一种无人机航空影像快速匹配方法组成比例

本发明专利技术提供一种无人机航空影像快速匹配方法，涉及测绘技术领域。该方法包括：计算机模拟生成地面三维采样点集，并将点集变换到选定坐标系下；将无人机POS数据处理为曝光点位，并将曝光点位变换到选定坐标系下，再将曝光点位与采样点集叠加到测量坐标系下；利用中心投影构像方程计算像点的像平面坐标，根据像平面坐标确定采样点对照片的可见性，并将点集投影到无人机照片；根据照片之间共有的采样点确定影像之间的匹配关系。本发明专利技术提供的一种无人机航空影像快速匹配方法，基于虚拟地面采样点的影像投影，利用影像可视的地面采样点集合，判断照片之间的匹配关系，在无人机影像匹配过程中能够彻底消除传统处理方法引起的无人机影像误匹配的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机航空影像快速匹配方法
本专利技术涉及测绘
，具体涉及一种无人机航空影像快速匹配方法。
技术介绍
在摄影测量数据处理中，影像匹配为影像定向提供同名点坐标观测值，其精度很大程度上决定了摄影测量最终成果的精度，而影像匹配的速度是影响摄影测量数据处理效率的重要因素，传统航测以载人飞机作为飞行平台，良好的飞行控制能够保证较小的尺度、视角和转角变化，因此同名点的点位可以预测，而无人机平台受天气和地形影响较大，影像的尺度、视角和转角变化较大，利用传统航测影像匹配方法难以实现影像的稳健匹配。现有的影像特征(SIFT)算子可以从影像中提取大量尺度和旋转不变的特征点，而特征点对仿射变换和光照变化具有良好的适应性，因此被广泛用于摄影测量的影像匹配，然而，基于最近邻搜索的影像匹配通常存在误匹配结果，将误匹配的影像引入平差计算将引起空三精度的下降，甚至导致影像整体定向不收敛。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种无人机航空影像快速匹配方法，以计算机模拟地面三维采样点集为基础，利用中心投影构像方程虚拟影像投影，根据影像间的共有采样点确定影像之间的匹配关系，消除了传统处理方法引起的影像误匹配问题。为了实现上述目的，一种无人机航空影像快速匹配方法，包括以下步骤：步骤1：根据被测区域的地形和范围，采用不同的方式利用计算机模拟生成地面三维采样点集，然后将采样点集的坐标变换到选定的测量坐标系下；其中，对于地形平坦的区域，在一个高程平面内进行三维坐标采样，对于地形复杂的区域，利用全球数字高程模型，生成三维采样点集；步骤2：将无人机定位定姿系统获取的位置和姿态数据处理为曝光点位，并变换到选定的测量坐标系下，将无人机的曝光点位与地面三维采样点集叠加到测量坐标系下；步骤3：利用中心投影构像方程计算像点的像平面坐标(x，y)，根据采样点的像平面坐标确定地面采样点对照片的可见性，并将地面采样点集投影到无人机照片；步骤4：根据照片之间共有的采样点确定影像之间的匹配关系，若对于任意两张照片，如果可见的地面采样点存在交集，即断定这两张照片存在匹配关系。进一步地，所述步骤3中中心投影构像方程的公式如下：其中，f为摄影测量的焦距，(X，Y，Z)为地面采样点的测量坐标系坐标，(XS，YS，ZS)为投影中心的测量坐标系坐标，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3分别为9个方向的余弦；9个方向的余弦计算公式如下：其中，ω为摄影测量的像空间坐标系绕X轴的转角，为摄影测量的像空间坐标系绕Y轴的转角，κ为摄影测量的像空间坐标系绕Z轴的转角。本专利技术的有益效果：本专利技术提出一种无人机航空影像快速匹配方法，利用计算机模拟地面采样点，结合无人机定位定姿(POS)数据，基于中心投影构像方程计算虚拟地面采样点的影像投影，在此基础上，利用影像可视的地面采样点集合求交，判断照片之间的匹配关系，在无人机影像匹配过程中能够彻底消除传统处理方法引起的无人机影像误匹配的问题。附图说明图1为本专利技术实施例中无人机航空影像快速匹配方法的流程图；图2为本专利技术实施例中在被测区域利用计算机模拟生成的地面三维采样点集；图3为本专利技术实施例中无人机相机曝光点位；图4为本专利技术实施例中无人机的曝光点位与地面三维采样点集叠加点位；图5为本专利技术实施例中单张照片覆盖的地面采样点；图6为本专利技术实施例中无人机照片的三维曝光点位。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优势更加清晰,下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术,并不用于限定本专利技术。一种无人机航空影像快速匹配方法，流程如图1所示，具体方法如下所述：步骤1：根据被测区域的地形和范围，采用不同的方式利用计算机模拟生成地面三维采样点集，然后将采样点集的坐标变换到选定的测量坐标系下；其中，对于地形平坦的区域，在一个高程平面内进行三维坐标采样，对于地形复杂的区域，利用全球数字高程模型，生成三维采样点集。本实施例中，在被测区域利用计算机模拟生成的地面三维采样点集如图2所示。步骤2：将无人机定位定姿系统获取的位置和姿态数据处理为曝光点位，并变换到选定的测量坐标系下，将无人机的曝光点位与地面三维采样点集叠加到测量坐标系下。