【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，它把傳感器安裝在人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)上，對(duì)地面進(jìn)行遙感，用于資源調(diào)查、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、氣象、地質(zhì)調(diào)查、地形測(cè)繪和軍事偵察等領(lǐng)域。[2]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)大比例尺、高分辨率的航空遙感影像的需求也與日俱增，同時(shí)對(duì)空間信息的現(xiàn)勢(shì)性、精度、周期和成本等各方面的要求也越來(lái)越高，而傳統(tǒng)的航天和航空攝影越來(lái)越顯現(xiàn)出其局限性。例如現(xiàn)有的衛(wèi)星遙感技術(shù)雖然能夠獲取大區(qū)域的空間地理信息，但受回歸周期、軌道高度、氣象等因素影響，遙感數(shù)據(jù)分辨率和時(shí)相難以保證。而航空攝影主要采用的是大中型固定翼飛機(jī)，由于空域管制、氣候等因素的影響較大，缺乏機(jī)動(dòng)快速能力，同時(shí)使用成本較高，對(duì)測(cè)區(qū)面積小、成圖周期短的測(cè)繪工程和應(yīng)急測(cè)繪項(xiàng)目很不適應(yīng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的航天和航空攝影測(cè)量而言，之所以基于無(wú)人機(jī)的低空攝影測(cè)量為危險(xiǎn)區(qū)域圖像的實(shí)時(shí)獲取、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)及應(yīng)急指揮需求等，提供了一種新的技術(shù)途徑，具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。除了攜帶運(yùn)輸方便、組裝簡(jiǎn)單、工作效率高、不必申請(qǐng)空域飛行手續(xù)等優(yōu)勢(shì)外，還具有如下優(yōu)勢(shì)。影像獲取快捷方便無(wú)需專業(yè)航測(cè)設(shè)備，普通民用單反相機(jī)即可作為影像獲取的傳感器，操控手經(jīng)過(guò)短期培訓(xùn)學(xué)習(xí)即可操控整個(gè)系統(tǒng)。低成本UAV系統(tǒng)及傳感器成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于與其它遙感系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)（具備飛控系統(tǒng)）市場(chǎng)價(jià)格10萬(wàn)到100萬(wàn)，各種檔次都有，而相機(jī)整套(機(jī)身加鏡頭)不到2萬(wàn)，整套系統(tǒng)成本低廉。一般的單位和個(gè)人都有能力負(fù)擔(dān)。具有機(jī)動(dòng)性、靈活性和安全性無(wú)需專用起降場(chǎng)地，升空準(zhǔn)備時(shí)間短、容易操控，特別適合應(yīng)用在建筑物密集的城市地區(qū)和地形復(fù)雜地區(qū)以及南方丘陵、多云區(qū)域。能夠在危險(xiǎn)和惡劣環(huán)境下(如森林火災(zāi)、火山爆發(fā)等)直接獲取影像，即便是設(shè)備出現(xiàn)故障，發(fā)生墜機(jī)也無(wú)人身傷害。受氣候條件影響小只要不下雨、下雪并且空中風(fēng)速小于6級(jí)，即使是光照不足的陰天，飛機(jī)也可上天航拍。分辨率高、多角度(視角)由于是低航空攝影，一般在云下飛行，使用CCD數(shù)碼相機(jī)作為傳感器，具備垂直與傾斜攝影能力，搭載GPS定位裝置，可低空多角度攝影獲取建筑物側(cè)面的紋理信息，彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感和普通航空攝影遇到的高層建筑遮擋問(wèn)題。空間分辨率能達(dá)到分米甚至厘米級(jí)，可用于構(gòu)建高精度數(shù)字地面模型及三維立體景觀圖的制作。影像獲取周期短、時(shí)效性強(qiáng)無(wú)人機(jī)遙感幾乎不受場(chǎng)地和天氣影響，飛行前準(zhǔn)備工作可少于2個(gè)小時(shí)，因此可快速上天獲取滿足要求的遙感影像，從準(zhǔn)備航飛到獲取影像周期短，影像獲取后可立即處理得到航測(cè)成果，時(shí)效性強(qiáng)。 