專利名稱：利用機載LiDAR點云數據輔助影像匹配的方法
技術領域：
本發明屬于攝影測量與遙感領域，涉及遙感影像匹配與機載激光雷達LiDAR測量技術，尤其涉及利用機載LiDAR點云數據輔助影像匹配的方法。
背景技術：
遙感影像匹配是攝影測量研究領域的熱點與難點問題，它廣泛應用于立體像對的相對定向、遙感影像配準、DEM (數字高程模型)生成及遙感影像拼接等方面。它定義為在兩張或多張數字影像的要素之間自動建立對應關系，這些影像是對同一場景在不同位置和不同時刻獲取的，要素可以是數字影像中的點，或者是提取的其他特征。現有的匹配方法都必須采用繁瑣的搜索策略以獲取搜索影像上相應的匹配點位，常用的搜索策略有核線幾何約束條件與金字塔多級搜索策略。隨著傳感器的發展，多種傳感器協同作業的方式為攝影測量提供了新的解決方案。機載LiDAR技術是指一種高度集成激光測距、動態GPS差分以及慣性導航姿態測定的技術。其中，激光測距用于測量激光雷達信號發射參考點到地面激光腳點之間的距離；動態差分GPS用于確定激光雷達信號發射參考點的空間位置；慣性導航用于測定掃描裝置的主光軸姿態參數。通過這三者同步、協調的工作，實現了對地面目標三維坐標的直接獲取。相比航空攝影測量，它是主動式測量方式、時效性強、激光脈沖穿透能力強、作業效率高、生產成本低。機載LiDAR技術實現了對攝影測量的重要補充，目前，機載LiDAR輔助影像匹配技術的研究急需開展。
發明內容
本發明的目的是提供一種利用機載LiDAR點云數據輔助影像匹配的方法，以解決現有影像匹配方法中繁瑣的搜索問題。為實現上述目的，本發明的方案是:一種利用機載LiDAR點云數據輔助影像匹配的方法，包括如下步驟:
(I)獲取參考影像和搜索影像，所述參考影像和搜索影像為一組影像對，在所述影像對的重疊區域內截取機載LiDAR點云數據。(2)在參考影像上提取特征點作為影像匹配的待匹配點；
(3)利用LiDAR點云數據生成對應所述影像對重疊區域的規則化數字表面模型DSM；
(4)將POS系統獲取的載體位置與姿態信息轉換成參考影像和搜索影像的外方位元
素；
(5)解算出搜索影像上與所述參考影像待匹配點相對應的點的初始位置；
(6)根據步驟(5)解算出的搜索影像上對應待匹配點的初始位置，進行相關系數匹配，得到最終匹配結果。進一步地，步驟(2)是利用Harris算子對參考影像進行特征點的提取。進一步地，步驟(3)首先對機載LiDAR點云數據進行粗差剔除，再對點云數據進行規則格網化處理。進一步地，步驟(5)中解算搜索影像上對應待匹配點的初始位置的方法為:
首先利用DSM信息與參考影像的外方位元素解算出每個待匹配點對應的地面點坐標，然后將這些地面點坐標反算到搜索影像上，根據搜索影像的外方位元素以及地面點與搜索影像上像點共線的關系，最終得到搜索影像上對應待匹配點的初始位置；
本發明的利用機載LiDAR點云數據輔助影像匹配的方法，利用激光點云數據為影像匹配提供良好的物方約束，能夠有效避免繁瑣的搜索策略并達到影像匹配的目的，是一種匹配成功率高、消耗時間短的高效影像匹配方法。
圖1是本發明方法的基本匹配原理 圖2a是測區實驗數據顯示的參考影像；
圖2b是測區實驗數據顯示的截取的機載LiDAR點云數據 圖2c是測區實驗數據顯示的搜索影像；
圖3是特征點提取 圖4a為樣本I解算初始點位時，參考影像上利用Harris算子提取的特征點；
圖4b為樣本I解算初始點位時,參考影像上的角點反算到搜索影像上匹配點的初始點
位；
圖5a是樣本2解算初始點位時，參考影像上利用Harris算子提取的特征點；
圖5b是樣本2解算初始點位時,參考影像上的角點反算到搜索影像上匹配點的初始點
位；
圖6a是樣本I相關系數匹配時，樣本I區域中提取的Harris角點；
圖6b是樣本I相關系數匹配時，相應的匹配點位；
圖7a是樣本2相關系數匹配時，樣本2區域中提取的Harris角點；
