基于DLG的單近景影像建筑物三維測量技術

胡 亞 江

(深圳中銘勘測股份有限公司，廣東 深圳 518172)

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基于DLG的單近景影像建筑物三維測量技術

胡 亞 江

(深圳中銘勘測股份有限公司，廣東 深圳 518172)

結合數字地圖提供的位置信息，根據選取的建筑物特征點不同的類型，分別應用點點匹配和點線匹配兩種測量計算算法，實現單近景影像的建筑物三維測量，試驗結果證明，數字地圖的單近景影像匹配的建筑物三維測量技術能精確測量出建筑物高度，其精度能夠滿足三維地理信息數據采集精度的要求。

數字地圖，單近景影像，影像點坐標，建筑物三維測量

0 引言

在求解近景影像的攝影位置信息、攝影姿態信息、內方位元素信息、影像畸變參數的基礎上，可以實現影像像素點的空間定位信息。這時，任何一個像素點與物鏡中心的連線構成了一條空間攝影方向線，被測像素點的空間目標點就位于這條攝影方向線上，單張影像無法確定在攝影方向線的具體位置，因此不能唯一確定被攝物體的空間位置。

而在數字地圖的支持下，攝影方向線指向了數字地圖上的某個目標點或某個空間地物，利用數字地圖提供的平面位置，就可以實現單張近景影像的三維測量。根據所求空間地物點的類型不同，基于DLG的單張近景影像的三維測量技術可以分為兩類：一類是測量數字地圖上地形特征點的三維坐標，另一類是測量數字地圖上非地形特征點的三維坐標。

觀測的像素點對應于數字地圖的地形特征點時，該點的平面坐標是已知的，只要求出該點的高程即可；當觀測的像素點不是地形特征點而是空間目標的某個細部點時，該點的空間位置不能直接從數字地圖上得到。當觀測點位于數字地圖的某個直線目標上，那么可以在像素點和直線目標進行匹配，得到該像素點的對應點三維空間坐標。

1 數據預處理

以圖1的示例來介紹基于DLG的影像解析數據預處理過程。

1.1 影像點測量與坐標轉換

圖像上在計算機中是以width行、height列中的二維矩陣來表示，每一個像素點在二維矩陣中的位置可以用直角坐標系統C0—uv中的(u，v)坐標來表示。

對圖1中的1～9點進行影像測量，測量出各點的圖像坐標系(u，v)，并用轉換關系式(1)將其轉換為像平面坐標系(x，y)，單位為像素，像素點的像空間坐標系(x，y，-f)。

(1)

當然，焦距f是未知的，可以給定一個初始值(以像素為單位，示例中假定近似值為3 000)。

1.2 地物點坐標獲取

從數字地圖上獲取與影像像素點對應的空間地物點的二維平面坐標，這里應用C#.NET編程，利用ArcGIS ENGINE地圖控件，自動實現數字地圖上對應的空間地物點的平面坐標量測。

2 測量方法原理

2.1 點點匹配測量

所測的像素點對應于數字地圖的地形特征點時，該點的平面坐標是已知的，這里采用點點匹配的測量方法，只要求出該點的高程即可。其計算過程如下：

1)獲取像素點坐標(xp，yp)和相應的地形特征點平面坐標(X，Y)，對像素點坐標進行影像畸變改正：

(2)

2)計算像素點在攝影測量坐標系中的坐標：

(3)

3)對地形特征點的坐標進行變換和平移：

(4)

平面坐標的旋轉：

(5)

4)根據：

(6)

由三個方程計算地形特征點的高程，可以先計算點投影系數λ，然后計算高程：

(7)

2.2 點線匹配測量

當觀測的像素點不是地形特征點而是空間目標的某個細部點時，該點的空間位置不能直接從數字地圖上得到。如果觀測點位于數字地圖的某個直線目標上，那么可以采用像素點和直線目標進行匹配測量方法，得到該像素點的對應點三維空間坐標。具體實施過程如下：

2)根據影像的內外方位元素計算攝影中心在地圖坐標系中的坐標：

(8)

3)由攝影中心和像素點構成了一條空間攝影射線。該攝影射線在空間輔助坐標系中的水平偏角和仰角為：

(9)

同時，攝影方向線的方位角為：

α測=α攝-u

(10)

4)利用數字地圖上的直線端點的坐標計算其斜率：

(11)

5)那么，攝影方向線與該直線的水平交點坐標為：

(12)

6)根據攝影中心(X0，Y0)到被測點(XJ，YJ)的距離s，可以計算被測點高程為：

H=Z0+s×tan(v)

(13)

3 實例測量與精度分析

為了驗證建筑物三維測量的效果，對建筑物的各特征點進行測量和分析。圖2中對近景影像上的多個房角點和窗戶角點進行分層分列選取，從高度方向分為9層、在水平方向分為19列，除了三個被遮擋點以外，對總共171個像素點進行了觀測和計算。

利用以上點線匹配的測量技術，對這171個點進行了三維坐標計算，表1中列出了各點的高程結果，并進行了統計分析。

從表1的計算結果中可以看出：檢測點的外精度高于內精度，符合測量數據處理的規律。在沒有考慮到數字地圖自身精度

的情況下，計算結果統計精度達到了厘米級，遠高于數字地圖本身的分米級精度要求，所測建筑物高度的精度滿足三維地理數據的精度要求。

表1 三維測量的高程結果及精度計算

4 結語

基于數字地圖的單近景影像三維測量技術在近景影像解析的基礎上，根據地物點的不同類型，分別采用點點匹配和點線匹配兩種測量計算算法，實現對近景影像上的地理目標進行三維測量。試驗結果證明：通過數字地圖的單近景影像匹配的建筑物三維測量技術能精確測量出建筑物高度，其精度能夠滿足三維城市地理信息數據采集精度的要求。

[1] 馮文灝.近景攝影測量[M].武漢:武漢大學出版社,2002.

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[4] 張祖勛,吳 軍,張劍清.建筑場景三維重建中影像方位元素的獲取方法[J].武漢大學學報(信息科學版),2003,28(3)：265-271.

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Architectural three-dimensional measurement technology of single close-range image on the basis of DLG

Hu Yajiang

(ShenzhenZhongmingSurvey&MeasurementCo.,Ltd,Shenzhen518172,China)

Combining with location information supplied by digital map, according to different selected architectural characteristics, the paper respectively applies two kinds of measurement and computation methods of point-point matching and point-line matching, and realizes architectural three-dimensional measurement of single close-range image. The experimental results show that: architectural three-dimensional measurement technology matching single close-range image of digital map can accurately measure building height. Furthermore, the accuracy can meet three-dimensional geographic information data collecting accuracy demands.

digital map, single close-range image, image-point coordinate, architectural three-dimensional measurement

1009-6825(2016)16-0218-02

2016-03-20

胡亞江(1980- )，男，碩士，工程師

TU198

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