數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量特征提取分析

發(fā)布日期：2018-05-11 00:00 瀏覽量：15529

　　1、數(shù)字影像表示
　　數(shù)字攝影測(cè)量系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)影像匹配與識(shí)別代替人的立體量測(cè)與識(shí)別，完成影像幾何與物理信息的自動(dòng)提取。為了能讓計(jì)算機(jī)完成這一任務(wù)，必須使用數(shù)字影像。若原始資料是光學(xué)影像（膠片）則需通過(guò)掃描數(shù)字化。數(shù)字攝影測(cè)量與模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量的根本差別之一，在于對(duì)影像幅射信息的計(jì)算機(jī)數(shù)字化處理，不利用幅射信息是無(wú)法實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量自動(dòng)化的。在解析攝影測(cè)量中，目標(biāo)點(diǎn)向量是三維的，即（X，Y，Z）T ，而在數(shù)字攝影測(cè)量中目標(biāo)點(diǎn)向量變?yōu)樗木S了，即（X，Y，Z，D）T，其中D=D（X，Y，Z）是該點(diǎn)的幅射量（灰度值或色彩量）集合目標(biāo)的紋理信息，它在影像上的投影就是數(shù)字影像。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化需求的迅速增長(zhǎng)，快速確定目標(biāo)的紋理D=D（X，Y，Z）也已經(jīng)成為當(dāng)代數(shù)字攝影測(cè)量的一項(xiàng)重要任務(wù)了。也就是說(shuō)，當(dāng)代數(shù)字攝影測(cè)量不僅要自動(dòng)測(cè)定目標(biāo)的三維坐標(biāo)，還要自動(dòng)確定目標(biāo)點(diǎn)的紋理。數(shù)字影像的每一個(gè)數(shù)據(jù)代表了被攝物體（或光學(xué)影像）上一個(gè)點(diǎn)的幅射強(qiáng)度（或灰度），這個(gè)點(diǎn)（實(shí)際上是一個(gè)微小的區(qū)塊）稱為像元素，通常稱為“像素”。像素的灰度值常用八位二進(jìn)制數(shù)表示。如果是彩色影像，則由3個(gè)同樣大小的整數(shù)矩陣，分別表示其R，G，B三個(gè)分量。
　　數(shù)字影像是物體電磁波輻射能量的二維數(shù)字陣列表示。看作是一個(gè)灰度矩陣g，矩陣內(nèi)每個(gè)元素gij是一個(gè)灰度值，對(duì)應(yīng)著光學(xué)影像或?qū)嶓w的一個(gè)微小區(qū)域。各像元灰度值gij代表其影像經(jīng)采樣與量化了的“灰度級(jí)”。數(shù)字影像是一個(gè)整數(shù)矩陣，其中的每個(gè)元素表示其下標(biāo)所指位置處物體電磁波輻射的強(qiáng)度，是便于計(jì)算機(jī)處理的圖像形式。也可以通過(guò)變換，用另一種方式表達(dá)，即把影像的表達(dá)由空間域變換到頻率域中。在空間域內(nèi)是表達(dá)像點(diǎn)不同位置（x，y）處（或用i，j表達(dá)）的灰度值，而在頻率域內(nèi)則表達(dá)在不同頻率中（像片上每毫米的線對(duì)數(shù)，即周期數(shù)）的振幅譜（傅立葉譜）。
　　數(shù)字圖像除了用矩陣表示之外，還常常用向量表示。通常是按照行的順序，使所有的元素依序堆成一列，這種組成法稱為堆疊表示法，或字典表示法。
　　數(shù)字影像的數(shù)據(jù)文件組織有多種方式，常用的有BMP，JPEG，TIFF等。

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量特征提取分析1.jpg

　　2、模擬影像數(shù)字化
　　模擬影像數(shù)字化是把模擬圖像分割成同樣形狀的小單元（像元），并把各小單元的平均亮度值或中心部分的亮度值變換成“灰度級(jí)”作為該單元的亮度等級(jí)值的圖像。分為連續(xù)灰度圖像：二維區(qū)域上的連續(xù)曲面和離散灰度圖像：二維區(qū)域上的離散格點(diǎn)。
　　模擬影像數(shù)字化的兩個(gè)步驟為空間離散--采樣（Sampling）和覆蓋區(qū)域的細(xì)分，強(qiáng)度離散--量化（Quantizing ）。

