【文章內(nèi)容簡介】 地質(zhì)調(diào)查、地形測繪和軍事偵察等領(lǐng)域。[2]隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對大比例尺、高分辨率的航空遙感影像的需求也與日俱增，同時對空間信息的現(xiàn)勢性、精度、周期和成本等各方面的要求也越來越高，而傳統(tǒng)的航天和航空攝影越來越顯現(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)分辨率和時相難以保證。而航空攝影主要采用的是大中型固定翼飛機，由于空域管制、氣候等因素的影響較大，缺乏機動快速能力，同時使用成本較高，對測區(qū)面積小、成圖周期短的測繪工程和應(yīng)急測繪項目很不適應(yīng)。相對于傳統(tǒng)的航天和航空攝影測量而言，之所以基于無人機的低空攝影測量為危險區(qū)域圖像的實時獲取、環(huán)境監(jiān)測、地理國情監(jiān)測及應(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。除了攜帶運輸方便、組裝簡單、工作效率高、不必申請空域飛行手續(xù)等優(yōu)勢外，還具有如下優(yōu)勢。影像獲取快捷方便無需專業(yè)航測設(shè)備，普通民用單反相機即可作為影像獲取的傳感器，操控手經(jīng)過短期培訓(xùn)學(xué)習(xí)即可操控整個系統(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)，無人機（具備飛控系統(tǒng)）市場價格10萬到100萬，各種檔次都有，而相機整套(機身加鏡頭)不到2萬，整套系統(tǒng)成本低廉。一般的單位和個人都有能力負(fù)擔(dān)。具有機動性、靈活性和安全性無需專用起降場地，升空準(zhǔn)備時間短、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)生墜機也無人身傷害。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，即使是光照不足的陰天，飛機也可上天航拍。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，彌補了衛(wèi)星遙感和普通航空攝影遇到的高層建筑遮擋問題?？臻g分辨率能達(dá)到分米甚至厘米級，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、時效性強無人機遙感幾乎不受場地和天氣影響，飛行前準(zhǔn)備工作可少于2個小時，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成果，時效性強。 無人機攝影的缺點無人機低空遙感系統(tǒng)憑借著眾多的優(yōu)勢，在圖像的實時獲取、環(huán)境監(jiān)測、地理國情監(jiān)測及應(yīng)急指揮需求、土地利用動態(tài)監(jiān)測、地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害勘察、地籍測量、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，無人機遙感影像又存在以下問題：姿態(tài)穩(wěn)定性差、旋偏角大無人機在飛行時由飛控系統(tǒng)自動控制或操控手遠(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)航測來說變化快，致使影像的傾角過大且傾斜方向沒有規(guī)律，且幅度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)航測規(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。為了保證測區(qū)沒有漏拍，通常是通過提高航向和旁向重疊度的方法來實現(xiàn)這一點的，同時普通單反相機像幅相對專業(yè)數(shù)碼航攝儀來說，像幅小，在保證預(yù)定重疊度情況下，整個測區(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，無人機低航空攝影選取CCD數(shù)碼相機作為成像系統(tǒng)，而較專業(yè)航攝儀來說，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個像素以上。由于無人機遙感影像的這些問題，給影像的匹配和空中三角測量等內(nèi)業(yè)處理也帶來困難：（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，給連接點的提取和布設(shè)帶來困難，基高比小無疑對高程的精度也造成一定的影響；（3）如若對于小數(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，用來表示像點在像平面內(nèi)的位置。其坐標(biāo)原點定義為像主點o，一般以航線方向的一對框標(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)系用來表示像點在像方空間上的位置。該坐標(biāo)系的原點在攝影中心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 攝影測量坐標(biāo)系 該坐標(biāo)系的原點和坐標(biāo)軸方向的選擇根據(jù)實際討論問題的不同而不同，但在一般情況下，原點選在某一攝影站或某一已知點上，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軸的指向為正北，Z軸是以國家黃海高程基準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)測量出的高程值。圖324 地面測量坐標(biāo)系和地面攝影測量坐標(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像片的相對位置叫做像片的內(nèi)方位，它們是：像片的主距f，像主點在像片標(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)系中的位置時需要的元素，共有三個線元素和三個角元素。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)系中的頂點位置；三個角元素用來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，即一個坐標(biāo)按照某種次序有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)三個角度即可變換為另一個原點的坐標(biāo)系。 假設(shè)像點a在像空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x,y,f)而同時像空間輔助坐標(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3*3的正交矩陣，得到9個方向矩陣的元素為:（2） 共線方程共線方程是描述像點a，投影中心S和對應(yīng)地面點A三點共線的方程。