[科普中國]-基-高比

基-高比是指航空攝影時，攝影基線B與相對航高H的比值。對高程精度有一定的影響，基高比越大，高程精度相對來說就越好?；弑仍酱螅跋窈较蛑丿B越小，反之越大。

概念基-高比是指傳統(tǒng)攝影測量在影像分辨率給定的前提下，為獲得盡可能高的高程精度，基本上都采用大基高比（0.6～1）的方案，以實現(xiàn)地形三維信息的可靠高精度的提取。在影像獲取系統(tǒng)嚴(yán)格標(biāo)定和影像匹配精度較高的情況下，小基高比攝影測量同樣可以重建可靠的三維信息。

小基高比攝影測量方法及實驗分析研究背景傳統(tǒng)攝影測量在建筑物密集、高度起伏變化較大的城市地區(qū)測繪中容易造成較大的輻射和幾何差異（畸變、遮擋、運動目標(biāo)影響等），使得相關(guān)匹配處理起來非常困難，導(dǎo)致獲取高精度、大比例尺地形三維信息的自動化程度相對較低，難以滿足快速獲取的需求。采用小基高比立體觀測模式，可以很好地避免上述不利因素，特別是在城市大比例尺立體測繪中有更多的優(yōu)勢，可克服大基高比攝影測量在城市測繪中遮擋多、“死區(qū)”多、數(shù)據(jù)獲取效率低的缺陷，如圖1所示，為高效率獲取城市地區(qū)DSM/DEM提供了新的手段與方法，為高精度影像處理提供了輻射特性較為一致、幾何變形小的立體影像數(shù)據(jù)源，為大幅提高自動化處理效率奠定基礎(chǔ)。然而，隨著基高比的降低，也必然會帶來交會精度的降低，需要研究高精度的影像匹配算法予以彌補。1

在小基高比攝影測量的研究上，法國人走在前列，Neus Sabater等人研究了小基高比攝影測量的有關(guān)理論與方法，開發(fā)出MARC、MARC2等適用于小基高比影像的高精度匹配算法，用航空平臺對小基高比攝影測量技術(shù)進行全面試驗，初步驗證該技術(shù)的可行性。

在國內(nèi)，門朝光、邊繼龍等人從計算機視覺的角度研究了小基高比條件下的立體匹配算法，初步驗證其算法能達(dá)到較高的匹配精度，能夠彌補小基高比給高程信息帶來的損失。本文從理論和實驗的角度探討小基高比立體測量的可行性。通過分析發(fā)現(xiàn)，匹配誤差可以分為兩項，其中一項因噪聲產(chǎn)生且與基高比有關(guān)，另外一項只與影像匹配算法有關(guān)。由于小基高比條件下影像相關(guān)程度較高，影像匹配精度更高，可以通過設(shè)計高精度的影像匹配算法降低噪聲對匹配誤差造成的影響。

實驗與分析為了驗證小基高比條件下立體像對能夠獲得高精度高程信息，本文實驗所用數(shù)據(jù)為5張連續(xù)具有一定重疊度的UCD航空遙感影像（為方便實驗，影像從大幅影像中截?。?，影像大小均為800像素×900像素，如圖2所示，分辨率為0.05m，焦距f為101.4mm，像元大小為0.009mm，外方位元素如表1所示。影像1和影像2、影像3、影像4、影像5分別組成基高比為0.12、0.23、0.35、0.47的立體像對，從影像中可以看出隨著基高比的增大，幾何差異增大。

實驗所用技術(shù)方案如圖3所示，對5張連續(xù)UCD高分辨率航空影像分別進行特征提取，將影像1和影像2、影像3、影像4、影像5組成的立體像對分別進行特征匹配處理，然后查找4個匹配結(jié)果中左像點相同的點，進行最小二乘匹配和前方交會處理，并生成地面點坐標(biāo)文件。

實驗1：利用整像素級SIFT匹配結(jié)果進行前方交會。該實驗利用生成的82組整像素級SIFT特征匹配結(jié)果進行前方交會處理。像對4基高比為0.47，比像對1、2和3的基高比大，可以認(rèn)為其前方交會的結(jié)果最可靠，因此將其計算得到的地面點坐標(biāo)作為基準(zhǔn)，分別計算像對1、像對2、像對3地面點坐標(biāo)在X，Y，Z3個方向上的中誤差，如表2所示。

實驗2：利用子像素級SIFT匹配結(jié)果進行前方交會（內(nèi)插二次曲面精確確定特征點的位置）。該實驗利用生成的82組子像素級匹配結(jié)果進行前方交會處理。將像對4計算得到的地面點坐標(biāo)作為基準(zhǔn)，分別計算像對1、像對2、像對3地面點坐標(biāo)在X，Y，Z3個方向上的中誤差，如表3所示。

實驗3：對整像素級SIFT匹配結(jié)果經(jīng)最小二乘匹配后前方交會。該實驗對實驗1中生成的整像素級匹配結(jié)果進行最小二乘匹配處理，然后進行前方交會。將像對4計算得到的地面點坐標(biāo)作為基準(zhǔn)，分別計算像對1、像對2、像對3地面點坐標(biāo)在X，Y，Z3個方向上的中誤差，如表4所示。

從實驗1可以看出，影像匹配精度為整像素級時，基高比為0.12的立體像對的高程定位精度較差，約為5個GSD，對平面定位精度影響相對較小。隨著基高比的增加，像對2和像對3的高程定位精度和平面定位精度都得到有效提升，說明影像匹配精度較差時，小基高比立體像對不能獲得高精度的地面定位結(jié)果。

