兩步法攝影物點與像點自動匹配方法研究

叢佃偉，許其鳳，董　明

(信息工程大學導航與空天目標工程學院，河南 鄭州 450001)

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兩步法攝影物點與像點自動匹配方法研究

叢佃偉，許其鳳，董明

(信息工程大學導航與空天目標工程學院，河南 鄭州 450001)

Two-step Method of Automatic Matching in Photogrammetry

CONG Dianwei，XU Qifeng，DONG Ming

摘要：攝影物點和像點的匹配工作是攝影測量中共線條件方程構建的基礎，在數字近景攝影測量中，多利用編碼標志方法實現自動匹配。本文提出了一種兩步法攝影物點與像點快速自動匹配方法，詳細闡述了兩步法自動匹配方法基本原理及匹配過程，利用編制的程序和搭建的試驗環境對兩步法的可行性和正確性進行了驗證。兩步法自動匹配方法算法簡單、可靠，可以縮短圖像處理時間，具有特定的應用價值，在實踐中已得到成功應用。

關鍵詞：攝影測量；自動匹配；空間交會定位；攝影標志；編碼標志

共線條件方程是攝影測量計算的基礎，方程構建的前提是實現攝影物點與像點的匹配[1-2]。在航空及航天攝影測量中，地面控制點數量有限，一般采用事后處理、人工匹配方法。在數字近景攝影測量中，常利用編碼標志實現攝影物點和像點的自動匹配[3]。目前應用廣泛的編碼標志主要分為同心圓環型(如圖1中的(a)和(b)所示)和點分布型(如圖1中的(c)和(d)所示)[4-6]，根據編碼規則，編碼標志的容量為幾十個到數百個。由于近景攝影測量攝影距離一般較近(幾米至幾十米)，編碼標志尺寸一般較小，邊長一般在10 cm以內，尺寸具體數值與相機參數及攝影距離相關。

圖1　典型編碼標志類型

在一些特殊應用場合，如控制點數量有限而又不便于布設大尺寸編碼標志時，則需要考慮建立一套不依賴于編碼標志的攝影物點與像點自動匹配方案。本文提出了一種兩步法實現攝影物點與像點快速自動匹配的方法，其主要步驟是先利用部分特征點計算攝站概略外方位元素值，然后利用已知物點坐標信息反算對應像點的概略像點坐標，解算像點坐標與軟件提取像點坐標并進行比較，設定合適閾值實現攝影物點與像點的自動快速匹配，該方法算法簡單、可靠，有實際應用價值。下文將從基本試驗條件、兩步法自動匹配基本原理及兩步法自動匹配試驗幾個部分詳細闡述。

一、基本試驗條件及方法需求

某實際應用中，需要在機場附近布設20個左右地面控制點，利用機載相機拍攝地面控制點，通過空間后方交會方法實現對空中飛行載體的高精度定位、測姿。相機選用哈蘇H4D-60數碼相機(如圖2所示)，CCD尺寸為40.2 mm×53.7 mm，有效像素為6000萬，攝影鏡頭標稱固定焦距為35.8 mm。

圖2　哈蘇H4D-60相機(配35.8 mm鏡頭)

為了提高測量精度，在攝影標定場內采用光束法自標定方法對相機參數進行了精確標定，標定結果見表1。

根據飛機飛行試驗高度200 m進行地面標志尺寸設計，如果采用編碼標志則其尺寸將為5 m左右，這個尺寸不僅增加了標志的制作難度、成本及搬運工作量，而且不符合在機場內進行布設的條件。利用兩步法攝影物點與像點快速匹配方法可以大大縮小標志點尺寸，可以采用黑底白圓的非編碼標志設計方案(如圖3所示)。標志制作尺寸分兩種，一種為小標志：白色實心圓直徑為0.5 m；一種為大標志：白色實心圓直徑為0.8 m。

表1　哈蘇H4D-60相機標定情況

圖3　設計的地面標志示意圖

二、兩步法自動匹配方法基本原理

兩步法自動匹配方法實現攝影物點與像點快速自動匹配的過程可以分解為兩個步驟。第一步是攝站外方位元素(攝影瞬間相機的位置和姿態)概值計算，利用拍攝識別的5個基本配置標志通過空間后方交會方法獲得；第二步是利用攝站外方位元素概值和地面標志的物方坐標反求其余標志點的概略像點坐標，將所求概略像點坐標與軟件提取像點坐標進行比較，設定一定的閾值作為攝影物點是否與像點匹配的條件，實現物點與像點的自動匹配。

為更好地理解兩步法攝影物點與像點自動匹配方案，如圖4所示，在測試區內進行標志布設，圖中8號、11號點為大標志，7、8、9、11、14號點為基本配置標志，其余標志可在攝影視場內按照實際條件進行布設，包含5個基本配置標志的攝影像片為有效像片。

