基于建筑物房頂矢量的正射影像鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)自動選擇方法與流程
本發(fā)明涉及到航空正射影像鑲嵌技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種基于建筑物房頂矢量的正射影像鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)自動選擇方法。
背景技術(shù)：
數(shù)字正射影像(Digital Orthophoto Map簡稱DOM)是數(shù)字遙感影像利用數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model簡稱DEM)，經(jīng)過單張影像數(shù)字微分糾正，然后進(jìn)行鑲嵌融合，最后按照一定圖幅裁切而成的數(shù)字影像數(shù)據(jù)。DOM是數(shù)字?jǐn)z影測量與遙感的重要的4D產(chǎn)品之一，更是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)及更新的重要數(shù)據(jù)來源，正射影像被廣泛地應(yīng)用于國土資源調(diào)查、城市規(guī)劃建設(shè)、土地利用監(jiān)測、數(shù)字城市建設(shè)等領(lǐng)域。隨著無人機低空遙感系統(tǒng)的發(fā)展，DOM也在自然災(zāi)害快速災(zāi)情評估、應(yīng)急搶險中扮演著越來越重要的角色。
DOM影像圖的生產(chǎn)主要有單張影像正射糾正、影像勻光勻色、影像鑲嵌、影像裁切四個步驟，其中影像鑲嵌是DOM影像圖制作中最為復(fù)雜最為耗時的環(huán)節(jié)，而在影像鑲嵌中鑲嵌線的選擇是重中之重。所謂影像鑲嵌是指將兩張或多張具有重疊區(qū)的正射影像統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，然后在影像重疊區(qū)中選擇一個邊界線，在邊界線兩邊選擇不同影像上的像素，從而將多張正射影像合并成一幅框幅更大、紋理無縫銜接的正射影像的過程。而這條邊界線即為鑲嵌線，由多條鑲嵌線組成的網(wǎng)絡(luò)成為鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)。目前國內(nèi)外大多數(shù)軟件在進(jìn)行影像鑲嵌過程中鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)的選擇都需要輔以人工交互編輯才能滿足生產(chǎn)需求，這就阻礙了DOM制作的高效自動化制作的進(jìn)程。
正射糾正是將中心投影的原始影像根據(jù)DEM地形數(shù)據(jù)通過數(shù)字微分糾正逐像素糾正為正射影像。由于DEM只表示了地表形態(tài)，并不包括地表空間目標(biāo)如人工建筑物等信息，因此經(jīng)過正射糾正后的正射影像上建筑物依然存在投影差，建筑物會偏離其正確位置并且出現(xiàn)傾斜的情況。如果不考慮建筑物等目標(biāo)，直接利用由幾何關(guān)系自動生成的鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)(如Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行影像鑲嵌，當(dāng)鑲嵌線穿越建筑物成像區(qū)域時就會出現(xiàn)鑲嵌線兩側(cè)紋理錯位，不完整等問題。因此要想實現(xiàn)影像鑲嵌的自動化，必須通過鑲嵌線的自動檢測使其成功繞過建筑物等目標(biāo)。
目前，鑲嵌線的自動選擇主要有兩類方法，第一類是基于左右影像構(gòu)建差異影像，然后在差異影像上搜索差異最小的聯(lián)通路徑。該類方法本質(zhì)上是像素級的，差異表達(dá)于單個像素，并沒有將存在幾何差異的地物作為整體表達(dá)，因此鑲嵌線難免會穿過建筑物等區(qū)域，并且算法十分復(fù)雜，效率低下；第二類是以DSM或是建筑物測圖數(shù)據(jù)等輔助鑲嵌線自動搜索繞過建筑物。但以上方法都沒有考慮到影像的投影變形向影像邊緣變大的特點。同時大多數(shù)方法只對相鄰影像間的鑲嵌線進(jìn)行了優(yōu)化選擇，并未給出整個測區(qū)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化選擇的方案。
基于序列影像的位置關(guān)系自動生成的Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)能夠很好的選擇每張影像上投影變形最小的部分作為有效鑲嵌區(qū)域，但是無法保證鑲嵌線繞過建筑物。而建筑物的測圖數(shù)據(jù)很容易在各級基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫中獲得，因此利用建筑物測圖數(shù)據(jù)和Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)有效結(jié)合，自動生成繞過建筑物區(qū)域的鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)對于解決鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)的智能選擇難的問題具有重大意義。