一种基于二维图像信息的三维地形测量
翻译:杜雷 班级：测绘一班 学号：201314420130 【摘要】 研究目的:利用数字图像测量技术对河流模型实验中的河床地形测量研究。创新要点:以高质量的图像径向畸变校正为基础,依据多幅图像间映射换算以及单幅图像灰度信息变换两方面的研究,来提取三维地形信息。研究方法:使用考虑残差的一阶误差传播的最大似然估计方法求解图像与地形坐标的映射变换参数;借助漫反射光照模型,通过适当假设,推导出地形高程与图像灰度、灰度梯度及太阳方向的关系式。重要结论:1.以Devernay基于直线的图像畸变校正方法为基础,通过使用更高精度的Canny边缘检测算子提取图像边缘,黄金分割法和二次插值法相结合的最优化方法求取畸变系数等,可以得到较好的校正效果,求算的畸变系数精度更高,求算过程更快;2.利用图像与地面间的透视投影关系方法求解地形高程坐标,均匀并尽可能多地将控制点布置在控制区域内,使计算值更接近实测值,并满足河流演变实验的精度要求;3.通过推导关系式,理论上可以根据图像灰度、灰度梯度、太阳方向向量算得地形高程。
【关键词】 河床地形测量；数字图像测量技术；径向畸变矫正；投影变换；灰度信息变换；
1 介绍
河床地形测量是一个在河工模型试验中最复杂的任务。传统的地形测量工具，如电子水平仪，电子中转仪，以及全站仪，很难在河床地形测量之中应用。目前，电阻式测距仪是通常使用的装置。它具有良好的适应性，可以测量多种地形。它适用于不同的含沙量和沙质条件。但是，它的低测量的效率和河床干扰问题是它的主要缺点。
为了满足动态测量的需求，各种各样的地形测量方法已经进化。地面激光扫描，空中光探测和测距（LIDAR），多波束声纳，实时动态（RTK），全球定位系统，和全站仪测量不断被开发以满足增加地貌科学研究的兴趣和工程应用。然而，这样的方法更适合于大规模河床模型，甚至是实际的河流。此外，还有很多软件及硬件资源。在最近几年，随着允许的精确校准方法的发展，非量测相机变得越来
1
越可靠，摄影的自动化变得可访问到广泛的用户群。使用在线结构从运动（SFM）计划等。2013年Bouratsis等。利用自由和开源软件的优势从照片制作中创建的河流环境模型的高分辨率数字高程；2013有人使用的一对商业摄像机来记录河床的演化，并且由一组计算机视觉的一个计算方法和图像处理算法被用来分析视频和重建的瞬时3D床的表面上。詹姆斯和罗布森（2012）集成SFM和多视点立体（MVS）算法研究在方法测量地形需要很少的专业知识和实现自动化处理。阿斯特吕克等在2012年研究了立体技术测量沙床抬高斜在区波时间尺度。此方法是非侵入性，所以有很高的精度，时间分辨率也很容易让人抓获。此外，鲁等人在2008年提出了一些有关平原和高原地形的专题制图相关的研究
图象数据是简单地2D数据。然而，许多线索可能在单个图像或多个图像中找到，其中可以通过图像场景进行三维重建。最典型的重建方法包括从校正方法的形状（Zhang等，1999年），从质地法的形状（福赛思和庞塞，2002），手动交互方法（Shashua，1997）。也有根据一些方法在多个图像进行重建，例如立体视觉的方法，运动图像序列的方法，和光度立体法（李，1991;张Y.J.，2000;Pollefeys和GOOL，2002）。还值得一提的是，三维重建应用广泛的还有地形测量。还有在其他领域的一些显著的应用。 Gómez等人，（2013年）进行了新的方法用于重建，从多个3D + T彩色多普勒3D + T速度场图像。 Mikes等，（2013年）集中在扫描光束偏折表面重建，并提出和分析的新的数学方法从而解决了三维表面形状重建问题。柳（2013）提出了一种新的深度提取方法技术与计算积分成像小透镜阵列。此外，图像分析技术也已用于从CCD空间和时间上检索水面仰角（Benetazzo，2006; Gallego等，2011）。在一定程度上，这些技术是类似于地形测量。他们用重叠的视频图像恢复地形信息。
2 摄像机失真校正
图像的非线性失真校正是图像测量及三维重建必不可少的步骤。它是CCD照相机的几何模型用于确定三维