基于特征不变的倾斜影像匹配算法研究与应用

摘要

倾斜摄影可以实现建筑物的正直影像与其立面纹理的倾斜影像相结合，是城市景观三维建模的主流趋势。由于倾斜影像的几何变形大、存在色差、海量数据（镜头数量增加、重叠度增加）等问题，这给如何较为快速地完成影像匹配工作带来了很大困难。
　　本文针对倾斜影像存在尺度、旋转、位移、透视变形（可简化为局部仿射变形）等问题，研究基于特征不变的倾斜影像匹配算法及其初步应用。本文主要研究内容和创新点如下：
　　（1）倾斜摄影测量介绍和对倾斜影像匹配的思考和探讨，包括倾斜摄影测量的产生和发展，倾斜相机介绍，倾斜影像的特点、作用，倾斜影像匹配的国内外研究现状、倾斜影像匹配的难点与对策。对影像局部不变特征的总结，系统介绍了影像局部不变特征匹配的一些检测算法、描述算法和匹配方法。
　　（2）针对ASIFT算法匹配效率低下的问题，利用先验知识和已知条件，提出了一种基于仿射不变特征的倾斜影像匹配算法（AIF）。AIF算法在一般情况下比ASIFT算法匹配效果稍好（有时匹配效果基本相当），且匹配效率提高了100多倍。
　　（3）针对AIF算法匹配点对分布不够均匀的问题，采用透视变换替代局部仿射变换，提出一种基于透视不变特征的倾斜影像匹配算法（PIF）。PIF算法得到的匹配点对无论是在分布情况和数量、准确率上，还是在匹配效率上均要优于ASIFT算法和AIF算法。
　　（4）在匹配策略方面，提出利用基本矩阵F和单应矩阵H引导在局部范围内进行显著性匹配。该策略使得匹配点对的分布较为均匀、数量较为密集，在减少匹配搜索范围、提升匹配效率的同时，减少了因为相似纹理特征而导致的误匹配。
　　（5）针对多视倾斜影像参数作为平差参数进行倾斜影像光束法平差方法其参数多、计算量大、计算效率低的问题，本文推导了带有相对姿态参数的倾斜影像光束法平差模型，以提高计算效率。
　　（6）本文将倾斜影像算法（PIF）应用到倾斜影像空中三角测量和城市地区的全自动三维表面重建中，取得了初步成功——①将PIF算法应用到天工航空遥感影像处理系统（GodWork软件）的倾斜影像匹配模块中，对各视倾斜影像进行整体平差，倾斜影像空三处理精度能够满足一定的应用需求，②本文所设计的城市地区全自动三维表面重建的思路可行，在无需人工干预的条件下，能够较快速地得到三维表面模型，其纹理要比手工建模自然、真实，能够满足一定程度的视觉需求。

目录

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 难点与对策

1.4 研究内容和论文结构

2 倾斜摄影技术和局部不变特征概述

2.1 倾斜摄影技术

2.2 局部不变特征概述

2.3 本章小结

3 基于仿射不变特征的倾斜影像匹配方法

3.1 尺度和仿射不变特征算法（ASIFT）

3.2 基于逆仿射变换的倾斜影像匹配算法（AIF）

3.3 实验与分析

3.4 本章小结

4 基于透视不变特征的倾斜影像匹配方法

4.1 背景和动机

4.2 基于透视变换的倾斜影像匹配算法（PIF）原理

4.3 基于透视变换的倾斜影像匹配算法（PIF）流程

4.4 实验与分析

4.5 本章小结

5 应用实例和结果分析

5.1 数据说明

5.2 在空中三角测量中的应用

5.3 在城市地区的全自动三维表面重建中的应用

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文