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于建筑物房頂矢量的正射影像鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)自動選擇方法，該方法利用測區(qū)所有像底點自動生成初始鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)，再基于建筑物房頂矢量對鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化選擇，得到整個測區(qū)繞過建筑物成像區(qū)域的鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)，具有計算量小，準(zhǔn)確度高，效率更高等優(yōu)點，并能夠有效減少中心投影造成的影像邊緣投影變形大的影響。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
一種基于建筑物房頂矢量的正射影像鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)自動選擇方法，其關(guān)鍵在于按照以下步驟進(jìn)行：
步驟1：建筑物房頂矢量結(jié)合數(shù)字高程模型DEM自動生成建筑物簡易模型；
步驟2：利用建筑物簡易模型計算建筑物在單片DOM上的成像區(qū)域；
步驟3：利用測區(qū)所有影像像底點位置自動生成測區(qū)初始Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)，并對其進(jìn)行簡化處理后得到簡單鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)；
步驟4：利用步驟2得到的建筑物在單片DOM上的成像區(qū)域，對簡單鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點進(jìn)行優(yōu)化選擇，得到次優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)；
步驟5：利用步驟2得到的建筑物在單片DOM上的成像區(qū)域，對次優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)的所有鑲嵌線進(jìn)行優(yōu)化選擇，得到整個測區(qū)繞開建筑物成像區(qū)域的最優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)。
進(jìn)一步的描述是，步驟2中所述建筑物在單片DOM上的成像區(qū)域的計算步驟如下：
步驟2-1：將建筑物簡易模型的所有三角面片透射投影到原始影像上，求得原始影像三角面片；
步驟2-2：對原始影像三角面片求并集，得到該建筑物在原始影像上的成像區(qū)域；
步驟2-3：基于DEM迭代逼近求解，由原始影像上的成像區(qū)域得到建筑物在相應(yīng)單片DOM上的成像區(qū)域。
進(jìn)一步的描述是，步驟3中所述初始Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)的獲取步驟如下：
步驟3-1：將測區(qū)所有影像的像主點投影到地面，得到其對應(yīng)的像底點；
步驟3-2：以測區(qū)所有像底點為散點集，采用逐點內(nèi)插法進(jìn)行Delaunay三角剖分；
步驟3-3：根據(jù)三角剖分結(jié)果，生成初始Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)。
進(jìn)一步的描述是，步驟3中初始Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)的簡化處理步驟為：
步驟S1：計算初始Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)中某個Voronoi多邊形的最長四條邊的長度平均值；
步驟S2：獲取上述Voronoi多邊形中長度小于平均值四分之一的短邊；
步驟S3：以短邊兩個端點的幾何中點替代該短邊，獲得簡化處理后的Voronoi多邊形；
步驟S4：返回步驟S1中循環(huán)進(jìn)行，直至初始Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)中所有Voronoi多邊形處理完畢，得到簡化處理后的簡單鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)。
進(jìn)一步的描述是，步驟4中對簡單鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點的優(yōu)化選擇過程如下：
步驟4-1：確定網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點被有效區(qū)域多邊形共有的最大數(shù)目，并獲得相應(yīng)建筑物在這些單片DOM上總的成像區(qū)域范圍；
步驟4-2：判斷節(jié)點P是否歸兩張以上影像成像區(qū)域共有，如是進(jìn)行步驟4-3，否則進(jìn)行步驟4-8；
