一种城市地区航空影像角特征匹配方法

摘要

一种城市地区航空影像角特征匹配方法，包括输入左、右两张航空影像以及两航空影像的初始内外方位元素，分别在左、右两张航空影像上提取建筑物的角特征；对于在左影像上提取的所有角特征，根据两航空影像的初始内外方位元素计算角点在右影像上对应的核线，将右影像上的核线上下扩展一定范围构成右影像上的搜索区，对于右影像上所有落入搜索区内的角特征，逐一与左影像上待匹配的角特征进行同名角特征初始匹配，获得候选同名角特征，然后结合角特征所处位置的影像灰度信息进行同名角特征精匹配，得到左影像上待匹配的角特征和各候选同名角特征之间的相关系数，取相关系数最大且大于预设相关系数阈值的角特征对作为最终的同名角特征对。

说明书

技术领域

本发明属于测绘科学与技术领域，涉及一种城市地区航空影像角特征匹配方法，主要应 用于航空影像自动空中三角测量、高精度DSM自动生产以及真正射影像生产等领域。

背景技术

影像匹配是航空影像空中三角测量的重要步骤，其中主要为同名点特征匹配。现有的影 像点特征匹配如灰度相关系数匹配、SIFT匹配等算法根据以特征点为中心一定范围内的全部 影像纹理信息建立一定的相似性测度进行同名特征点匹配，对于地形较为连续区域的影像匹 配具有十分理想的效果。然而，对于大比例尺城市地区航空影像，由于建筑物的大量存在产 生了大量地形不连续区域。在建筑物密集处无法获得足够的地面匹配点，且在建筑物屋顶处 往往由于纹理较为缺乏而很难匹配获得同名点，从而导致影像匹配点分布不均匀以及同名点 数量不足，不利于后续航空影像区域网平差的顺利进行。考虑到建筑物角点为理想的特征点， 但是由于建筑物角点位于视差不连续区域，左右影像上以同名角点为中心的影像窗口仅在屋 顶一侧具有相同的纹理，而在屋顶外侧由于投影差的影像造成纹理不一致，故用传统的点特 征匹配算法无法成功进行角点特征的匹配。

发明内容

本发明的目的是提供一种城市地区航空影像角特征匹配方法，克服城市地区航空影像匹 配过程中因视差不连续、屋顶纹理缺乏等导致的同名点匹配困难问题，可以为城市地区航空 影像空三提供稳健的同名点信息。

本发明的技术方案为一种城市地区航空影像角特征匹配方法，包括以下步骤：

步骤1，输入左、右两张航空影像以及两航空影像的初始内外方位元素；

步骤2，分别在左、右两张航空影像上提取建筑物的角特征，包括先在航空影像上提取直线 特征，然后根据直线特征提取角特征，每个角特征由两条具有相邻端点且近似垂直的直线段 组成，这两条直线段的交点为角特征的角点，并按照从起始边到终止边沿逆时针的夹角小于 180度的原则确定角特征的起始边和终止边；

步骤3，对于步骤2在左影像上提取的所有角特征，逐个进行以下匹配操作，直至左影像上 的所有角特征匹配完毕，

对于左影像上一个待匹配的角特征，根据两航空影像的初始内外方位元素计算角点在右 影像上对应的核线，将右影像上的核线上下扩展一定范围构成右影像上的搜索区，对于右影 像上所有落入搜索区内的角特征，逐一与左影像上待匹配的角特征进行同名角特征初始匹配， 获得候选同名角特征；

对于左影像上待匹配的角特征和各候选同名角特征，分别结合角特征所处位置的影像灰 度信息进行同名角特征精匹配，得到左影像上待匹配的角特征和各候选同名角特征之间的相 关系数，取相关系数最大且大于预设相关系数阈值的角特征对作为最终的同名角特征对。

而且，进行同名角特征初始匹配的实现方式为，对于左影像上待匹配的角特征和右影像 上落入搜索区内的一个角特征，以两个角特征的起始边或两个角特征的终止边为同名边，分 别进行以下操作，

采用旋转、平移及缩放变换模型计算两个角特征之间的坐标变换参数，将右影像上的角特征 变换至左影像上待匹配的角特征坐标系下，坐标变换后两角特征的同名边相互重合，然后计 算两个角特征的端点间距；

当所得两个端点间距中最小值小于距离阈值时得到一个候选同名角特征。

而且，进行同名角特征精匹配的实现方式为，对于左影像上待匹配的角特征和右影像上 的一个候选同名角特征，分别对两个角特征获得各自的1/4有效窗口和3/4有效窗口，在两个 角特征的1/4有效窗口之间根据影像灰度信息进行匹配计算相关系数C_1/4，在两个角特征的 3/4有效窗口之间根据影像灰度信息进行匹配计算相关系数C_3/4，取相关系数C_1/4和C_3/4中的 最大值作为两个角特征之间的相关系数。