無(wú)人機(jī)攝影的缺點(diǎn)無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)憑借著眾多的優(yōu)勢(shì)，在圖像的實(shí)時(shí)獲取、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)及應(yīng)急指揮需求、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害勘察、地籍測(cè)量、地圖更新等領(lǐng)域得到充分的應(yīng)用，但是，與傳統(tǒng)的航天和航空影像相比，無(wú)人機(jī)遙感影像又存在以下問(wèn)題：姿態(tài)穩(wěn)定性差、旋偏角大無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)由飛控系統(tǒng)自動(dòng)控制或操控手遠(yuǎn)程遙控控制，由于自身質(zhì)量小，慣性小，受氣流影響大，俯仰角、側(cè)滾角和旋偏角較傳統(tǒng)航測(cè)來(lái)說(shuō)變化快，致使影像的傾角過(guò)大且傾斜方向沒(méi)有規(guī)律，且幅度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)航測(cè)規(guī)范要求。像幅小、數(shù)量多、基高比小受順風(fēng)、逆風(fēng)和側(cè)風(fēng)影像大，加上俯仰角和側(cè)滾角的影響，航帶的排列不整齊，主要表現(xiàn)在重疊度(包括航向和旁向重疊度)的變化幅度大，甚至可能出現(xiàn)漏拍的情況。為了保證測(cè)區(qū)沒(méi)有漏拍，通常是通過(guò)提高航向和旁向重疊度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的，同時(shí)普通單反相機(jī)像幅相對(duì)專業(yè)數(shù)碼航攝儀來(lái)說(shuō)，像幅小，在保證預(yù)定重疊度情況下，整個(gè)測(cè)區(qū)影像數(shù)量成倍數(shù)增多，基高比也相應(yīng)變小。影像畸變大相比較傳統(tǒng)的航空攝影而言，無(wú)人機(jī)低航空攝影選取CCD數(shù)碼相機(jī)作為成像系統(tǒng)，而較專業(yè)航攝儀來(lái)說(shuō)，小數(shù)碼影像(普通單反拍攝的)畸變大，邊緣地方畸變可達(dá)40個(gè)像素以上。由于無(wú)人機(jī)遙感影像的這些問(wèn)題，給影像的匹配和空中三角測(cè)量等內(nèi)業(yè)處理也帶來(lái)困難：（1）由于姿態(tài)穩(wěn)定性差、旋偏角大，比例尺差異大，降低了灰度匹配的成功率和可靠性；（2）像幅小、影像數(shù)量多，導(dǎo)致空三加密的工作量增多、效率降低，航向重疊度和旁向重疊度不規(guī)則，給連接點(diǎn)的提取和布設(shè)帶來(lái)困難，基高比小無(wú)疑對(duì)高程的精度也造成一定的影響；（3）如若對(duì)于小數(shù)碼影像的畸變差不考慮，直接使用的話將影響空三的精度。 共線方程 坐標(biāo)系統(tǒng)像平面坐標(biāo)系oxy像平面坐標(biāo)系是定義在像平面內(nèi)的右手直角坐標(biāo)系，用來(lái)表示像點(diǎn)在像平面內(nèi)的位置。其坐標(biāo)原點(diǎn)定義為像主點(diǎn)o，一般以航線方向的一對(duì)框標(biāo)連線為x軸，記為oxy。圖321 像平面坐標(biāo)系oxy像空間坐標(biāo)系Sxyz像空間坐標(biāo)系是表示點(diǎn)在像空間的位置的右手空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)。其坐標(biāo)系原點(diǎn)定義在投影中心S，其x,y軸分別平行與像平面坐標(biāo)系的相應(yīng)軸，z軸與攝影方向線So重合，正方向按右手規(guī)則確定，向上為正。圖322 像空間坐標(biāo)系Sxyz像空間輔助坐標(biāo)系SXYZ像空間坐標(biāo)系用來(lái)表示像點(diǎn)在像方空間上的位置。該坐標(biāo)系的原點(diǎn)在攝影中心S上，其主光軸So為z軸，向上為正；x, y軸分別平行與像平面坐標(biāo)系（oxy）的x，Y軸且方向一致。圖323 像空間輔助坐標(biāo)系SXYZ 攝影測(cè)量坐標(biāo)系 該坐標(biāo)系的原點(diǎn)和坐標(biāo)軸方向的選擇根據(jù)實(shí)際討論問(wèn)題的不同而不同，但在一般情況下，原點(diǎn)選在某一攝影站或某一已知點(diǎn)上，坐標(biāo)系橫軸(X軸)大體與航線方向一致，豎坐標(biāo)軸(Z軸)向上為正。 