步驟4-3：以節(jié)點P為中心，搜索半徑為50m范圍內(nèi)的所有建筑物B1,B2,…,Bn；
步驟4-4：對于每個建筑物，計算其在每張DOM上的成像區(qū)域，并求并集作為該建筑物的整體成像區(qū)域S1,S2,…,Sn；
步驟4-5：對成像區(qū)域S1,S2,…,Sn進(jìn)行求交判斷，如果有交集則合并，同時記下Si與Bi的對應(yīng)關(guān)系，直到剩下成像區(qū)域S1,S2,…,Sm(m≤n)的任意兩者都不相交，其中i＝1～n；
步驟4-6：逐一判斷節(jié)點P是否在成像區(qū)域S1,S2,…,Sm(m≤n)內(nèi)部，如果在則記下該房屋的編號Bi，同時找到Bi對應(yīng)的合并后Si，如果都不在，則該節(jié)點P無需優(yōu)化進(jìn)入步驟4-8；
步驟4-7：求出包含成像區(qū)域Si的最小外包矩形，然后找出距離節(jié)點P距離最小的一個矩形端點Q作為節(jié)點P的優(yōu)化后位置，然后將簡單鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點P更新為點Q；
步驟4-8：判斷節(jié)點P是否為最后一個節(jié)點，如果是則優(yōu)化完畢，如果不是則進(jìn)行下一個節(jié)點的檢測更新，并返回步驟4-2循環(huán)進(jìn)行，直至所有節(jié)點都優(yōu)化完畢，得到所有節(jié)點都不在建筑物成像區(qū)域內(nèi)的次優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)。
進(jìn)一步的描述是，步驟5中對所述次優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)的所有鑲嵌線進(jìn)行優(yōu)化選擇步驟為：
步驟5-1：判斷次優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)中的鑲嵌線L是否為兩個影像有效多邊形共有，若是則進(jìn)入步驟5-2，若僅為一個多邊形擁有，則該鑲嵌線無需優(yōu)化，直接進(jìn)入步驟5-9；
步驟5-2：根據(jù)鑲嵌線L與影像的對應(yīng)關(guān)系找到該鑲嵌線兩側(cè)的影像序號Pici、Picj，并根據(jù)建筑物與影像間的對應(yīng)關(guān)系，將同時出現(xiàn)在該兩張影像上的建筑物挑選出來記為B1,B2,…,Bn；
步驟5-3：對于每個建筑物，計算其在Pici和Picj兩張正射影像上的成像區(qū)域，并求并集作為該建筑物的整體城像區(qū)域，記為S1,S2,…,Sn；
步驟5-4：判斷每個建筑物成像區(qū)域Si是否與鑲嵌線L相交，將相交的多邊形留下記為：S1,S2,…,Sm(m≤n)，若都不相交則該鑲嵌線不需要自動選擇，進(jìn)入步驟5-9；
步驟5-5：對S1,S2,…,Sm進(jìn)行兩兩求交判斷，如果有交集則合并，直到剩下S1,S2,…,Sl(l≤m)的任意兩者彼此之間不相交；
步驟5-6：將多邊形S1,S2,…,Sl(l≤m)按照距離鑲嵌線L起點LB的距離按照從小到大排序得到多邊形序列SS1,SS2,…,SSl(l≤m)；
步驟5-7：從第一個多邊形SS1起，求出鑲嵌線L與多邊形SSi(i≤l)的交點，其中第一個交點為INSf，最后一個交點為INSe，則鑲嵌線L從點INSf到INSe這段沿著多邊形SSi(i≤l)的輪廓彎折行進(jìn)，并選擇總距離最短的路徑代替原鑲嵌線L中從點INSf到INSe的部分，直到該條鑲嵌線L繞過所有的多邊形SSi(i≤l)；
步驟5-8：根據(jù)步驟5-7所獲得的鑲嵌線路徑，對鑲嵌線L進(jìn)行更新，得到更新后的鑲嵌線L'；
步驟5-9：返回步驟5-1循環(huán)進(jìn)行，直至所有鑲嵌線優(yōu)化完畢，得到整個測區(qū)自動繞過建筑物成像區(qū)域的最優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)。
本方法先基于建筑物房頂矢量生成建筑物簡易模型，并利用建筑物簡易模型得到其在原始影像及對應(yīng)DOM上的成像區(qū)域；然后利用測區(qū)所有影像像底點位置自動生成測區(qū)初始Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)，并簡化得到簡單鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)；在利用計算得到的建筑物在單片DOM上的成像區(qū)域，對簡單鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)所有的節(jié)點進(jìn)行優(yōu)化選擇；最后利用計算得到的建筑物在單片DOM上的成像區(qū)域，對次優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)的所有鑲嵌線進(jìn)行優(yōu)化選擇，快速得到整個測區(qū)繞開建筑物成像區(qū)域的最優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)，解決了測區(qū)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)無法自動繞過建筑物成像區(qū)域而造成紋理錯位以及現(xiàn)有鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)自動選擇方法效率低下的問題。