從實驗2和實驗3可以看出，影像匹配精度較高時，像對1、像對2、像對3的地面定位精度都得到大幅度提升，即使是基高比為0.12立體像對的高程定位精度也小于2個GSD。實驗3中像對1、像對2、像對3的地面定位精度較實驗2有輕微幅度的提升，說明最小二乘匹配的精度更高。因此，在小基高比條件下，高精度的影像匹配結(jié)果可以彌補交會精度的缺失，小基高比立體像對同樣可以獲得高精度的地形三維信息。

研究結(jié)論1）研究從數(shù)學(xué)的角度探討小基高比條件下重建高程信息的可行性，并利用不同基高比的影像實驗，驗證在特征明顯區(qū)域小基高比立體像對同樣可以獲取可靠的高精度的高程信息。

2）實驗采用特征明顯的區(qū)域進行處理，取得較好的驗證結(jié)果。在小基高比條件下，對于特征貧乏的區(qū)域，若想獲得可靠的高程精度，則需要研究新型的高精度影像匹配算法，進而有效提高其影像匹配精度和高程定位精度。2

基于相位相關(guān)的小基高比影像匹配方法研究背景傳統(tǒng)的航空航天攝影測量在影像分辨率一定的前提下，為獲得較高的高程精度，基本上都采用大基高比(0.6-1)的方案，以實現(xiàn)地形三維信息可靠、高精度地提取。但這種方案在建筑物密集、高度起伏變化劇烈的城市地區(qū)測繪中，容易造成立體影像之間大的輻射和幾何差異(受遮擋、畸變、運動目標(biāo)等因素影響)，使得相關(guān)匹配處理異常困難。小基高比立體觀測模式可獲取地物目標(biāo)近同時、交會角非常小的立體像對，該立體像對上相應(yīng)像點附近存在很小的幾何差異和輻射差異，影像相關(guān)程度很高，可較好地解決傳統(tǒng)攝影測量在建筑物密集、高度起伏變化劇烈的城市地區(qū)的匹配難題。然而，基高比的降低必然會帶來交會精度的降低。小基高比立體測量的相關(guān)研究表明，交會精度的損失可用高精度的視差測量精度進行彌補。因此，對于小基高比攝影測量而言，高精度的影像匹配顯得尤為重要。

為獲取亞像素級的影像匹配精度，一種典型的方法是：匹配前先通過插值法對圖像進行過采樣，然后再利用像素級影像匹配算法進行匹配。這種方法的匹配精度受限于過采樣頻率，還可能出現(xiàn)因為插值造成混淆現(xiàn)象；另外該方法會大大增加計算工作量。另一種典型的方法是利用相似度準(zhǔn)則(如歸一化互相關(guān))和經(jīng)典區(qū)域匹配方法，通過在相關(guān)峰值附近擬合一條拋物線，在這個過程中內(nèi)插出匹配像點的亞像素位置。然而從實踐來看，該方法的匹配精度不夠理想。主要探討了小基高比條件下兩種基于相位相關(guān)的亞像素級影像匹配方法，并通過實驗驗證了算法所能達(dá)到的精度級別。

基于局部上采樣的相位相關(guān)算法相位相關(guān)法是建立在傅立葉變換平移性質(zhì)上的。這種方法認(rèn)為兩張相似影像在空間域內(nèi)的平移，可以被表達(dá)為頻域中傅立葉變換式的線性相位差。假設(shè)所給的兩個影像函數(shù)之間的偏移量為a和b。一般情況下，解求(a，b)有兩種方法。

1)將頻率域互相關(guān)功率譜向兩個頻率軸投影，可以直接計算得到(a，b)，但是這種方法對噪聲非常敏感；

2)依據(jù)傅里葉變換的平移性質(zhì)，互相關(guān)功率譜的相位等于兩幅影像傅立葉變換式的線性相位差；將互相關(guān)功率譜進行逆傅里葉變換得到二維函數(shù)，根據(jù)函數(shù)極值所處的坐標(biāo)位置可得到偏移量(a，b)。

這里采用后一種方法求解。該算法采用零填充重采樣方法，對局部互相關(guān)功率譜進行上采樣處理。零填充是一種常用的信號重采樣方法，序列信號通過零內(nèi)插處理，可以提升其傅里葉變換頻譜的分辨率。

研究結(jié)論在相位相關(guān)的基礎(chǔ)上，分別利用局部上采樣技術(shù)和奇異值分解技術(shù)，對小基高比立體影像進行處理，獲取了亞像素精度的匹配結(jié)果。在影像匹配過程中，匹配精度的高低與影像的相關(guān)性、影像信噪比、紋理豐富程度等因素有關(guān)。在影像相關(guān)性較差或者信噪比較低或者紋理信息較為匱乏時，無論采用哪種算法，都不會達(dá)到較高的匹配精度。在小基高比條件，影像拍攝時間間隔極短，幾何畸變和輻射畸變很小，影像的相關(guān)性較高，影像匹配精度也相應(yīng)較高。當(dāng)信噪比較低時，噪聲會淹沒影像匹配的精度，導(dǎo)致其匹配精度較低。為進一步提高影像匹配的精度，從而滿足小基高比攝影測量的需求，需更深入地研究影像匹配精度與信噪比、影像紋理信息等因素的量化關(guān)系，這是下一步的研究重點。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)