圖327 圖像點與相應(yīng)地面上坐標(biāo)關(guān)系假定S為攝影中心點，主距為f，在地面攝影測量坐標(biāo)系中，它的坐標(biāo)，物點A是坐標(biāo)為在地面攝影測量坐標(biāo)系中的空間點，a是A在影像上的構(gòu)像，它對應(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a、A、 S三點位于一條直線上，像點的像空間輔助坐標(biāo)（X，Y，Z）與地面攝影測量坐標(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。像主點坐標(biāo)為，帶入（4）得（7）就是常見的共線條件方程式，式中：x, y為像點的平面坐標(biāo)為影像內(nèi)方位元素；為攝站點的地面攝影測量坐標(biāo)；為物方點的地面攝影測量坐標(biāo)。 雙目立體視覺和立體觀測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，是感知立體知覺的重要生理基礎(chǔ)。人眼雙目視覺模型如下圖所示。計算機立體視覺正是建立在人雙眼視覺模型之上的。圖331 人眼雙目視覺模型 雙目立體視覺是基于視差，由三角法原理進(jìn)行三維信息的獲取，通常由兩臺相機的圖像平面（或單相機在不同位置的圖像平面）和被測物體之間構(gòu)成一個三角形，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，即將像對上的視差反映為人眼的生理視差后得出的立體視覺。得到人造立體視覺須具備3個條件：由兩個不同位置（一條基線的兩端）拍攝同一景物的兩張像片(稱為立體像對或像對)；兩只眼睛分別觀察像對中的一張像片；觀察時像對上各同名像點的連線要同人的眼睛基線大致平行，而且同名點間的距離一般要小于眼基線（或擴大后的眼基距）。若用兩個相同標(biāo)志分別置于左右像片的同名像點上，則立體觀察時就可以看到在立體模型上加入了一個空間的測標(biāo)。為便于立體觀察，可借助于一些簡單的工具，如橋式立體鏡和反光立體鏡。對于那種利用兩個投影器把左右像片的影像同時疊合地投影在一個承影面上的情況，可采用互補色原理或偏振光原理進(jìn)行立體觀察，并用一個具有測標(biāo)的測繪臺量測。 立體影像匹配影像匹配實質(zhì)上是在兩幅（或多幅）影像之間識別同名點的過程。在數(shù)字?jǐn)z影測量中它是以計算機視覺代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工觀測，來獲取同名像點的，它是數(shù)字?jǐn)z影測量的核心技術(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。鑒于這特點，可以考慮在匹配過程中利用冗余信息，對多視影像中的同名點左邊進(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，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人開始研究多基元、多視影像匹配。[4] 影像特征提取特征提取是計算機視覺和圖像處理中的一個概念。它指的是使用一臺計算機，以提取影像中同名點的圖像信息，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孤立的點、一條連續(xù)的曲線或一個連續(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，可分為點特征、線特征和面特征。點特征主要包含影像中的明顯點；線特征是線狀地物或面狀地物的邊緣在影像中的構(gòu)像。提取點特征的算子稱為興趣數(shù)字。從點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)用的多個領(lǐng)域中，影像相關(guān)所匹配的對象也是多種多樣的，但是無論是基于光學(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特征，然后利用匹配算法將特征點進(jìn)行匹配，然后相對定向得到點集。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，即以影像信號分部最相似的區(qū)域為同名區(qū)域，同名區(qū)域的中心點為同名點。（1）基于灰度的影像匹配基于匹配測度為基礎(chǔ)來確定同名點，定義匹配測度是影像匹配最首要的任務(wù)，但是各種不同的匹配測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)的實現(xiàn)算法?；谙穹交叶鹊挠跋衿ヅ渌惴ǔＲ姷挠校合嚓P(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、差絕對值和法等。（2）基于特征的影像匹配在計算機或者圖像處理的中，提取是一個很重要處理手段。它是指基于計算機或者圖像處理時需要提取的圖像信息是否屬于一個圖像的特征。圖像上的特征就是圖像上的點集合組成的一個個點、線、面。而特征提取針對的就是這樣的點、線、面。影像特征點、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，一般來說，所有同名點的構(gòu)成的點、線、面就組成了特征點。 灰度匹配數(shù)字影像是一個二維的灰度矩陣G： 上式中二維數(shù)組中的像元素都代表一個灰度值，其集合組成對應(yīng)著光學(xué)影像或?qū)嶓w的一個微小區(qū)域，稱為像素或者像元素?；叶戎荡硐袼氐牧炕盎叶燃墶薄；叶绕ヅ涫侵笇ふ翌愃频拇嚓P(guān)的一個小區(qū)域的影像的灰度，首先在一張相片上確定一個目標(biāo)點，并以該點周圍選取個點的灰度值矩陣組成一個像素的目標(biāo)區(qū)，在目標(biāo)區(qū)中任意一個像元素的的灰度值設(shè)為（ij=1,2.....n），一般取n為奇數(shù)，其圍繞的點即為目標(biāo)點。為了在另一張照片上尋找出同名像點，根據(jù)在第一張像片上的目標(biāo)點的坐標(biāo)概略地估計出它在另一張像片上的近似點的范圍，以此為繞點在其周圍個影像灰度序列，組成一個比第一張像片目標(biāo)區(qū)范圍要大的搜索區(qū)。如下圖所示，在搜索區(qū)尋找同名像點時，若搜索工作在x、y兩個方向進(jìn)行,則是二維相關(guān)的運算。在搜索區(qū)內(nèi)有個與目標(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）兩個點組的方差分別為:，兩個點組的協(xié)方差為：兩個點組的相關(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，每移動一個像素，按著以上公式依次計算出一維目標(biāo)區(qū)和一維搜索區(qū)的相關(guān)系數(shù)，共能計算出mn+1個相關(guān)系數(shù)，取的最大值，選取其對應(yīng)的一維的相關(guān)窗口的中心像素被認(rèn)為是目標(biāo)點的同名像點。當(dāng)時相關(guān)系數(shù)取得最大值，則同名像點在搜索區(qū)內(nèi)的序號為: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）的灰度分布影像窗口大小，則均值為:相關(guān)函數(shù)測度:協(xié)方差函數(shù)測度:相關(guān)系數(shù)測度：