本發(fā)明的顯著效果是：
1、利用測區(qū)所有像底點自動生成初始鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)，再基于建筑物房頂矢量對鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化選擇，得到整個測區(qū)繞過建筑物成像區(qū)域的鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)，突破了傳統(tǒng)先進(jìn)行單張正射糾正，再利用正射糾正結(jié)果進(jìn)行鑲嵌線選擇的模式；
2、基于建筑物房頂矢量進(jìn)行鑲嵌線優(yōu)化選擇，較現(xiàn)有的大多方法(如蟻群算法，Dijkstra算法等)，本發(fā)明算法過程中只有點、線、多邊形的計算，具有計算量小、準(zhǔn)確度更高、效率更高等優(yōu)點，能夠快速得到整個測區(qū)繞過建筑物成像區(qū)域的鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)，解決了測區(qū)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)無法自動繞過建筑物成像區(qū)域造成紋理錯位以及現(xiàn)有方法自動選擇效率低的問題；
3、既繞過了建筑物成像區(qū)域，有效解決了鑲嵌線穿過建筑物造成了紋理錯誤等問題，也很好保留了Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，即鑲嵌后的DOM影像每個像素理論上投影變形最小，有效減少了中心投影造成的影像邊緣投影變形大的影響。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的方法流程圖；
圖2是建筑物房頂矢量結(jié)合DEM獲取簡易模型的示意圖；
圖3是建筑物房頂矢量及得到的簡易模型的示意圖；
圖4是獲取建筑物在單片DOM上的成像區(qū)域流程圖；
圖5是獲取建筑物在單片DOM上的成像區(qū)域的方法原理圖；
圖6是由原始影像上點坐標(biāo)基于DEM迭代求解其在對應(yīng)單片DOM上坐標(biāo)方法的原理圖；
圖7是測區(qū)初始Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)及細(xì)部的示意圖；
圖8是鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)簡化處理前后局部對比圖；
圖9是同一建筑物在不同單片DOM上成像總區(qū)域的示意圖；
圖10是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點優(yōu)化選擇前后與建筑物成像區(qū)域關(guān)系對比圖；
圖11是鑲嵌線優(yōu)化選擇的原理圖；
圖12是鑲嵌線優(yōu)化前后對比圖；
圖13是鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化選擇后得到的最優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)及細(xì)部示意圖；
圖14是鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后DOM鑲嵌結(jié)果局部對比圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式以及工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本實例中，采用的航空影像樣本為某城區(qū)4個航帶共32張分辨率為0.1m、航向重疊度約為60％、旁向重疊度約為45％、幅大小為8230*6168的航空影像。
如圖1所示，一種基于建筑物房頂矢量的正射影像鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)自動選擇方法，具體步驟如下：
步驟1：建筑物房頂矢量結(jié)合數(shù)字高程模型DEM自動生成建筑物簡易模型，具體為：
在攝影測量立體測圖階段，通過立體像對構(gòu)建立體模型然后進(jìn)行立體測圖來獲得的房頂矢量線，它們不僅具有二維的XY坐標(biāo)，同時也具有高程坐標(biāo)Z，是對房頂?shù)娜S描述。如果將房頂矢量多邊形垂直向下投影到測區(qū)DEM上，即可得到該房屋簡易的三維模型，如附圖2所示，ABCD為建筑物房頂矢量多邊形，將點A、B、C、D分別投影到DEM上分別得到點a、b、c、d，則ABCD-abcd即為該建筑物簡易的三維模型(Digital Building Model，簡稱DBM)。三維模型的存儲模型有很多種，如參數(shù)模型、CAD模型、CSG模型和多面體結(jié)構(gòu)模型。其中多面體結(jié)構(gòu)模型，是利用單個或多個連接的面片之間的拓?fù)潢P(guān)系來構(gòu)建整個屋頂?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)，然后再結(jié)合豎直墻面得到完整的建筑物三維模型。這些構(gòu)成建筑物的面片則通常以三角面片的形式構(gòu)成三角網(wǎng)來表示整個建筑物，因此，本發(fā)明中將得到的建筑物的簡易三維模型以多面體結(jié)構(gòu)模型的方式來存儲。
