单幅图像中地物目标几何量测研究

论文摘要

测量几乎是各个领域都涉及到的必不可少的工作之一。图像量测以其非接触性、普适性、实时性、可重复性等特点成为地物对象几何量测的重要手段之一。当前图像获取的方式呈现多元化趋势,并且也无法得到摄影设备参数。另外,不同来源的图像之间摄影基线无法事先控制,这些都加大了双目视觉应用中图像匹配、相机自标定等过程的难度。因此,必须破除传统摄影测量来自“双眼视觉”的束缚。基于单幅图像的量测技术仅利用单幅图像中蕴含的几何特征,避免了立体视觉中图像之间匹配、相机自标定等经典难题,成为图像量测发展的重要趋势。本文以单幅未标定近景图像为研究对象,旨在提取单幅图像中地物目标的几何尺寸。通过研究取得以下成果：(1)面向单幅图像几何量测的先验知识分类与先验知识库架构。在总结现有单幅图像几何量测方法中对已知信息运用的基础上,根据先验知识在单幅图像几何量测过程中所起的作用,将先验知识分为：几何约束信息、度量参考信息以及语义约束信息。在系统梳理地理场景中的各类先验知识的基础上,结合人类对地理场景的认知特点,以两类数据表——对象分类层次表和对象度量信息表描述先验知识,前者主要表示实体对象所属的类别,方便地理对象快速检索,后者主要描述地理对象的度量参考信息。在此基础上,本文进而实现了先验知识库的架构。(2)针对地理场景中矩形对象,提出基于交比的几何量测方法。考虑到交比为射影变换不变量,本文结合灭点、灭线得出以下三个结论：①已知一条直线上某段线段的长度以及直线的灭点,则可获得直线上任意两点之间的距离。②已知平面内一条参考线段的长度及所在平面的灭线,即可获得参考平面中与参考线段平行的直线上任意两点之间的距离。③已知平面上一矩形及两条边长,则可获得平面上任意两点之间的距离。在距离量测的基础上,指出了其他几何信息的计算方法以及三维空间上(主要指垂直平面上、平行平面上)地物几何信息的量测方法,测试表明了算法的可用性。(3)考虑地理场景另外一类常见几何特征圆形,在上文基于交比的三个结论的基础上,提出了三种距离量测方法：基于圆形直径上交比的方法、基于圆形外接矩形的方法、基于圆形两条垂直直径的方法。通过实验证明：基于圆形直径上交比的方法量测结果对误差具有很强的敏感性,测量结果各个方向精度差异大；而后两种方法量测结果则较为稳定、量测结果精度有所提高。(4)在总结现有几何量测相关算法的基础上,对基于相同特征的不同灭点、灭线、几何量测方法进行对比测试分析。通过测试分析得出,在同等几何特征提取精度下,优先选用基于平行线的灭点计算方法；针对包含同心圆的图像优先选用基于圆形割线的灭线计算方法；在包含矩形的场景中可选用本文提出的基于复合交比的几何量测方法或直接线性变换；而在包含圆形的场景中,可选用本文提出的基于圆形外接矩形方法。(5)在上文总结的算法优选策略基础上,针对一幅图像中包含不同的参考对象的情况,通过对包含多个矩形和圆形的多幅图像几何量测算法进行测试,结果分析表明,①当参考对象位于图像中心时,待测线段的整体量测精度较高；②针对某一待测对象,就近选择参考对象可获得较高的量测精度。针对可选用多个参考对象的情况,采用灭线优化算法对几何量测过程进行优化,采用加权平均方法对几何量测结果进行优化,测试表明了策略的正确性,尤其在优选参考对象之后,几何量测结果精度更高。(6)基于论文中所提出的方法,设计并实现了面向结构化场景单幅图像几何量测的原型系统。该系统具有几何特征提取、先验知识入库、检索、针对不同几何特征的单幅图像距离量测、其他几何信息计算等功能。本研究充分利用单幅图像本身所蕴含的线索,挖掘图像中地物目标的几何尺寸信息,为GIS空间数据获取提供一条新途径;本研究的数据获取方便、量测方法方便快捷,使得公众能够体验到GIS的便利性,进而推动了GIS社会化发展；同时,本研究可为公安、交通、数字城管、古建筑物三维重建、应急救援等领域提供决策支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图索引
• 表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 研究概况
• 1.3 研究目标与内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究对象与研究内容
• 1.4 技术路线与关键技术
• 1.4.1 技术路线
• 1.4.2 关键技术
