測繪科學技術

車載全景相機的影像匹配和光束法平差

季順平，史云

摘要：目的：傳統膠片和CCD面陣相機成像視場狹窄，易受遮擋，可能無法滿足特定的應用需求。全景視覺成像具有成像一體化、360度大視場、旋轉不變性等優點，已經在機器人、計算機視覺等相關領域中逐步得到應用。本文研究了基于車載全景相機的空中三角測量，包括全景幾何成像模型，多特征連接點提取，以及GPS/IMU輔助光束法區域網平差。方法：首先，研究了曲面圖像的匹配方法。針對曲面圖像變形復雜，相對于普通相機更難匹配的挑戰，采用兩步匹配策略。第一步利用多特征匹配法，在獨立的5個魚眼相機圖像上分別提取SIFT和Fonster特征點并匹配。第二步，將匹配點投影到全景圖像上進行物方精匹配。然后，研究了全景相機的成像模型。根據魚眼相機的檢校參數，以及與全景球面的相對幾何關系，將單個魚眼圖像上像點轉換到全景球面；并建立球面坐標與地面坐標間的對應幾何關系——球面成像的共線條件方程。最后，研究了GPS/IMU輔助的全景相機的光束法區域網平差。將帶權GPS和IMU觀測方程與全景球面成像方程聯立，并通過非線性最小二乘解得相機的位置、姿態以及加密點坐標。結果：選用500張全景影像（3000張獨立魚眼圖像）進行了自動匹配和GPS/IMU約束的無地面控制平差試驗，總拍攝長度約1 km。匹配在2500張魚眼圖像上進行（不考慮500張天空圖像），平差在全景坐標系中進行。所采用的GPS/IMU系統的定位精度約5～20 pixels。魚眼圖像大小為1616 pixels×1232 pixels，像元分辨率為0.009 mm，焦距為3.3 mm，投影中心相互距離約40 mm；全景影像球面成像于距離球心24 m處。根據以上數據，得出以下結論：（1）在匹配實驗中，SIFT特征點大都出現在結構比較復雜的建筑物和一些樹木上，近距離的道路匹配點很少；而Forstner特征恰好彌補了這部分區域的空白，保證了近距離連接點的提取及對整體平差的貢獻。單個魚眼圖像可能由于缺少人工地物、或影像間存在巨大的變形，而只能匹配到少量幾對特征；但全景成像的優勢是將所有魚眼圖像的匹配點都投影到統一的球面坐標系，因此單個魚眼圖像匹配失敗不會影響后繼的平差。（2）在平差實驗中，比較了采用SIFT連接點、SIFT+Forstner連接點、SIFT+Forstner連接點且按距離加權（本文方法）的平差結果表明：3種方法所得到的外方位元素的精度都很高；但由于很多SIFT連接點位于較遠處，交會精度和平差精度較低，平差中誤差為0.84 pixel，剔除粗差后每片平均剩余19個特征點；利用SIFT+Forstner連接點，每片增至27個特征點，平差中誤差達到0.29 pixel；但本文的加權方法每片可保留75個特征點，并且中誤差為0.22 pixel，達到最好的實驗效果。結論：本文通過多特征匹配法，較好地提取了全景影像上的特征作為連接點；然后根據單獨魚眼相機與全景虛擬相機之間的幾何關系建立了全景球面成像模型；以此為基礎，建立GPS/IMU輔助的全景相機光束法區域網平差模型。實驗表明，本文的處理方法可有效地應用于車載全景相機的自動空中三角測量。