步驟2：利用建筑物簡易模型計算建筑物在單片DOM上的成像區(qū)域；
由于正射糾正所用到的DEM模型不包括建筑物信息，因此經(jīng)過糾正之后的影像上依舊存在建筑物位置傾斜，建筑物墻面可見等現(xiàn)象。DBM是由三角面片構(gòu)成的閉合幾何結(jié)構(gòu)，根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系不變性原理，相連接的三角形投影之后依然連接，因此將整個DBM的所有三角面片投影到任意平面，然后求并集，得到的都是一個完整、封閉、無洞的多邊形。因此為準(zhǔn)確得到建筑物在DOM上的成像區(qū)域，本例中提出了一種由DBM和DEM相結(jié)合來獲取建筑物在正射影像上成像區(qū)域矢量多邊形的方法。該方法首先將DBM投影到原始影像，得到建筑物在原始影像上的成像區(qū)域多邊形S，然后基于DEM迭代求解算法將多邊形S映射到正射影像上，即可得到該建筑物在相應(yīng)單片DOM上的成像區(qū)域多邊形S’,其流程如附圖4所示。
參見附圖4，建筑物在單片DOM上成像區(qū)域的獲取步驟如下：
首先進(jìn)入步驟2-1：將建筑物簡易模型的所有三角面片透射投影到原始影像上，求得其在原始影像上的所有三角面片；
步驟2-2：對原始影像上所有三角面片求并集，得到該建筑物在原始影像上的成像區(qū)域，具體原理如圖5，點O是攝影中心，長方體ABCD-abcd假設(shè)為簡易建筑物模型，將其所有的三角面片按照公式(1)投影到原始影像上，然后求并集即可得到該建筑物在原始影像上成像多邊形A'B'C'cba(多邊形端點為像方坐標(biāo)表示)。
式中：(X,Y,Z)為點的物方坐標(biāo)，(x,y)為點在像平面坐標(biāo)系中像方坐標(biāo)，(XS,YS,ZS)是攝影中心的物方坐標(biāo)，f為相機焦距，a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3為攝影測量旋轉(zhuǎn)矩陣的9個旋轉(zhuǎn)參數(shù)。
步驟2-3：基于DEM迭代逼近求解，由原始影像上的成像區(qū)域得到建筑物在單片DOM上的成像區(qū)域。
如附圖5所示，將原始影像上多邊形A'B'C'cba每個角點，按照公式(2)并基于DEM迭代逼近求解得到該多邊形在正射影像上對應(yīng)區(qū)域，即該建筑物在DOM上成像區(qū)域多邊形A”B”C”D”c”b”a”(該多邊形端點由物方坐標(biāo)表示)。
式中：(X,Y,Z)為點的物方坐標(biāo)，(x,y)為點的像平面坐標(biāo)系中像方坐標(biāo)，(XS,YS,ZS)是攝影中心的物方坐標(biāo)，f為相機焦距，a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3為攝影測量旋轉(zhuǎn)矩陣的9個旋轉(zhuǎn)參數(shù)。
在由像方多邊形A'B'C'cba求解DOM上物方多邊形A”B”C”D”c”b”a”時，是二維坐標(biāo)求解三維坐標(biāo)的病態(tài)過程，需要進(jìn)行基于DEM的迭代運算。如附圖6所示，點O是攝影中心，地面點M與房角點B的像點重合于點m，現(xiàn)由像點坐標(biāo)m求解地面點M的坐標(biāo)。首先，將測區(qū)最低高程Zmin作為初始高程，代入公式(2)中可得到點M0的坐標(biāo)；其次，根據(jù)M0的坐標(biāo)在DEM上內(nèi)插高程點T1(坐標(biāo)與M0一樣)，然后將T1的高程值代入公式(2)中，得到M1的坐標(biāo)；然后根據(jù)M1的坐標(biāo)重新在DEM上內(nèi)插高程點T2(坐標(biāo)與M1一樣)，再代入公式(2)得到點M2。迭代循環(huán)，直到當(dāng)前在DEM內(nèi)插的高程值與上一次內(nèi)插高程值的差值滿足限定條件，則當(dāng)前計算得到的點Mn即為所要求解的點M。
進(jìn)入步驟3：利用測區(qū)所有影像像底點位置自動生成測區(qū)初始Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)，并對其進(jìn)行簡化處理后得到相對簡單的鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)；
其中，初始Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)獲取步驟為：
步驟3-1：將測區(qū)所有影像的像主點按公式(2)投影到地面，得到其對應(yīng)的像底點；
步驟3-2：以測區(qū)所有像底點為散點集，采用逐點內(nèi)插法進(jìn)行Delaunay三角剖分；
步驟3-3：根據(jù)三角剖分結(jié)果，每張影像對應(yīng)的泰森多邊形則稱為影像有效區(qū)域多邊形；同時得到每條鑲嵌線與兩側(cè)影像之間的拓?fù)潢P(guān)系，即為本測區(qū)的初始Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)，如附圖7所示。
