專利名稱：采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法
技術領域：
本發明涉及一種三維重建方法，特別涉及一種采用方差分量估計的廣義立體像對
三維重建方法。
背景技術：
隨著遙感技術、傳感器技術及計算機技術的飛速發展，人類在對地觀察領域實現了前所未有的跨越式發展。越來越多的高分辨率遙感商用衛星、軍用衛星、臨近空間飛行器、航空飛機、無人偵察機等觀測平臺的出現，使得人們獲取大范圍高精度三維場景模型成為了可能。其中，利用遙感數據進行三維重建也成了遙感領域的研究熱點。早期，人們利用嚴格傳感器模型，通過精確獲取成像傳感器的內、外定向參數，通過相同成像系統獲取的多角度立體像對的前方交匯，利用最小二乘技術實現感興趣目標點的三維重建，進而，利用插值技術可以實現大范圍場景DEM的快速生成；隨著IK0N0S2、QuickBird等高分辨率衛星服務提供商為用戶提供衛星圖像的有理多項式模型(Rational Function Model, RFM),基于RFM的三維重建技術得到了廣泛的研究。總的來說，基于RFM的三維重建技術的發展經歷了三個階段第一階段，就是利用前方交匯的立體成像技術構造最小二乘估計模型，采用給定的RFM參數實現未知三維坐標的求解；第二階段，人們開始意識到原始的RFM模型可能存在比較嚴重系統誤差，為此，通過兩種途徑可以實現三維重建精度的提高。第一種方法是通過利用具有精確三維坐標的地面控制點(Ground Control Point, GCP),采用叢調整技術(Bundle-Adjustment)等實現對原始RFM模型的修正；第二種方法不需要修正RFM模型,但也是利用具有精確三維坐標的GCP，通過在圖像域或者目標域計算坐標變換模型(修改原始RFM前方交匯方法中的輸入或輸出)，來實現目標點三維重建精度的改進。第三階段，為了更好的利用廣泛的遙感數據，人們已經不拘泥于相同成像系統下獲取立體數據，而是根據需求，通過聯合利用不同成像系統具有不同分辨率的遙感數據實現三維重建。但是當前所使用的方法還僅僅停留在對經典基于RFM前方交匯三維重建方法的小修小補上。然而，無論是基于嚴格傳感器模型的三維重建方法還是基于RFM的三維重建方法，現有方法大多嚴格要求構成立體像對圖像的成像傳感器除成像俯仰角外具有嚴格相同的內外定向參數，以使立體像對針對交疊區域具有完全相同的尺度關系。這就造成了針對同一觀測場景的不同成像條件下的遙感數據無法得到充分的利用，例如不同平臺、不同角度、不同時相。因此，就需要研究相關理論，實現利用由不同成像系統獲取的具有交疊區域的遙感圖像構成的廣義立體像對來完成三維重建任務。面對不同成像系統下由于大角度造成的同圖像各像素分辨率差異及不同成像條件圖像間分辨率差異往往很大的情況，經典的基于RFM前方交匯三維重建方法的數學模型將變成一種具有嚴重不平衡性的廣義線性方程組。因此，迫切需要從根本上解決具有嚴重分不平衡性的廣義立體像對三維重建問題
發明內容
本發明的目的是為了解決面對不同成像系統下由于大角度造成的同圖像各像素分辨率差異及不同成像條件圖像間分辨率差異很大時，現有的基于RFM的廣義立體像對三維重建方法存在具有嚴重不平衡性的廣義線性方程組的問題，本發明提供一種采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法。本發明的采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法，它包括如下步驟步驟一根據成像傳感器的參數，得到待重建的目標點在廣義立體像對各圖像中對應點的像素級分辨率；步驟二 利用所述廣義立體像對各圖像的RFM通用傳感器模型構造關于待重建的目標點三維重建的廣義線性方程組；步驟三利用步驟一中得到的像素級分辨率對步驟二中構造的廣義線性方程組進行權值矩陣初始化；步驟四利用加權最小二乘估計對待重建的目標點的三維坐標進行初始估計；步驟五根據當前的權值矩陣及待重建的目標點的三維坐標的初值，利用加權最小二乘估計得到當前迭代下待重建的目標點的三維坐標相對所述三維坐標初值的增量，并得到當前估計的誤差量；步驟六判斷所述當前估計的誤差量是否滿足精度要求，若滿足，則輸出當前待重建的目標點的三維坐標的估計值，完成三維重建，若不滿足，則轉入步驟七；步驟七根據所述當前估計的誤差量，利用方差分量估計方法對當前的權值矩陣進行更新，再利用加權最小二乘估計對待重建的目標點的三維坐標的估計值進行更新，轉入步驟五。本發明的優點在于，本發明通過詳細分析廣義立體像對各圖像中目標點像素的實際分辨率并結合方差分量估計解決了基于RFM的廣義立體像對三維重建數學模型嚴重不平衡的問題，有效改善了經典的基于RFM的三維重建算法實現廣義立體像對三維重建的精度。使得可以綜合利用具有不同成像條件的廣義立體像對實現對感興趣目標點的三維重建任務，提高了現有數據的利用效率。
圖1為本發明所述的采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法的流程示意圖。圖2為本發明具體實施方式
二所述的采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法的像素級分辨率的分析示意圖，其中A表示成像傳感器。圖3為本發明具體實施方式