來源出版物：測繪學報, 2013, 42(1): 94-100

入選年份：2016

北斗三頻無幾何相位組合周跳探測與修復

黃令勇，宋力杰，王琰，等

摘要：目的：三頻GNSS無幾何相位組合具有誤差小、利于探測小周跳的優勢，但每個三頻無幾何相位組合均存在某些無法探測的不敏感周跳，且任意3個三頻無幾何相位組合均相關，即使采用兩個不相關的三頻無幾何相位組合聯合探測，仍有部分特殊周跳無法被探測，且被探測出的周跳修復較復雜。為充分發揮北斗作為目前唯一可實用的三頻導航系統的技術優勢，通過分析北斗三頻無幾何相位組合周跳探測不敏感問題，探索探測完備、修復準確的北斗三頻周跳處理算法。方法：基于三頻GNSS組合觀測理論，基于組合觀測誤差和電離層延遲盡可能小的原則，篩選了8組較優北斗三頻無幾何相位組合，然后以正常觀測條件下4倍組合觀測誤差為周跳探測閾值，對以上8組三頻無幾何相位組合兩兩成隊組合后的聯合周跳探測量在10、100周范圍內的不敏感周跳數目進行了統計分析。為解決兩個三頻無幾何相位組合仍存在不敏感周跳的問題，設計了一個具有長波長、誤差盡可能小的三頻偽距/載波無幾何組合，并保證該組合與兩個三頻無幾何相位組合能夠構造出3個線性無關的周跳探測檢驗量，以實現周跳的完全探測。為確保周跳修復準確簡單，提出了搜索算法，具體即以周跳探測量4倍觀測誤差確定搜索半徑，根據歷元間電離層延遲變化值設定搜索步長，以周跳修復值造成的探測量變化值與實際探測變化值差值的1范數最小原則來確定周跳修復值。結果：利用北斗北京檢測站接收的北斗2號星數據，選用無幾何相位探測組合（［1，1，-2］，［1，-2，1］）和偽距/載波組合［1，3，-4］對添加周跳的數據進行驗證，得出以下實驗結果：（1）無幾何相位組合相比偽距/載波組合受到的誤差影響小，利于小周跳的探測與修復；（2）一般周跳探測驗證結果表明，三個周跳探測量均能實現周跳正確探測，且準確修復；（3）單個周跳探測量存在無法探測的不敏周跳的實驗驗證表明，即使只有兩個探測量能探測周跳，仍能夠保證探測修復的正確；（4）經設置組合（［1，1，-2］，［1，-2，1］）均無法探測的特殊周跳（75，58，61）實驗驗證發現，只要有一個探測量能夠探測周跳，本算法依能實現周跳的正確探測與修復；（5）利用隨機生成的4周內所有三頻周跳實驗驗證發現，該算法選用的3個檢測量能夠完成周跳的準確探測與修復。結論：北斗三頻無幾何相位組合僅受載波噪聲和較小的電離層延遲影響，易于探測小周跳，但每個組合均存在一些無法探測的不敏感周跳。而聯合三頻偽距/載波相位組合構造3個線性無關的周跳探測檢驗量，可實現對所有周跳的探測，研究的周跳搜索修復算法，計算簡單快捷，可準確修復周跳。由于北斗三頻無幾何相位組合和三頻偽距/載波無幾何組合均與站星距離無關，故本算法可適用于動態、非差導航定位的周跳探測與修復。

來源出版物：測繪學報, 2012, 41(5): 763-768

入選年份：2016

影像與LiDAR數據信息融合復雜場景下的道路自動提取

李怡靜，胡翔云，張劍清，等

摘要：目的：城區的道路自動提取受場景復雜程度的影響一直是極具挑戰的任務，尤其是陰影和遮擋較嚴重地區的道路提取難度較大。結合LiDAR數據和高分辨率遙感影像兩種數據源各自的優勢，利用多信息融合實現道路中線的自動提取。方法：方法首先利用LiDAR數據的高程和強度信息、以及無陰影干擾、少遮蔽的特點，從濾波后的地面點云中提取初始的道路中心線及關鍵點。將地面點內插為強度影像，采用一維線性探測器從中探測強度值較高的帶狀明亮區域，并提取中心線作為道路初始中線，選取線形特征點作為初始道路關鍵點。然后將地面點云的高程離散度、反射強度、以及影像的光譜信息融合為多通道影像，依此驗證初始道路關鍵點，并建立多信息多特征的道路模型代價函數。最后將關鍵點作為種子點，利用動態規劃算法進行多路徑決策的道路中線優化，實現道路網的自動提取。結果：利用國際攝影測量與遙感學會提供的兩套數據進行方法的實驗分析。實驗數據1所含場景位于德國斯圖加特市內Vaihingen鎮，場景內道路模式多樣，較多路面被樹木和房屋的陰影遮蓋，無明顯道路邊緣。實驗融合4 pts/m2的LiDAR數據和8 cm分辨率的影像自動提取道路中線，其完整率和準確率分別為82%和88.3%，對比未使用多信息融合時的提取結果準確率提高了22.1%。試驗數據2所含場景位于加拿大多倫多市，場景內高樓云集，道路表面遮擋嚴重。實驗融合6 pts/m2的LiDAR點云和15 cm分辨率影像，自動獲取了完整率和正確率分別為91.8%和92.4%的道路中線。通過兩組實驗分析及與其它文獻方法的結果對比，驗證了所提出方法在復雜場景下自動提取道路的有效性。結論：影像與LiDAR數據融合下的道路提取方法結合了兩種數據源的優勢，適合于場景復雜的城區道路線自動獲取，通過兩組實驗分析與對比驗證了該方法的可行性。但該方法在參數閾值自適應選擇，以及深入挖掘高分辨率影像的細節信息方面還需進一步研究。