圖4　測試區內標志布設情況

兩步法自動匹配方法的具體實現過程如下：

1) 對拍攝圖像進行閾值分割(如圖5所示)和橢圓擬合(如圖6所示)等處理工作[6-10]，獲取標志成像橢圓中心的像點坐標和橢圓短半軸長度(像素數)。

圖5　閾值分割

圖6　橢圓擬合

2) 根據求得的圖像橢圓短半軸長度(像素數)，像素數最大的兩個為2個大標志的成像，根據飛行方向判斷出對應的8號像點和11號像點。

3) 求取兩個大標志與其他標志之間的距離(像素數)，最近的距離為11號點和14號點之間的距離，大標志為11號像點，另一個則為14號像點，此時實現了像片的定向。垂直8號像點和11號像點連線方向上的距離最近點分別為7號像點和9號像點。

4) 上面工作完成了5個基本配置標志(7、8、9、11、14號)的自動匹配工作，利用5個標志的物方和像方坐標信息，通過單像空間后方交會方法解算得到圖像拍攝瞬間相機的6個外方位元素[1-2,11]概值。

5) 利用相機外方位元素概值與已知物點坐標(除5個基本配置點外)，通過共線條件方程解算得到其余物點的概略像點坐標。

6) 將步驟1)利用軟件擬合得到的標志圖像中心像點坐標與步驟5)解算得到的概略像點坐標進行比較，在兩個方向上差值均在25個像素以內時認為攝影物點與該像點為對應匹配。

7) 根據標志庫內編號數據為對應像點進行編號，完成攝影物點與像點的快速自動匹配工作。

三、兩步法自動匹配方法驗證試驗

根據圖4所示的標志布設規則在學校207號樓北側墻面上布設21個攝影標志(如圖7所示)。8號點、11號點為大標志，白色實心圓直徑為0.2 m，其余標志為小標志，白色實心圓直徑為0.1 m。為便于測量標志中心的物方坐標，在標志中心粘貼反射片，標志中心物方坐標量測結果見表2。

圖7　在墻面上粘貼物方標志

m

利用哈蘇H4D-60相機在距離墻壁垂直距離30 m處對攝影標志進行拍照，利用德國MVtec公司開發的圖像處理軟件HALCON編制了標志識別與自動匹配軟件程序，通過閾值分割和橢圓擬合算法可獲得標志圖像的中心坐標(像素數)和擬合橢圓短半軸長度(像素數)，見表3。

表3　拍攝標志圖像信息提取　像素

根據兩步法自動匹配方法步驟1)—3)實現5個基本配置標志的匹配工作，利用5個基本配置標志的物方坐標和像方坐標計算得到圖像拍攝瞬間攝站的6個外方位元素概值，見表4。

表4　解算的攝站外方位元素概值

根據攝站外方位元素概值與表2中的物方坐標，反解得到對應的像點坐標概值，轉換為像素數后與表3的像點坐標比較(兩個方向)，差值均小于25個像素時認為實現了攝影物點與像點的自動匹配，最終匹配情況如圖8所示。

圖8　攝影物點與像點自動匹配情況

經檢核，兩步法自動匹配的標志圖像編號與實際對應的物點編號一致，驗證了兩步法攝影物點與像點自動匹配方法的正確性和有效性。

四、結束語

本文結合實際應用條件，對較遠拍攝距離條件下(幾百米)的攝影物點與像點的自動匹配方案進行研究，提出了兩步法攝影物點與像點快速自動匹配方法。介紹了兩步法自動匹配基本原理，設計了相應的驗證性試驗，利用編制的軟件實現了攝影物點與像點的快速自動匹配，驗證了方法的正確性和有效性。

兩步法攝影物點與像點快速自動匹配方法可不依賴編碼標志，在實現攝影物點與像點自動匹配的同時能夠大大減小標志尺寸。兩步法自動匹配方法算法簡便、有效，可以提高圖像處理在線處理時間，具有一定的實際應用價值[11-12]。該方法已在利用攝影測量技術對衛星導航系統動態定位性能進行檢定的重大專項項目中得到成功應用。

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中圖分類號：P23

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)02-0087-04

作者簡介：叢佃偉(1982—)，男，博士，講師，主要研究方向為衛星導航系統測試評估。E-mail：congdianwei@sina.com

基金項目：國家重大科學工程建設項目(0301040102)

收稿日期：2015-01-04

引文格式： 叢佃偉，許其鳳，董明. 兩步法攝影物點與像點自動匹配方法研究[J].測繪通報，2016(2)：87-90.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0056.