　　3、數(shù)字攝影測(cè)量特征提取

　　當(dāng)數(shù)字影像采集完成后，特征提取是影像分析和影像匹配的基礎(chǔ)，也是單幅影像處理的重要任務(wù)。特征提取主要應(yīng)用各種算子來(lái)進(jìn)行，根據(jù)特征可分為點(diǎn)狀特征、線狀特征與面狀特征，因而特征提取算子又可分為點(diǎn)特征提取算子與線特征提取算子，而面特征主要是通過(guò)區(qū)域分割來(lái)獲取。數(shù)字影像中的明顯目標(biāo)，我們不僅要識(shí)別它們，還需要確定它們的位置。例如地面控制點(diǎn)在影像上為明顯目標(biāo)，它們的位置是需要精確量測(cè)的，另外一些明顯目標(biāo)雖不是控制點(diǎn)，但要將它們用于影像方位確定，也需要精確量測(cè)其位置。在數(shù)字攝影測(cè)量中特征定位是利用特征定位算子來(lái)進(jìn)行的，分為圓狀特征點(diǎn)的定位算子與角點(diǎn)的定位算子。
　　數(shù)字攝影測(cè)量的突出特點(diǎn)是自動(dòng)化。影像匹配理論與實(shí)踐是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)立體量測(cè)的關(guān)鍵，而影像特征的提取又為影像匹配提供了條件，雖然近年來(lái)從“單點(diǎn)匹配”到“整體匹配”是數(shù)字攝影測(cè)量匹配理論和實(shí)踐的一個(gè)飛躍，但關(guān)于影像特征的提取仍然是數(shù)字攝影測(cè)量的重要研究課題之一。

　　（1）數(shù)字影像采樣
　　采樣是對(duì)實(shí)際連續(xù)函數(shù)模型離散化的量測(cè)過(guò)程。樣點(diǎn)是被量測(cè)的“點(diǎn)”，是小的區(qū)域--像素。采樣間隔是矩形的長(zhǎng)與寬，通常稱為像素的大小，也是樣點(diǎn)之間的距離。
　　數(shù)字影像無(wú)論是傳統(tǒng)的光學(xué)影像數(shù)字化還是直接獲取，不可能對(duì)理論上的每一個(gè)點(diǎn)都獲取其灰度值，而只能將實(shí)際的灰度函數(shù)離散化，對(duì)相隔一定間隔的點(diǎn)量測(cè)其灰度值。這種對(duì)實(shí)際連續(xù)函數(shù)模型離散化的量測(cè)過(guò)程就是采樣，被量測(cè)的點(diǎn)稱為樣點(diǎn)，樣點(diǎn)之間的距離即采樣間隔。這些量測(cè)點(diǎn)也不可能是幾何上一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)小區(qū)域，通常是一個(gè)矩形或圓形的小像塊，即像素。現(xiàn)在一般取矩形或正方形，其長(zhǎng)與寬通常稱為像素的大小（或尺寸），它通常等于采樣間隔。
　　影像特征提取的點(diǎn)特征主要指明顯點(diǎn)，如角點(diǎn)、圓點(diǎn)等。提取點(diǎn)特征的算子稱為興趣算子或有利算子，即運(yùn)用某種算法從影像中提取我們所感興趣的有利于某種目的的點(diǎn)。雖然不同的算法具有不同特色的興趣算子，有利用灰度方差提取點(diǎn)特征的算子，也有通過(guò)計(jì)算各類像素的梯度和像素為中心的窗口灰度協(xié)方差矩陣，提取的特征點(diǎn)在影像中都具有盡可能小而接近圓的誤差橢圓特征。
　　計(jì)算步驟為在影像中放置圓形模板，計(jì)算模板內(nèi)與原字有相同亮度的像素個(gè)數(shù)，形成角點(diǎn)強(qiáng)度圖像，通過(guò)尋求中心與鄰接性去除偽點(diǎn)。通過(guò)抑制局部非最大確定最終角點(diǎn)。

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量特征提取分析2.jpg

　　（2）影像重采樣理論與方法
　　當(dāng)欲知不位于矩陣（采樣）點(diǎn)上的原始函數(shù)g（x，y）的數(shù)值時(shí)就需進(jìn)行內(nèi)插，此稱為重采樣。即在原采樣基礎(chǔ)上再一次采樣。每當(dāng)對(duì)數(shù)字影像進(jìn)行幾何處理時(shí)總會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，其典型的例子為影像的旋轉(zhuǎn)、核線排列與數(shù)字糾正等。顯然，在數(shù)據(jù)影像處理的攝影測(cè)量應(yīng)用中常常會(huì)遇到一種或多種這樣的幾何變換，因此重采樣技術(shù)對(duì)攝影測(cè)量學(xué)是很重要的。重采樣方法有雙線性插值法、雙三次卷積法以及最鄰近像元法。這三種采樣方法以“最鄰近像元法”最為簡(jiǎn)單，但幾何精度差，最大可達(dá)0.5像元。前兩種方法幾何精度較好，但計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，特別是雙三次卷積法較費(fèi)時(shí)，在一般情況下多應(yīng)用雙線性插值法。
　　絕對(duì)定向、自動(dòng)獲取DEM以及向量測(cè)圖都將在核線影像上完成，因而核線重采樣是一項(xiàng)主要的工作。在一般情況下，數(shù)字影像的掃描行與核線并不重合，為了獲取核線的灰度序列，必須對(duì)原始數(shù)字影像灰度進(jìn)行重采樣。采樣方式有2種，在水平影像上獲取核線影像和直接在傾斜影像上獲取核線影像。

　　4、小結(jié)
　　數(shù)字攝影測(cè)量特征提取為了數(shù)據(jù)重建，而且要求重建后的圖像與原圖像完全一致，即經(jīng)過(guò)圖像采樣后，原圖像的信息都被保存下來(lái)，為進(jìn)一步生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)字攝影測(cè)量廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)DEM、DOM及交互提取矢量數(shù)據(jù)和數(shù)字測(cè)圖。

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