物空間坐標(biāo)系 之前敘述的4種坐標(biāo)系都是滿足右手定則，然而地面測(cè)量坐標(biāo)系滿足左手定則的坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系為，它的X軸的指向?yàn)檎?，Z軸是以國(guó)家黃海高程基準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量出的高程值。圖324 地面測(cè)量坐標(biāo)系和地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系 航攝像片的方位元素航攝像片的內(nèi)、外方位元素是建立物與像之間數(shù)學(xué)關(guān)系的重要基礎(chǔ)。在航測(cè)中，將攝影瞬間攝影中心S、像片P與地面(物面)E的相關(guān)位置數(shù)據(jù)稱為航攝像片的方位元素。依據(jù)作用不同，航攝像片的方位元素又分為內(nèi)方位元素和外方位元素。內(nèi)方位元素投影中心對(duì)像片的相對(duì)位置叫做像片的內(nèi)方位，它們是：像片的主距f，像主點(diǎn)在像片標(biāo)框坐標(biāo)系中坐標(biāo)。圖325 內(nèi)方位元素外方位元素確定攝影光束在地面輔助坐標(biāo)系中的位置時(shí)需要的元素，共有三個(gè)線元素和三個(gè)角元素。其中，線元素是攝站在地面輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，用以確定攝影光束在地面輔助坐標(biāo)系中的頂點(diǎn)位置；三個(gè)角元素用來(lái)確定攝影光束在地面輔助坐標(biāo)系中的姿態(tài)。角元素有三種不同的表達(dá)形式：（1）以Y軸為主軸的系統(tǒng)（2）以X軸為主軸的系統(tǒng)（3）以Z軸為主軸的系統(tǒng)圖326 外方位元素 空間直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的基本關(guān)系 像空間坐標(biāo)與像空間輔助坐標(biāo)之間的變換是正交變換，即一個(gè)坐標(biāo)按照某種次序有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)三個(gè)角度即可變換為另一個(gè)原點(diǎn)的坐標(biāo)系。 假設(shè)像點(diǎn)a在像空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x,y,f)而同時(shí)像空間輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X, Y, Z)，兩者的正交關(guān)系為:（1）式中R是一個(gè)3*3的正交矩陣，得到9個(gè)方向矩陣的元素為:（2） 共線方程共線方程是描述像點(diǎn)a，投影中心S和對(duì)應(yīng)地面點(diǎn)A三點(diǎn)共線的方程。圖327 圖像點(diǎn)與相應(yīng)地面上坐標(biāo)關(guān)系假定S為攝影中心點(diǎn)，主距為f，在地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系中，它的坐標(biāo)，物點(diǎn)A是坐標(biāo)為在地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系中的空間點(diǎn)，a是A在影像上的構(gòu)像，它對(duì)應(yīng)的像空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（x，y，f），像空間輔助坐標(biāo)系的坐標(biāo)為（X，Y，Z）。此時(shí)a、A、 S三點(diǎn)位于一條直線上，像點(diǎn)的像空間輔助坐標(biāo)（X，Y，Z）與地面攝影測(cè)量坐標(biāo)之間的關(guān)系如下：（3）式中：為比例因子。則（4）由像點(diǎn)的像空間坐標(biāo)與像空間輔助坐標(biāo)的關(guān)系可知，（5）（6）其中：為方向余弦分別是像空間輔助坐標(biāo)系各軸與相應(yīng)的像空間坐標(biāo)系各軸夾角的余弦。像主點(diǎn)坐標(biāo)為，帶入（4）得（7）就是常見(jiàn)的共線條件方程式，式中：x, y為像點(diǎn)的平面坐標(biāo)為影像內(nèi)方位元素；為攝站點(diǎn)的地面攝影測(cè)量坐標(biāo)；為物方點(diǎn)的地面攝影測(cè)量坐標(biāo)。 雙目立體視覺(jué)和立體觀測(cè)人眼兩瞳孔之間的距離大約為65mm，使得雙眼在一定距離范圍內(nèi)觀察同一日標(biāo)時(shí)角度略有不同，這一細(xì)微差別使得同一日標(biāo)投影到左右視網(wǎng)膜上的像略有不同，在視覺(jué)上產(chǎn)生差異，這就是雙目視差。