來源出版物：測繪學報, 2012, 41(6): 870-876

入選年份：2016

地理國情監測的學習札記

陳俊勇

摘要：地理國情是指那些與地理相關的自然和人文要素的國情，它從空間角度反映一個國家自然、經濟、人文的狀況，如：國土疆域概況、地理區域特征、地形地貌變遷、地表覆蓋變化、行政區域分界、江河湖海分布、地表水資源、道路交通網絡、土地利用、城鎮分布、環境與生態、災害分布、生產力、人口、資源等空間布局基本狀況。地理國情監測就是從地理的角度，采用空間化的方法，對國情進行持續觀測并對觀測結果進行描述、分析、預測和可視化的過程，即：以地球表層自然、生物和人文現象的空間變化和它們之間的相互關系、特征等為基本內容，對構成國家物質基礎的各種條件因素作出宏觀性、整體性、綜合性和動態性的調查、分析和描述，并通過可視化方法表達出來。地理國情監測是提高宏觀調控科學性的需要。通過地理國情監測，加強對資源環境、生態狀況的調查、監測、評估與預測，為國家提供權威、客觀、準確的地理國情信息，促進從地理空間上合理布局人口和經濟活動，優化配置各類資源，促進區域優勢互補、主體功能科學定位、國土空間高效利用。地理國情監測是科學管理的需要。可持續的長遠規劃需要地表植被、土地利用、生態變化、城鎮擴張等動態地理國情信息，揭示經濟社會發展與自然資源環境的內在關系和演變規律，促進重大事項決策、重要項目安排的科學決策、科學評價、科學管理。地理國情監測是持續發展的需要。地理國情監測可以客觀、公正地監測、統計、分析地表自然和人文信息的變化，監測國家和地方重大工程的進展，監測道路、城建的發展和變遷，提供客觀真實的地理信息，起到校正糾偏、輔助支持、監管檢驗等作用，促進信息共享和政務公開，減少和杜絕瞞報虛報，催生陽光行政。地理國情監測是科學、準確、及時掌握國情國力的重要手段，是利用現代測繪技術，綜合各時期測繪成果，對地形、水系、濕地、冰川、沙漠、地表形態、地表覆蓋、道路、城鎮等要素進行動態和定量、三維、連續的測繪。地理國情監測根據以上測繪成果，統計分析其變化量、變化頻率、分布特征、地域差異、變化趨勢等，形成反映各類資源、環境、生態等要素的空間分布及其變化的地理信息數據，從地理空間的角度，客觀、動態的綜合展示國情國力。測繪地理信息部門的地理國情監測的內容可能包括土地資源監測、環境監測、農情監測、森林和濕地監測、災害監測、水文監測、海洋監測、礦產資源監測、氣象監測、區域地理國情監測等方面，提供綜合的、可量測的地理空間現狀及其變化。專業部門只涉及本專業的地理國情監測，側重成因分析和后續管理決策。測繪地理信息部門的地理國情監測信息與專業部門的監測信息互相檢核，互為補充。作為國家地理信息獲取、處理、管理和服務的部門，測繪地理信息部門應組織和構建科學的地理國情監測體系，結合國家重大工程、重大戰略、突發事件和宏觀管理需求，為國家提供客觀、持續的地理國情信息。

來源出版物：測繪學報, 2012, 41(5): 633-635

入選年份：2016

病態總體最小二乘問題的廣義正則化

葛旭明，伍吉倉

摘要：總體最小二乘（TLS）算法可以視為一個降正則化的過程，對比最小二乘算法，病態總體最小二乘方法的解受系數陣數據誤差和觀測值誤差的影響將更為嚴重。探討用廣義正則化的方法降低病態性對總體最小二乘數值求解的影響，以提高求解結果的穩定性。通過多組算例結果表明，采用的廣義正則化方法在處理病態總體最小二乘問題上具有明顯的優勢。基于高斯-馬爾科夫模型的最小二乘算法，是測量數據處理中最為重要的方法之一。但是，最小二乘算法本身并不具有抗差性，其求解參數的精度和準確度通常會受觀測誤差的影響。從數學的角度來看，當設計矩陣存在病態時，觀測誤差對參數求解的準確性的惡性影響將隨病態程度的增加而加強。因此，我們通常使用正則化的方法來降低或解決系數矩陣的病態性問題。但是，對于總體最小二乘算法而言，其結算過程本身是一個最小二乘降正則化的過程，所以總體最小二乘算法相對于最小二乘算法來說將更加容易受到病態因素的影響。在總體最小二乘的概念中，觀測誤差不僅存在于觀測向量中，同時也存在于系數矩陣中。在這種情況下，觀測誤差對病態總體最小二乘的影響將遠遠超過病態最小二乘。雖然，基于總體最小二乘算法的求解過程容易受到諸多因素的影響，但是，因為其自身算法所固有優點（即充分考慮觀測值）使得該算法在數據處理中得到了越來越廣泛的應用。因此，我們更加有必要探討和解決病態問題對于總體最小二乘算法的影響，從而提高該算法求解結果的穩定性。從數學的角度出發，在最小二乘正則化方法的基礎上，對總體最下二乘正則化方法進行了探討和研究，并進一步給出了一種新的總體最小二乘廣義正則化的方法。利用不同方法對幾組經典數據算例進行結算，并通過對比所有結算結果，從而反應了我們給出的方法在處理病態總體最小二乘問題上具有較為明顯的優勢。

來源出版物：測繪學報, 2012, 41(3): 372-377

入選年份：2016