而且，对某角特征获得相应1/4有效窗口和3/4有效窗口的实现方式如下，

步骤4.1，以角特征的起始边为x轴，以角特征的角点为坐标原点O，建立直角坐标系统 Oxy，并采用仿射变换模型将角特征的另外一条边等长纠正到y轴上，计算变换前角特征与新 坐标系统Oxy之间的变换参数；

步骤4.2，以直角坐标系统Oxy的坐标原点O为中心，根据预设尺寸取影像窗口，直角 坐标系统Oxy的x轴和y轴分别与影像窗口的两条边平行，按照步骤4.1所得变换参数依次 计算影像窗口中每一像素点经过坐标变换后在角特征所在影像上的坐标，根据该坐标值在该 影像上内插获得像素灰度值，得到纠正后的影像窗口；

步骤4.3，对于纠正后的影像窗口，根据x轴和y轴将影像窗口划分为1/4有效窗口和3/4 有效窗口，1/4有效窗口中仅取影像窗口位于第一象限内的部分；3/4有效窗口中仅取影像窗 口位于第二、三和四象限内的部分。

本发明的优点是结合直线特征与影像灰度信息进行航空影像同名角特征自动匹配，通过 在航空影像上提取直线段进而提取角特征，并在待匹配的左、右影像上依次进行同名角特征 初始匹配以及同名角特征精匹配，获取准确的同名角点信息。由于本发明在匹配获得同名角 特征后，可直接获得同名线特征，为此可自动检测视差不连续位置并进而为影像密集匹配提 供约束条件。故本发明在城市地区航空影像自动空中三角测量、高精度DSM自动生产以及 真正射影像生产等领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

图2是本发明实施例的角特征提取示意图。

图3是本发明实施例的基于核线确定同名角特征搜索范围示意图。

图4是本发明实施例的角特征初始匹配示意图。

图5是本发明实施例的结合影像灰度信息的角特征精确匹配示意图。

图6是本发明实施例的角特征精确匹配中角点1/4有效窗口及3/4有效窗口划分示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

本发明技术方案可采用计算机软件技术实现自动运行流程。如错误！未找到引用源。所 示，实施例的流程包含以下步骤：

步骤1，输入左、右两张航空影像以及两航空影像的初始内外方位元素。

步骤2，分别在左、右两张航空影像上提取角特征。提取角特征时，先在两航空影像上分别 提取直线特征，提取的直线特征大部分为建筑物边缘，每个角特征由两条具有相邻端点且近 似垂直的直线段组成，该两条直线段的交点即为角特征的角点。

为便于实施参考起见，提供实施例的航空影像角特征提取实现如图2所示。其步骤如下：

①在航空影像上提取直线特征，假设AB,CD,EF,GH为所提取的建筑物直线边缘。

②对航空影像上提取的所有直线段进行如下操作：对于影像上任意一条直线段（如图2 中AB），在其任意一个端点（如图2中B）处搜索与该直线段的锐角夹角大于一定阈值（例 如取80°）且其某一端点与该端点距离最近且距离小于一定阈值（例如取20像素）的一条直 线段，若搜索成功假设CD为符合搜索条件的直线段，则该两条相邻的直线段AB-CD可组成 一个角特征。在提取角特征后，将两直线段求交，并以交点代替对应的直线段端点，如若AB 与CD相交于M,则新的角特征即为AM-MD（可简写为AMD）。同理，若在其另一个端点A 处也搜索出一条符合条件的直线段（若为HG）则可组成另一个建筑物角特征。并按照从起 始边到终止边沿逆时针的夹角小于180度的原则确定角特征的起始边和终止边，如图2中角 特征AMD中MD应为起始边，MA为终止边。

步骤3，对于左影像上的所有角特征，逐个进行以下匹配操作，直至左影像上的所有角特征 匹配完毕，

对于左影像上的一个待匹配角特征，根据两航空影像的初始内外方位元素计算其角点在 右影像上对应的核线，将右影像上的核线上下扩展一定范围构成右影像上的搜索区，对于右 影像上所有落入搜索区内的角特征，逐一与左影像上的待匹配角特征进行同名角特征初始匹 配，获得多个候选同名角特征；

对于获取的每个候选同名角特征，结合角特征所处位置的影像灰度信息进行同名角特征 精匹配，计算待匹配角特征和各同名角特征之间的相关系数，取相关系数最大且大于预设相 关系数阈值（例如取0.85）的角特征对作为最终的同名角特征对，从而获取左影像上角特征 在右影像上唯一的、准确的同名角特征。若相关系数都达不到阈值则匹配失败。

为便于实施参考起见，提供实施例的基于核线确定同名角特征搜索区实现方式如图3所 示，提供的左、右两张航空影像分别简称为左影像和右影像，基于左影像在右影像上进行搜 索匹配，其步骤如下：

①对于左影像上的一个待匹配角特征（如图3中ABC），根据两航空影像的初始内外方 位元素计算过该角特征的角点（B）的核线（如图3中a）在右影像上的同名核线（如图3中 b）；