圖7b是是樣本2相關系數匹配時，相應的匹配點位 圖8a和圖8b是視差方案在樣本I的匹配結果 圖9a和圖9b是視差方案在樣本2的匹配結果圖。
具體實施例方式利用機載LiDAR點云數據輔助影像匹配的方法的基本思想如圖1所示，I為參考影像，2為搜索影像，3為數字表面模型(DSM)，首先在參考影像上提取特征點作為待匹配點，利用LiDAR點云數據生成對應影像重疊區域的DSM，并將POS數據轉換成CXD影像的外方位元素，結合參考影像的外方位元素依據單片測圖原理解算出每個待匹配特征點所對應的地面點坐標，再結合搜索影像的外方位元素及根據地面點與搜索影像上像點的共線關系，得到搜索影像上對應待匹配點的初始位置，最后利用相關系數匹配得到最終匹配結果。該方法的關鍵步驟包括利用機載LiDAR點云數據生成DSM、特征點提取、POS轉換外方位元素、解算搜索影像上匹配點的初始位置以及相關系數匹配。具體步驟如下:
I) DSM的生成
機載LiDAR測量系統獲取的是離散、不規則并且分布密集的激光點云數據，它本身就是DSM的一種表達方式，然而，這種離散的數據結構給后續的應用帶來不便并且點云數據中往往存在粗差，因此，應首先進行粗差剔除，然后對點云數據進行規則格網化處理。生成規則DSM的公式如式(I)所示:
權利要求
1.一種利用機載LiDAR點云數據輔助影像匹配的方法，其特征在于，該方法的步驟如下: (1)獲取參考影像和搜索影像，所述參考影像和搜索影像為一組影像對，在所述影像對的重疊區域內截取機載LiDAR點云數據。
(2)在參考影像上提取特征點作為影像匹配的待匹配點； (3)利用LiDAR點云數據生成對應所述影像對重疊區域的規則化數字表面模型DSM； (4)將POS系統獲取的載體位置與姿態信息轉換成參考影像和搜索影像的外方位元素； (5)解算出搜索影像上與所述參考影像待匹配點相對應的點的初始位置； (6)根據步驟(5)解算出的搜索影像上對應待匹配點的初始位置，進行相關系數匹配，得到最終匹配結果。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(2)是利用Harris算子對參考影像進行特征點的提取。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于:所述步驟(3)首先對機載LiDAR點云數據進行粗差剔除，再對點云數據進行規則格網化處理。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(5)中解算搜索影像上對應待匹配點的初始位置的方法為: 首先利用DSM信息與參考影像的外方位元素解算出每個待匹配點對應的地面點坐標，然后將這些地面點坐標反算到搜索影像上，根據搜索影像的外方位元素以及地面點與搜索影像上像點共線的關系，最終得到搜索影像上對應待匹配點的初始位置。
全文摘要
本發明涉及一種利用機載LiDAR點云數據輔助影像匹配的方法，獲取參考影像、搜索影像和截取的機載LiDAR點云數據,在參考影像上提取特征點作為待匹配點；利用LiDAR點云數據生成對應影像重疊區域的規則化數字表面模型DSM信息；將POS數據轉換成參考影像的外方位元素；利用DSM信息與參考影像的外方位元素解算出待匹配特征點對應地面點的物方坐標，再將這些地面點的物方坐標反算到搜索影像上，得到搜索影像上對應匹配點的初始位置；利用相關系數匹配得到最終匹配結果。本方法利用激光點云數據為影像匹配提供良好的物方約束，能夠有效避免繁瑣的搜索策略并達到影像匹配的目的，是一種匹配成功率高、消耗時間短的高效影像匹配方法。
文檔編號G06T7/00GK103093459SQ20131000337
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月6日 優先權日2013年1月6日
發明者王慧, 李鵬程, 張勇, 王利勇, 閘旋, 李爍, 劉忠濱, 武海洋, 胡志定 申請人:中國人民解放軍信息工程大學