雙目視差是反映空間物體深度信息的客觀物理現(xiàn)象，是感知立體知覺(jué)的重要生理基礎(chǔ)。人眼雙目視覺(jué)模型如下圖所示。計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)正是建立在人雙眼視覺(jué)模型之上的。圖331 人眼雙目視覺(jué)模型 雙目立體視覺(jué)是基于視差，由三角法原理進(jìn)行三維信息的獲取，通常由兩臺(tái)相機(jī)的圖像平面（或單相機(jī)在不同位置的圖像平面）和被測(cè)物體之間構(gòu)成一個(gè)三角形，利用兒何關(guān)系恢復(fù)出物體三維幾何信息。 立體觀察的原理是建立人造立體視覺(jué)，即將像對(duì)上的視差反映為人眼的生理視差后得出的立體視覺(jué)。得到人造立體視覺(jué)須具備3個(gè)條件：由兩個(gè)不同位置（一條基線的兩端）拍攝同一景物的兩張像片(稱為立體像對(duì)或像對(duì))；兩只眼睛分別觀察像對(duì)中的一張像片；觀察時(shí)像對(duì)上各同名像點(diǎn)的連線要同人的眼睛基線大致平行，而且同名點(diǎn)間的距離一般要小于眼基線（或擴(kuò)大后的眼基距）。若用兩個(gè)相同標(biāo)志分別置于左右像片的同名像點(diǎn)上，則立體觀察時(shí)就可以看到在立體模型上加入了一個(gè)空間的測(cè)標(biāo)。為便于立體觀察，可借助于一些簡(jiǎn)單的工具，如橋式立體鏡和反光立體鏡。對(duì)于那種利用兩個(gè)投影器把左右像片的影像同時(shí)疊合地投影在一個(gè)承影面上的情況，可采用互補(bǔ)色原理或偏振光原理進(jìn)行立體觀察，并用一個(gè)具有測(cè)標(biāo)的測(cè)繪臺(tái)量測(cè)。 立體影像匹配影像匹配實(shí)質(zhì)上是在兩幅（或多幅）影像之間識(shí)別同名點(diǎn)的過(guò)程。在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中它是以計(jì)算機(jī)視覺(jué)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工觀測(cè)，來(lái)獲取同名像點(diǎn)的，它是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的核心技術(shù)之一。多視影像由于是多幅影像組合而成，因此具有覆蓋范圍廣，分辨率高的特點(diǎn)。鑒于這特點(diǎn)，可以考慮在匹配過(guò)程中利用冗余信息，對(duì)多視影像中的同名點(diǎn)左邊進(jìn)行快速高效地獲取，繼而獲取拍攝地物的三維特征信息。由于單單使用一種匹配基元或一種匹配策略難以獲取準(zhǔn)確且高效的同名點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的人開(kāi)始研究多基元、多視影像匹配。[4] 影像特征提取特征提取是計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理中的一個(gè)概念。它指的是使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，以提取影像中同名點(diǎn)的圖像信息，該信息決定影像中的相同特征。特征提取是將影像上的點(diǎn)進(jìn)行歸類，分別劃分為不同的子集，這些子集通常是由一個(gè)孤立的點(diǎn)、一條連續(xù)的曲線或一個(gè)連續(xù)的區(qū)域組成。影像特征提取一般是依靠影像中灰度的分布情況，來(lái)確定特征的位置、形狀以及大小。影像特征的灰度與周圍的影像灰度有比較明顯的差異和區(qū)別。特征通常按形狀劃分，可分為點(diǎn)特征、線特征和面特征。點(diǎn)特征主要包含影像中的明顯點(diǎn)；線特征是線狀地物或面狀地物的邊緣在影像中的構(gòu)像。提取點(diǎn)特征的算子稱為興趣數(shù)字。從點(diǎn)特征中提取的算子較多，比較有名的算子主要有：Moravec算子、Hannah算子Harris算子、和Forstner算子。 影像匹配 由于可以應(yīng)用的多個(gè)領(lǐng)域中，影像相關(guān)所匹配的對(duì)象也是多種多樣的，但是無(wú)論是基于光學(xué)相關(guān)、還是電子相關(guān)或者基于數(shù)字相關(guān)等，所匹配的對(duì)象也有不同，但其理論基礎(chǔ)都是相同的。