②将右影像上的核线上下扩展一定范围（可取上下扩展150像素，如图3中扩展至b1及 b2），具体实施时，本领域技术人员可自行设定扩展范围的宽度；

③将右影像上角点落入扩展核线范围内的所有角特征取出以备参与同名角特征初始匹 配，如图3中DEF,GHI,JKL。

本发明进一步提出，采用旋转、平移及缩放变换模型计算两建筑物角特征之间的坐标变 换参数，将右影像上的建筑物角特征变换至左影像的建筑物角特征坐标系下，然后计算两角 特征对应端点的距离作为角特征相似性测度，可以在左、右影像间存在旋转角、尺度差异的 情况下进行同名角特征匹配，即所用的同名角特征初始匹配方法具有旋转及尺度不变性。为 便于实施参考起见，提供实施例同名角特征初始匹配实现如图4所示。其步骤如下：

①对于左影像上的一个待匹配角特征（如图4中ABC）以及右影像上的一个角特征（图 4中DEF），以它们的角点作为一对同名点（如图4中点B和点E），选择左影像角特征的起 始边和右影像角特征的起始边作为一对同名边（如图4中BC和EF），以同名边的另一对端 点为一对同名点（如图4中点C和点F）；

②根据以上两对同名点采用现有技术中的旋转、平移和缩放变换模型计算以上两角特征 之间的坐标变换参数；

③根据第②步计算出的坐标变换参数，将右影像上的角特征变换到左影像上角特征的坐 标系统中，如图4所示，变换后点E和点F分别与点B和点C重合，即坐标变换后两角特征 的起始边相互重合。然后计算变换后两角特征剩下的端点之间的距离，即端点间距（图4中 点A和点D的间距）。

④将变换前左影像角特征的终止边和右影像角特征的终止边作为同名边（如图4中BA 和ED），按照①、②、③中的步骤使坐标变换后两角特征的终止边相互重合，计算坐标变换 后两角特征的端点间距（即图4中点E和点D分别与点B和点A重合，计算变换后两角特 征端点间距是点C和点F的间距）。并将两次计算中的最小值作为两角特征的最小端点间距， 如果两角特征的最小端点间距小于一定的距离阈值（建议设置阈值为左影像角特征两条线段 长度和的1/3），则认为右影像角特征为左影像角特征的候选同名角特征。

为便于实施参考起见，提供实施例中结合影像灰度信息的角特征精确匹配实现方式如图 5所示。由于大多数建筑物均具有相似的矩形轮廓，且在提取建筑物边缘时因屋顶低矮围墙 具有一定宽度而常出现双边缘现象。以上情况均会导致在进行角特征初匹配时对于左影像上 一个角特征在右影像上出现多个符合初匹配条件的角特征，从而无法判断正确匹配结果。故 需要结合角特征附近灰度信息进行角特征精匹配。而在建筑物角点处存在由于高程突变导致 的视差不连续现象，无法用常规的整体窗口进行角点的相关系数匹配，故本发明进一步提出 基于角特征约束的角点1/4有效窗口及3/4有效窗口匹配算法。实施例实现步骤如下：

①如图5所示，以角特征ABC的起始边BC为x轴，以角特征的角点B为坐标原点O， 建立新的直角坐标系统Oxy，并采用现有技术中的仿射变换模型将角特征的另外一条边BA 等长纠正到y轴上，计算变换前角特征ABC与新坐标系统Oxy之间的变换参数；

②以直角坐标系统Oxy的坐标原点O为中心，根据预设尺寸取影像窗口（x轴和y轴分 别与影像窗口的两条边平行），按照①中计算的变换参数依次计算影像窗口中每一像素点经过 坐标变换后在角特征所在影像上的坐标，根据该坐标值在该影像上内插获得像素灰度值，从 而得到纠正后的影像窗口；本领域技术人员可自行设定窗口尺寸，例如预设尺寸为63×63像 素；

③对于纠正后的影像窗口（可称为大窗口），根据x轴和y轴将窗口划分为1/4有效窗口 和3/4有效窗口（如图6所示，1/4有效窗口中仅取位于第一象限内的白色部分所表示的影像 块参与相关系数计算；3/4有效窗口中仅取位于第二、三、四象限内的白色部分所表示的影像 块参与相关系数计算）。

对于待匹配角特征和任一个相应的候选同名角特征构成的角特征对，分别对两个角特征 进行如上处理，获得各自的1/4有效窗口和3/4有效窗口，先在两角特征的1/4有效窗口之间 进行匹配，计算相关系数C_1/4，然后在两角特征的3/4有效窗口之间进行匹配，计算相关系数 C_3/4，取两次计算的相关系数中的最大值作为两个角特征之间的相关系数。计算相关系数给予 影像灰度信息采用现有的灰度相关系数匹配方法即可实现，本发明不予赘述。

具体实施时，本领域技术人员可自行根据情况预先设定各阈值的取值。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技 术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不 会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。