基于Plücker直线的遥感影像相对定向研究

摘要

立体像对的相对定向作为立体摄影测量的基础，其在三维重建技术、数字影像三维可视化研究、高精度定位等方面发挥着至关重要的作用。针对如何实现左右影像相对位姿解算，传统方法为基于同名特征点的欧拉角法。传统方法在相对定向过程中存在一定的局限性，一方面，角元素和基线分量是被分别描述、独立解算的，然而由于摄影时遥感平台的位置和姿态随着时间一起发生变化，旋转与平移之间存在着某种固有的内在联系，即角元素与基线分量具有相互耦合的特点，这种分而治之的方法破坏了运动学问题的完整性；另一方面，在低空摄影测量、建筑摄影测量等领域，影像中存在缺乏明显特征点的情况，给同名点的提取带来了难题，传统相对定向方法难以适用。此外，近年来轻小遥感平台作为航空遥感的有力补充得到了广泛的应用，数字近景摄影测量作为摄影测量发展的崭新领域也越来越受到重视，对大倾角影像的几何处理提出了更高的要求，但欧拉角法对初值的依赖性强，在处理大倾角影像时，常常出现不收敛或解算失败的情况。
　　本文提出以Plücker直线为数学工具进行影像相对定向的全新理论和方法。在深入研究空间直线表达以及其空间拓扑关系数学描述的基础上，建立了基于Plücker直线的相对定向和点线联合的Plücker直线相对定向几何模型。分别将成像光线和特征直线用Plücker坐标表示，利用对偶四元数实现空间直线的螺旋运动，根据成像几何原理，建立直线所满足的空间条件，实现了相对定向角元素与基线分量的一体化解算。实验表明，本文提出的基于Plücker直线的相对定向模型对实际影像数据、模拟影像均能够获得正确、稳定的定向结果，相比于传统的欧拉角法，具有迭代次数少、收敛速度快、对初值依赖性小的特点，不仅提高了解算效率，而且克服了传统方法无法进行大倾角影像相对定向元素求解的缺陷；点线联合的Plücker直线相对定向遥感影像实验，定向结果及各项中误差完全合理，并且该模型具有更强的空间几何约束性，解算效率明显提高，能够适用于同名点信息不足的情况。本文研究成果对影像相对定向研究具有重要参考价值，同时为摄影测量中成像几何模型的构建提供了一种新思路，可望丰富摄影测量理论与方法。