影像27010.tif设为左影像，左窗口会加载并显示该影像；将影 像27011.tif设为右影像，右窗口会加载并显示该影像。操作界面图如图2 所示。其中左影像、右影像为一立体像对，立体像对是航线上相邻摄站获 取的具有重叠影像的两张像片，由于具有重叠影像，因此在立体观察系统 中(如立体测图仪或立体镜等)，就可构成立体模型，进行立体观察、解 译和测绘。
6、作业人员单击采集屋顶多边形按钮，也就是选取地物的特征点， 然后在左窗口中沿着屋顶的轮廓线进行矢量化，得到多边形pgn1，在此过 程中，系统已经根据pgn1的每个顶点(x1,y1)坐标通过查询DSM数据为 每个顶点赋了初始Z值，得到pgn1之后，系统根据pgn1的每个顶点坐标 (x1,y1)以及Z值由共线方程反算出摄影测量坐标，也就是大地坐标 (X,Y,Z)，并更新结果图层，然后系统会将pgn1再由共线方程投影到右窗 口上的右影像上，计算得到pgn1在右影像上的像平面坐标，得到多边形 pgn2。所述像平面坐标是用来描述像点在像片中的位置。所述大地坐标为 地面摄影测量坐标，它是过渡性坐标系，摄影测量中，首先将地面点在像 空间辅助坐标系的坐标转换为地面摄影测量坐标，再转换为地面测量坐 标。共线方程即根据摄影中心、像点和地物点三点共线关系由大地坐标解 算像平面坐标的共线方程式。
7、作业人员在右窗口中目视pgn2是否与右影像中的屋顶重合，如果 不重合，则平移pgn2中的相应顶点(x′，y′)使其重合，如果重合，则直接转 至下一步。
8、根据摄影测量中空间前方交会原理(也就是同名像点)，由pgn1 和pgn2的各顶点坐标解算出对应的大地坐标(X,Y,Z)，并得到大地坐标 系下的结果多边形，并更新结果图层。
实施例2
本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：
本实施例所述方法如图3所示，以影像数据(立体像对)、相机参数、 外方位元素以及DSM数据作为输入数据，在左右窗口中分别加载左影像 和右影像，在左窗口绘制屋顶多边形pgn1，查询DSM数据得到pgn1各 顶点的Z坐标值，由共线方程将pgn1的各顶点坐标转换至大地坐标，得 到大地坐标系下的多边形PGN，然后再由共线方程将PGN转换至右影像 中，得到多边形pgn2，作业人员在右窗口中目视pgn2是否与屋顶重合。
如果重合，则直接将PGN更新至结果图层result.shp中；否则回到左 影像上调整Z值，此时PGN和pgn2都会被更新，重复该操作，直到pgn2 与屋顶重合为止，当作业人员判断pgn2和右影像中的屋顶重合以后，则 停止调整，此时将PGN更新至结果文件result.shp中。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上 述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改 变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明 的保护范围之内。