测绘科学技术

车载全景相机的影像匹配和光束法平差

季顺平，史云

摘要：目的：传统胶片和CCD面阵相机成像视场狭窄，易受遮挡，可能无法满足特定的应用需求。全景视觉成像具有成像一体化、360度大视场、旋转不变性等优点，已经在机器人、计算机视觉等相关领域中逐步得到应用。本文研究了基于车载全景相机的空中三角测量，包括全景几何成像模型，多特征连接点提取，以及GPS/IMU辅助光束法区域网平差。方法：首先，研究了曲面图像的匹配方法。针对曲面图像变形复杂，相对于普通相机更难匹配的挑战，采用两步匹配策略。第一步利用多特征匹配法，在独立的5个鱼眼相机图像上分别提取SIFT和Fonster特征点并匹配。第二步，将匹配点投影到全景图像上进行物方精匹配。然后，研究了全景相机的成像模型。根据鱼眼相机的检校参数，以及与全景球面的相对几何关系，将单个鱼眼图像上像点转换到全景球面；并建立球面坐标与地面坐标间的对应几何关系——球面成像的共线条件方程。最后，研究了GPS/IMU辅助的全景相机的光束法区域网平差。将带权GPS和IMU观测方程与全景球面成像方程联立，并通过非线性最小二乘解得相机的位置、姿态以及加密点坐标。结果：选用500张全景影像（3000张独立鱼眼图像）进行了自动匹配和GPS/IMU约束的无地面控制平差试验，总拍摄长度约1 km。匹配在2500张鱼眼图像上进行（不考虑500张天空图像），平差在全景坐标系中进行。所采用的GPS/IMU系统的定位精度约5～20 pixels。鱼眼图像大小为1616 pixels×1232 pixels，像元分辨率为0.009 mm，焦距为3.3 mm，投影中心相互距离约40 mm；全景影像球面成像于距离球心24 m处。根据以上数据，得出以下结论：（1）在匹配实验中，SIFT特征点大都出现在结构比较复杂的建筑物和一些树木上，近距离的道路匹配点很少；而Forstner特征恰好弥补了这部分区域的空白，保证了近距离连接点的提取及对整体平差的贡献。单个鱼眼图像可能由于缺少人工地物、或影像间存在巨大的变形，而只能匹配到少量几对特征；但全景成像的优势是将所有鱼眼图像的匹配点都投影到统一的球面坐标系，因此单个鱼眼图像匹配失败不会影响后继的平差。（2）在平差实验中，比较了采用SIFT连接点、SIFT+Forstner连接点、SIFT+Forstner连接点且按距离加权（本文方法）的平差结果表明：3种方法所得到的外方位元素的精度都很高；但由于很多SIFT连接点位于较远处，交会精度和平差精度较低，平差中误差为0.84 pixel，剔除粗差后每片平均剩余19个特征点；利用SIFT+Forstner连接点，每片增至27个特征点，平差中误差达到0.29 pixel；但本文的加权方法每片可保留75个特征点，并且中误差为0.22 pixel，达到最好的实验效果。结论：本文通过多特征匹配法，较好地提取了全景影像上的特征作为连接点；然后根据单独鱼眼相机与全景虚拟相机之间的几何关系建立了全景球面成像模型；以此为基础，建立GPS/IMU辅助的全景相机光束法区域网平差模型。实验表明，本文的处理方法可有效地应用于车载全景相机的自动空中三角测量。