三所述的采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法的像素級分辨率的分析示意圖，其中A表示成像傳感器。圖4為QuickBird衛星獲取的多時相高分辨率衛星圖像采用本發明所述的采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法的控制點的示意圖。圖5為WorldVieW2衛星獲取的多時相高分辨率衛星圖像采用本發明所述的采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法的控制點的示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法，它包括如下步驟步驟一根據成像傳感器的參數，得到待重建的目標點在廣義立體像對各圖像中對應點的像素級分辨率；步驟二 利用所述廣義立體像對各圖像的RFM通用傳感器模型構造關于待重建的目標點三維重建的廣義線性方程組；步驟三利用步驟一中得到的像素級分辨率對步驟二中構造的廣義線性方程組進行權值矩陣初始化； 步驟四利用加權最小二乘估計對待重建的目標點的三維坐標進行初始估計；步驟五根據當前的權值矩陣及待重建的目標點的三維坐標的初值，利用加權最小二乘估計得到當前迭代下待重建的目標點的三維坐標相對所述三維坐標初值的增量，并得到當前估計的誤差量；步驟六判斷所述當前估計的誤差量是否滿足精度要求，若滿足，則輸出當前待重建的目標點的三維坐標的估計值，完成三維重建，若不滿足，則轉入步驟七；步驟七根據所述當前估計的誤差量，利用方差分量估計方法對當前的權值矩陣進行更新，再利用加權最小二乘估計對待重建的目標點的三維坐標的估計值進行更新，轉入步驟五。步驟三中的初始化后的權值矩陣為進行加權最小二乘估計求解過程中所需權值矩陣；主要目的在于根據立體像對圖像間的分辨率關系來消除由于圖像分辨率不同引起的不平衡問題，并為后面迭代估計最優方差分量提供較好初始值具體實施方式
二本實施方式是對具體實施方式
一所述的采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法的進一步限定，步驟一中根據成像傳感器的參數，得到待重建的目標點在廣義立體像對各圖像中對應點的像素級分辨率的方法為根據成像傳感器的高度H、瞬時視場角Θ、俯仰角β和圖像大小Ν*Ν，獲得該傳感
器獲得的圖像中的第k個像素的分辨率為
權利要求
1.采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法，其特征在于，它包括如下步驟步驟一根據成像傳感器的參數，得到待重建的目標點在廣義立體像對各圖像中對應點的像素級分辨率； 步驟二 利用所述廣義立體像對各圖像的RFM通用傳感器模型構造關于待重建的目標點三維重建的廣義線性方程組； 步驟三利用步驟一中得到的像素級分辨率對步驟二中構造的廣義線性方程組進行權值矩陣初始化； 步驟四利用加權最小二乘估計對待重建的目標點的三維坐標進行初始估計； 步驟五根據當前的權值矩陣及待重建的目標點的三維坐標的初值，利用加權最小二乘估計得到當前迭代下待重建的目標點的三維坐標相對所述三維坐標初值的增量，并得到當前估計的誤差量； 步驟六判斷所述當前估計的誤差量是否滿足精度要求，若滿足，則輸出當前待重建的目標點的三維坐標的估計值，完成三維重建，若不滿足，則轉入步驟七； 步驟七根據所述當前估計的誤差量，利用方差分量估計方法對當前的權值矩陣進行更新，再利用加權最小二乘估計對待重建的目標點的三維坐標的估計值進行更新，轉入步驟五。
2.根據權利要求1所述的采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法，其特征在于，步驟一中根據成像傳感器的參數，得到待重建的目標點在廣義立體像對各圖像中對應點的像素級分辨率的方法為 根據成像傳感器的高度H、瞬時視場角0、俯仰角P和圖像大小N*N，獲得該傳感器獲得的圖像中的第k個像素的分辨率為
3.根據權利要求1所述的采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法，其特征在于，步驟一中根據成像傳感器的參數，得到待重建的目標點在廣義立體像對各圖像中對應點的像素級分辨率的方法為根據已知的成像傳感器的正視圖像的平均分辨率Re Sn和俯仰角0，獲得待重建的目標點在廣義立體像對各圖像中對應點的像素級分辨率為
4.根據權利要求1所述的采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法，其特征在于，步驟二中所述待重建的目標點三維重建的廣義線性方程組為
5.根據權利要求1所述的采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法，其特征在于，步驟三中初始化的權值矩陣為
6.根據權利要求1所述的采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法，其特征在于，步驟七中根據所述當前的誤差量，利用方差分量估計方法對當前的權值矩陣進行更新的方法為 步驟七一根據當前估計的誤差量Vlt = AXs= vA2 v；計算中間變量
全文摘要
采用方差分量估計的廣義立體像對三維重建方法，涉及一種三維重建方法，為了解決面對不同成像系統下由于大角度造成的同圖像各像素分辨率差異及不同成像條件圖像間分辨率差異很大時，現有的基于RFM的廣義立體像對三維重建方法存在具有嚴重不平衡性的廣義線性方程組的問題。所述方法為通過利用廣義立體像對中相應的待重建目標點的像素級分辨率關系實現將方差分量估計方法嵌入到經典的基于有理多項式模型RFM前方交匯的三維重建方法中，實現迭代求解未知三維坐標過程中的權值矩陣自適應調整，從而有效提高三維重建精度，提高廣義立體像對進行三維重建的可行性，它用于廣義立體像對的三維重建。
文檔編號G06T17/00GK103021021SQ20121045798
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月15日 優先權日2012年11月15日
發明者谷延鋒, 曹志民, 張曄 申請人:哈爾濱工業大學