• 1.5 论文结构
• 第2章 综述
• 2.1 引言
• 2.2 单幅图像几何量测基本原理
• 2.2.1 基于单应的几何量测方法
• 2.2.2 基于不变量的方法
• 2.2.3 小结
• 2.3 直接计算单应矩阵的方法
• 2.3.1 二维平面单应矩阵计算方法
• 2.3.2 三维空间单应矩阵计算方法
• 2.3.3 分析与讨论
• 2.4 基于不变量恢复单应矩阵的方法
• 2.4.1 恢复二维单应矩阵的方法
• 2.4.2 恢复三维单应矩阵的方法
• 2.4.3 透视变换矩阵计算方法
• 2.4.4 分析与讨论
• 2.5 单幅图像相机自标定
• 2.6 分析与讨论
• 2.7 本章小结
• 第3章 面向结构化场景的先验知识库构建
• 3.1 引言
• 3.2 先验知识类型
• 3.2.1 先验知识作用与分类
• 3.2.2 几何约束信息
• 3.2.3 度量参考信息
• 3.2.4 语义约束信息
• 3.3 地理场景中的先验知识
• 3.3.1 水系中的先验知识
• 3.3.2 居民地中的先验知识
• 3.3.3 交通中的先验知识
• 3.3.4 管线和桓栅中的先验知识
• 3.4 先验知识库
• 3.4.1 先验知识库内容
• 3.4.2 先验知识库设计
• 3.4.3 索引机制
• 3.5 先验知识获取
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于矩形的单幅图像几何量测
• 4.1 基础知识
• 4.1.1 点、直线
• 4.1.2 灭点与灭线
• 4.1.3 交比
• 4.2 基于交比的平面距离量测方法
• 4.2.1 与参考线段共线的两点距离量测方法
• 4.2.2 与参考线段平行的两点距离量测方法
• 4.2.3 包含矩形平面上任意两点距离量测方法
• 4.2.4 算法在平面上进一步推广
• 4.3 基于交比的三维空间上几何量测方法
• 4.3.1 垂直于参考平面的平面上几何量测
• 4.3.2 平行于参考平面的平面上几何量测
• 4.4 其他几何信息的计算
• 4.5 测试与分析
• 4.5.1 平面上几何量测测试
• 4.5.2 三维空间上几何量测测试
• 4.5.3 测试结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于圆形的单幅图像几何量测
• 5.1 基础知识
• 5.1.1 二次曲线
• 5.1.2 虚圆点与对偶二次曲线
• 5.1.3 对极关系
• 5.1.4 调和交比
• 5.2 基于圆形的距离计算方法
• 5.2.1 基于圆形一条直径的距离计算方法
• 5.2.2 基于圆形外接矩形的距离计算方法
• 5.2.3 基于圆形两条垂直直径的距离计算方法
• 5.3 基于圆形的灭线计算方法
• 5.3.1 包含两条直径的场景
• 5.3.2 包含一条直径与一组平行线的场景
• 5.3.3 包含一条直径与一个直角的场景
• 5.4 测试与分析
• 5.4.1 包含单个圆形的场景测试
• 5.4.2 包含两个圆形的合成场景测试
• 5.4.3 包含圆形的现实场景测试
• 5.4.4 结果分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 多约束单幅图像几何量测的优化处理策略
• 6.1 问题的提出
• 6.2 多约束下几何量测方法选用策略
• 6.2.1 仿射恢复
• 6.2.2 度量恢复
• 6.2.3 几何量测
• 6.2.4 小结
• 6.3 不同空间分布参考对象选用
• 6.3.1 参考对象选用基本原则
• 6.3.2 矩形对象选用策略
• 6.3.3 圆形对象选用策略
• 6.3.4 小结
• 6.4 结果优化
• 6.4.1 多约束下灭线优化
• 6.4.2 多约束下几何量测结果优化
• 6.4.3 测试与分析
• 6.4.4 小结
• 6.5 本章小结
• 第7章 原型系统的设计与实现
• 7.1 系统组成
• 7.2 系统开发与运行环境
• 7.3 系统总体设计
• 7.4 系统功能设计
• 7.5 系统运行实例
• 7.6 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 分析
• 8.2 结论
• 8.3 主要创新点
• 8.4 研究方向展望
• 参考文献
• 读博期间发表的论文与科研成果
• 致谢