本实施例中，无人机相机曝光点位如图3所示，无人机的曝光点位与地面三维采样点集叠加点位如图4所示。步骤3：利用中心投影构像方程计算像点的像平面坐标(x，y)，根据采样点的像平面坐标确定地面采样点对照片的可见性，并将地面采样点集投影到无人机照片。所述中心投影构像方程的公式如公式(1)所示：其中，f为摄影测量的焦距，(X，Y，Z)为地面采样点的测量坐标系坐标，(XS，YS，ZS)为投影中心的测量坐标系坐标，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3分别为9个方向的余弦；9个方向的余弦计算公式如公式(2)所示：其中，ω为摄影测量的像空间坐标系绕X轴的转角，为摄影测量的像空间坐标系绕Y轴的转角，κ为摄影测量的像空间坐标系绕Z轴的转角。本实施例中，单张照片覆盖的地面采样点如图5所示，在影像覆盖范围内的地面采样点对该照片可见。步骤4：根据照片之间共有的采样点确定影像之间的匹配关系，对于任意两张照片，如果可见的地面采样点存在交集，即断定这两张照片存在匹配关系。现有技术中还采用基于SIFT算子的影像匹配方法进行影像匹配操作，SIFT算子是影像匹配的经典算法，可以从影像中提取大量尺度和旋转不变的特征点，因此被广泛用于摄影测量和三维计算机视觉。SIFT算子能够提取特征点的位置、尺度及特征点所在邻域的特征描述。SIFT特征描述以128维向量表达，用于对特征点进行匹配。常规匹配方法利用核线约束剔除大部分误匹配的特征点，但不能彻底消除影像的误匹配问题。下面就基于SIFT算子的影像匹配方法与本专利技术提出的无人机航空影像快速匹配方法进行对比试验。对4条航线共120张无人机照片进行两两SIFT匹配，图6显示了120张无人机照片的三维曝光点位和空三重建的稀疏点云。表1为基于SIFT算子的无人机照片匹配结果，结合图6，可以知道SIFT匹配结果存在误匹配。表1中数字为当前航线号下每张照片与1号航线下的照片1匹配得到的同名点数，数字大于1表示两张照片存在匹配关系，加下划线的匹配结果为误匹配的影像对。表1基于SIFT算子的无人机照片匹配结果当采用本专利技术提出的方法计算得到的照片匹配关系如表2所示。表2中的匹配结果为每一张照片与1号航线下的照片1的匹配关系，其中，1表示两张照片存在匹配关系，0表示照片不存在匹配关系，加下划线的匹配结果为表1中误匹配的影像对。通过对比可以发现本专利技术提出的方法彻底消除了SIFT影像匹配方法引起的无人机影像误匹配的问题。表2无人机航空影像快速匹配方法的匹配结果在计算效率方面，SIFT匹配的120张照片两两匹配时间为8分钟，而本专利技术提出的照片匹配关系计算方法的计算时间为5秒钟，明显优于SIFT影像匹配方法。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本专利技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本专利技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；因而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机航空影像快速匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据被测区域的地形和范围，采用不同的方式利用计算机模拟生成地面三维采样点集，然后将采样点集的坐标变换到选定的测量坐标系下；其中，对于地形平坦的区域，在一个高程平面内进行三维坐标采样，对于地形复杂的区域，利用全球数字高程模型，生成三维采样点集；步骤2：将无人机定位定姿系统获取的位置和姿态数据处理为曝光点位，并变换到选定的测量坐标系下，将无人机的曝光点位与地面三维采样点集叠加到测量坐标系下；步骤3：利用中心投影构像方程计算像点的像平面坐标(x，y)，根据采样点的像平面坐标确定地面采样点对照片的可见性，并将地面采样点集投影到无人机照片；步骤4：根据照片之间共有的采样点确定影像之间的匹配关系，对于任意两张照片，如果可见的地面采样点存在交集，即断定这两张照片存在匹配关系。

【技术特征摘要】
2018.04.11 CN 20181032053171.一种无人机航空影像快速匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据被测区域的地形和范围，采用不同的方式利用计算机模拟生成地面三维采样点集，然后将采样点集的坐标变换到选定的测量坐标系下；其中，对于地形平坦的区域，在一个高程平面内进行三维坐标采样，对于地形复杂的区域，利用全球数字高程模型，生成三维采样点集；步骤2：将无人机定位定姿系统获取的位置和姿态数据处理为曝光点位，并变换到选定的测量坐标系下，将无人机的曝光点位与地面三维采样点集叠加到测量坐标系下；步骤3：利用中心投影构像方程计算像点的像平面坐标(x，y)，根据采样点的像平面坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：于大鹏，徐成业，刘伟，刘建国，高冬红，曲友龙，邹恒斌，丛露滋，
申请(专利权)人：中冶沈勘工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21