来源出版物：测绘学报, 2013, 42(1): 94-100

入选年份：2016

北斗三频无几何相位组合周跳探测与修复

黄令勇，宋力杰，王琰，等

摘要：目的：三频GNSS无几何相位组合具有误差小、利于探测小周跳的优势，但每个三频无几何相位组合均存在某些无法探测的不敏感周跳，且任意3个三频无几何相位组合均相关，即使采用两个不相关的三频无几何相位组合联合探测，仍有部分特殊周跳无法被探测，且被探测出的周跳修复较复杂。为充分发挥北斗作为目前唯一可实用的三频导航系统的技术优势，通过分析北斗三频无几何相位组合周跳探测不敏感问题，探索探测完备、修复准确的北斗三频周跳处理算法。方法：基于三频GNSS组合观测理论，基于组合观测误差和电离层延迟尽可能小的原则，筛选了8组较优北斗三频无几何相位组合，然后以正常观测条件下4倍组合观测误差为周跳探测阈值，对以上8组三频无几何相位组合两两成队组合后的联合周跳探测量在10、100周范围内的不敏感周跳数目进行了统计分析。为解决两个三频无几何相位组合仍存在不敏感周跳的问题，设计了一个具有长波长、误差尽可能小的三频伪距/载波无几何组合，并保证该组合与两个三频无几何相位组合能够构造出3个线性无关的周跳探测检验量，以实现周跳的完全探测。为确保周跳修复准确简单，提出了搜索算法，具体即以周跳探测量4倍观测误差确定搜索半径，根据历元间电离层延迟变化值设定搜索步长，以周跳修复值造成的探测量变化值与实际探测变化值差值的1范数最小原则来确定周跳修复值。结果：利用北斗北京检测站接收的北斗2号星数据，选用无几何相位探测组合（［1，1，-2］，［1，-2，1］）和伪距/载波组合［1，3，-4］对添加周跳的数据进行验证，得出以下实验结果：（1）无几何相位组合相比伪距/载波组合受到的误差影响小，利于小周跳的探测与修复；（2）一般周跳探测验证结果表明，三个周跳探测量均能实现周跳正确探测，且准确修复；（3）单个周跳探测量存在无法探测的不敏周跳的实验验证表明，即使只有两个探测量能探测周跳，仍能够保证探测修复的正确；（4）经设置组合（［1，1，-2］，［1，-2，1］）均无法探测的特殊周跳（75，58，61）实验验证发现，只要有一个探测量能够探测周跳，本算法依能实现周跳的正确探测与修复；（5）利用随机生成的4周内所有三频周跳实验验证发现，该算法选用的3个检测量能够完成周跳的准确探测与修复。结论：北斗三频无几何相位组合仅受载波噪声和较小的电离层延迟影响，易于探测小周跳，但每个组合均存在一些无法探测的不敏感周跳。而联合三频伪距/载波相位组合构造3个线性无关的周跳探测检验量，可实现对所有周跳的探测，研究的周跳搜索修复算法，计算简单快捷，可准确修复周跳。由于北斗三频无几何相位组合和三频伪距/载波无几何组合均与站星距离无关，故本算法可适用于动态、非差导航定位的周跳探测与修复。

来源出版物：测绘学报, 2012, 41(5): 763-768

入选年份：2016

影像与LiDAR数据信息融合复杂场景下的道路自动提取

李怡静，胡翔云，张剑清，等

摘要：目的：城区的道路自动提取受场景复杂程度的影响一直是极具挑战的任务，尤其是阴影和遮挡较严重地区的道路提取难度较大。结合LiDAR数据和高分辨率遥感影像两种数据源各自的优势，利用多信息融合实现道路中线的自动提取。方法：方法首先利用LiDAR数据的高程和强度信息、以及无阴影干扰、少遮蔽的特点，从滤波后的地面点云中提取初始的道路中心线及关键点。将地面点内插为强度影像，采用一维线性探测器从中探测强度值较高的带状明亮区域，并提取中心线作为道路初始中线，选取线形特征点作为初始道路关键点。然后将地面点云的高程离散度、反射强度、以及影像的光谱信息融合为多通道影像，依此验证初始道路关键点，并建立多信息多特征的道路模型代价函数。最后将关键点作为种子点，利用动态规划算法进行多路径决策的道路中线优化，实现道路网的自动提取。结果：利用国际摄影测量与遥感学会提供的两套数据进行方法的实验分析。实验数据1所含场景位于德国斯图加特市内Vaihingen镇，场景内道路模式多样，较多路面被树木和房屋的阴影遮盖，无明显道路边缘。实验融合4 pts/m2的LiDAR数据和8 cm分辨率的影像自动提取道路中线，其完整率和准确率分别为82%和88.3%，对比未使用多信息融合时的提取结果准确率提高了22.1%。试验数据2所含场景位于加拿大多伦多市，场景内高楼云集，道路表面遮挡严重。实验融合6 pts/m2的LiDAR点云和15 cm分辨率影像，自动获取了完整率和正确率分别为91.8%和92.4%的道路中线。通过两组实验分析及与其它文献方法的结果对比，验证了所提出方法在复杂场景下自动提取道路的有效性。结论：影像与LiDAR数据融合下的道路提取方法结合了两种数据源的优势，适合于场景复杂的城区道路线自动获取，通过两组实验分析与对比验证了该方法的可行性。但该方法在参数阈值自适应选择，以及深入挖掘高分辨率影像的细节信息方面还需进一步研究。