[5]采取在相鄰具有重疊度的影像上提取出相似的兩個(gè)特征，然后利用匹配算法將特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，然后相對(duì)定向得到點(diǎn)集。影像相關(guān)是利用互相關(guān)聯(lián)的函數(shù)，就是特征提取后利用一組參數(shù)對(duì)特征進(jìn)行描述，然后利用參數(shù)進(jìn)行特征匹配，即以影像信號(hào)分部最相似的區(qū)域?yàn)橥麉^(qū)域，同名區(qū)域的中心點(diǎn)為同名點(diǎn)。（1）基于灰度的影像匹配基于匹配測(cè)度為基礎(chǔ)來(lái)確定同名點(diǎn)，定義匹配測(cè)度是影像匹配最首要的任務(wù)，但是各種不同的匹配測(cè)度皆是基于不同的理論方法的定義，因而形成了各種不同的影像匹配方法及相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)算法?；谙穹交叶鹊挠跋衿ヅ渌惴ǔＲ?jiàn)的有：相關(guān)函數(shù)法、協(xié)方差函數(shù)法、最小二乘法、相關(guān)系數(shù)法、差平方和法、差絕對(duì)值和法等。（2）基于特征的影像匹配在計(jì)算機(jī)或者圖像處理的中，提取是一個(gè)很重要處理手段。它是指基于計(jì)算機(jī)或者圖像處理時(shí)需要提取的圖像信息是否屬于一個(gè)圖像的特征。圖像上的特征就是圖像上的點(diǎn)集合組成的一個(gè)個(gè)點(diǎn)、線、面。而特征提取針對(duì)的就是這樣的點(diǎn)、線、面。影像特征點(diǎn)、線、面的提取一般是依靠影像中有關(guān)灰度的分布情況，以此來(lái)確定特征的位置、形狀以及大小。影像特征的灰度與周圍的影像灰度有比較明顯的差異和區(qū)別，一般來(lái)說(shuō)，所有同名點(diǎn)的構(gòu)成的點(diǎn)、線、面就組成了特征點(diǎn)。 灰度匹配數(shù)字影像是一個(gè)二維的灰度矩陣G： 上式中二維數(shù)組中的像元素都代表一個(gè)灰度值，其集合組成對(duì)應(yīng)著光學(xué)影像或?qū)嶓w的一個(gè)微小區(qū)域，稱為像素或者像元素。灰度值代表像素的量化“灰度級(jí)”?；叶绕ヅ涫侵笇ふ翌愃频拇嚓P(guān)的一個(gè)小區(qū)域的影像的灰度，首先在一張相片上確定一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，并以該點(diǎn)周圍選取個(gè)點(diǎn)的灰度值矩陣組成一個(gè)像素的目標(biāo)區(qū)，在目標(biāo)區(qū)中任意一個(gè)像元素的的灰度值設(shè)為（ij=1,2.....n），一般取n為奇數(shù)，其圍繞的點(diǎn)即為目標(biāo)點(diǎn)。為了在另一張照片上尋找出同名像點(diǎn)，根據(jù)在第一張像片上的目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)概略地估計(jì)出它在另一張像片上的近似點(diǎn)的范圍，以此為繞點(diǎn)在其周圍個(gè)影像灰度序列，組成一個(gè)比第一張像片目標(biāo)區(qū)范圍要大的搜索區(qū)。如下圖所示，在搜索區(qū)尋找同名像點(diǎn)時(shí)，若搜索工作在x、y兩個(gè)方向進(jìn)行,則是二維相關(guān)的運(yùn)算。在搜索區(qū)內(nèi)有個(gè)與目標(biāo)區(qū)等大的區(qū)域，稱為相關(guān)窗口，為窗口內(nèi)任意一點(diǎn)的灰度值。 （a）目標(biāo)區(qū) （b）搜索區(qū) 圖341 二維影像相關(guān)目標(biāo)區(qū)與搜索區(qū) （k=0,1,2,3.....，m1）兩個(gè)點(diǎn)組的方差分別為:，兩個(gè)點(diǎn)組的協(xié)方差為：兩個(gè)點(diǎn)組的相關(guān)系數(shù)為: （k=0,1,2,3.....，n）在一維的搜索區(qū)內(nèi)沿核線尋找同名像點(diǎn)，每移動(dòng)一個(gè)像素，按著以上公式依次計(jì)算出一維目標(biāo)區(qū)和一維搜索區(qū)的相關(guān)系數(shù)，共能計(jì)算出mn+1個(gè)相關(guān)系數(shù)，取的最大值，選取其對(duì)應(yīng)的一維的相關(guān)窗口的中心像素被認(rèn)為是目標(biāo)點(diǎn)的同名像點(diǎn)。當(dāng)時(shí)相關(guān)系數(shù)取得最大值，則同名像點(diǎn)在搜索區(qū)內(nèi)的序號(hào)為:在二維相關(guān)的情況下，表示二維目標(biāo)影像（左影像）和二維搜索影像（右影像）的灰度分布影像窗