来源出版物：测绘学报, 2012, 41(6): 870-876

入选年份：2016

地理国情监测的学习札记

陈俊勇

摘要：地理国情是指那些与地理相关的自然和人文要素的国情，它从空间角度反映一个国家自然、经济、人文的状况，如：国土疆域概况、地理区域特征、地形地貌变迁、地表覆盖变化、行政区域分界、江河湖海分布、地表水资源、道路交通网络、土地利用、城镇分布、环境与生态、灾害分布、生产力、人口、资源等空间布局基本状况。地理国情监测就是从地理的角度，采用空间化的方法，对国情进行持续观测并对观测结果进行描述、分析、预测和可视化的过程，即：以地球表层自然、生物和人文现象的空间变化和它们之间的相互关系、特征等为基本内容，对构成国家物质基础的各种条件因素作出宏观性、整体性、综合性和动态性的调查、分析和描述，并通过可视化方法表达出来。地理国情监测是提高宏观调控科学性的需要。通过地理国情监测，加强对资源环境、生态状况的调查、监测、评估与预测，为国家提供权威、客观、准确的地理国情信息，促进从地理空间上合理布局人口和经济活动，优化配置各类资源，促进区域优势互补、主体功能科学定位、国土空间高效利用。地理国情监测是科学管理的需要。可持续的长远规划需要地表植被、土地利用、生态变化、城镇扩张等动态地理国情信息，揭示经济社会发展与自然资源环境的内在关系和演变规律，促进重大事项决策、重要项目安排的科学决策、科学评价、科学管理。地理国情监测是持续发展的需要。地理国情监测可以客观、公正地监测、统计、分析地表自然和人文信息的变化，监测国家和地方重大工程的进展，监测道路、城建的发展和变迁，提供客观真实的地理信息，起到校正纠偏、辅助支持、监管检验等作用，促进信息共享和政务公开，减少和杜绝瞒报虚报，催生阳光行政。地理国情监测是科学、准确、及时掌握国情国力的重要手段，是利用现代测绘技术，综合各时期测绘成果，对地形、水系、湿地、冰川、沙漠、地表形态、地表覆盖、道路、城镇等要素进行动态和定量、三维、连续的测绘。地理国情监测根据以上测绘成果，统计分析其变化量、变化频率、分布特征、地域差异、变化趋势等，形成反映各类资源、环境、生态等要素的空间分布及其变化的地理信息数据，从地理空间的角度，客观、动态的综合展示国情国力。测绘地理信息部门的地理国情监测的内容可能包括土地资源监测、环境监测、农情监测、森林和湿地监测、灾害监测、水文监测、海洋监测、矿产资源监测、气象监测、区域地理国情监测等方面，提供综合的、可量测的地理空间现状及其变化。专业部门只涉及本专业的地理国情监测，侧重成因分析和后续管理决策。测绘地理信息部门的地理国情监测信息与专业部门的监测信息互相检核，互为补充。作为国家地理信息获取、处理、管理和服务的部门，测绘地理信息部门应组织和构建科学的地理国情监测体系，结合国家重大工程、重大战略、突发事件和宏观管理需求，为国家提供客观、持续的地理国情信息。

来源出版物：测绘学报, 2012, 41(5): 633-635

入选年份：2016

病态总体最小二乘问题的广义正则化

葛旭明，伍吉仓

摘要：总体最小二乘（TLS）算法可以视为一个降正则化的过程，对比最小二乘算法，病态总体最小二乘方法的解受系数阵数据误差和观测值误差的影响将更为严重。探讨用广义正则化的方法降低病态性对总体最小二乘数值求解的影响，以提高求解结果的稳定性。通过多组算例结果表明，采用的广义正则化方法在处理病态总体最小二乘问题上具有明显的优势。基于高斯-马尔科夫模型的最小二乘算法，是测量数据处理中最为重要的方法之一。但是，最小二乘算法本身并不具有抗差性，其求解参数的精度和准确度通常会受观测误差的影响。从数学的角度来看，当设计矩阵存在病态时，观测误差对参数求解的准确性的恶性影响将随病态程度的增加而加强。因此，我们通常使用正则化的方法来降低或解决系数矩阵的病态性问题。但是，对于总体最小二乘算法而言，其结算过程本身是一个最小二乘降正则化的过程，所以总体最小二乘算法相对于最小二乘算法来说将更加容易受到病态因素的影响。在总体最小二乘的概念中，观测误差不仅存在于观测向量中，同时也存在于系数矩阵中。在这种情况下，观测误差对病态总体最小二乘的影响将远远超过病态最小二乘。虽然，基于总体最小二乘算法的求解过程容易受到诸多因素的影响，但是，因为其自身算法所固有优点（即充分考虑观测值）使得该算法在数据处理中得到了越来越广泛的应用。因此，我们更加有必要探讨和解决病态问题对于总体最小二乘算法的影响，从而提高该算法求解结果的稳定性。从数学的角度出发，在最小二乘正则化方法的基础上，对总体最下二乘正则化方法进行了探讨和研究，并进一步给出了一种新的总体最小二乘广义正则化的方法。利用不同方法对几组经典数据算例进行结算，并通过对比所有结算结果，从而反应了我们给出的方法在处理病态总体最小二乘问题上具有较为明显的优势。

来源出版物：测绘学报, 2012, 41(3): 372-377

入选年份：2016