在實際操作過程中，由于傳統(tǒng)Voronoi圖是對離散點集的“勢力范圍”的劃分，是純粹基于幾何位置關(guān)系生成的，生成的初始Voronoi圖網(wǎng)絡(luò)中會出現(xiàn)很短的邊。如附圖8(a)所示，這些邊的兩端點如果全部落在建筑物成像的區(qū)域內(nèi)則加大了對鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的難度。而對于航帶規(guī)則、重疊度合理的序列航空影像生成的Voronoi圖，這些短邊會規(guī)律地出現(xiàn)于中心影像與非四周影像(此處指上下左右四個影像)的邊界處。因此可以刪除這些短邊對初始Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一定的簡化，既可以很大程度地保證Voronoi圖的特性又可以簡化鑲嵌線后續(xù)的優(yōu)化難度。
因此，本實施例中，將得到的初始Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)按照以下步驟進(jìn)行簡化處理：
步驟S1：計算初始Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)中某個Voronoi多邊形的最長四條邊的長度平均值；
步驟S2：獲取上述Voronoi多邊形中長度小于平均值四分之一的短邊；
步驟S3：以短邊兩個端點的幾何中點替代該短邊，獲得簡化處理后的Voronoi多邊形；
步驟S4：返回步驟S1中循環(huán)進(jìn)行，直至初始Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)中所有Voronoi多邊形處理完畢，得到簡化處理后的簡單鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)。
簡化后的Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)如圖附圖8(b)所示。從圖中可以看出對短邊的簡化操作，并沒有對測區(qū)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)的布局和特點有很大改變，每幅影像對應(yīng)的有效多邊形也基本一致；經(jīng)過簡化每幅影像對應(yīng)的有效多邊形都變?yōu)榱怂倪呅危吘壒?jié)點外每個節(jié)點最多歸四個有效多邊形共有，每條鑲嵌線最多歸兩個有效多邊形共有。
進(jìn)入步驟4：利用步驟2得到的建筑物在單片DOM上的成像區(qū)域，對簡單鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點進(jìn)行優(yōu)化選擇，得到次優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)；
步驟4-1：獲取一棟建筑物在物方的成像總區(qū)域，確定被共有節(jié)點的影像成像區(qū)域的最大數(shù)目；
由于攝影中心不同，一棟建筑物在每張正射影像的成像區(qū)域也不相同，如附圖9所示，O1,O2是相鄰兩張影像的攝影中心，棱柱體ABCD-abcd假設(shè)為建筑物，則該建筑物在正射影像O1上成像區(qū)域為多邊形A'B'C'cba，而在正射影像O2上成像區(qū)域為多邊形B”C”D”dab。則該建筑物的成像總區(qū)域為多邊形A'B'EB”C”D”da。由步驟3-2可知，每個節(jié)點最多歸4張影像的有效多邊形共有，即所述被共有節(jié)點的影像成像區(qū)域的最大數(shù)目為4張。
因此要保證節(jié)點不在四張影像中任一張影像上建筑物的成像區(qū)域內(nèi)，就需要保證節(jié)點不在該四張正射影像上成像區(qū)域的并集多邊形內(nèi)。
步驟4-2：判斷節(jié)點P是否歸兩張以上影像成像區(qū)域共有，如是進(jìn)行步驟4-3，否則進(jìn)行步驟4-8；
步驟4-3：以節(jié)點P為中心，搜索半徑為50m范圍內(nèi)的所有建筑物B1,B2,…,Bn；
步驟4-4：對于每個建筑物，計算其在每張DOM上的成像區(qū)域，并求并集作為該建筑物的整體成像區(qū)域S1,S2,…,Sn；
步驟4-5：對成像區(qū)域S1,S2,…,Sn進(jìn)行求交判斷，如果有交集則合并，同時記下Si與Bi的對應(yīng)關(guān)系，直到剩下成像區(qū)域S1,S2,…,Sm(m≤n)的任意兩者都不相交，其中i＝1～n；
步驟4-6：逐一判斷節(jié)點P是否在成像區(qū)域S1,S2,…,Sm(m≤n)內(nèi)部，如果在則記下該房屋的編號Bi，同時找到Bi對應(yīng)的合并后Si，如果都不在，則該節(jié)點P無需優(yōu)化進(jìn)入步驟4-8；
步驟4-7：求出包含成像區(qū)域Si的最小外包矩形，然后找出距離節(jié)點P距離最小的一個矩形端點Q作為節(jié)點P的優(yōu)化后位置，然后將簡單鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點P更新為點Q；
步驟4-8：判斷節(jié)點P是否為最后一個節(jié)點，如果是則優(yōu)化完畢，如果不是則進(jìn)行下一個節(jié)點的檢測更新，并返回步驟4-2循環(huán)進(jìn)行，直至所有節(jié)點都優(yōu)化完畢，得到所有節(jié)點都不在建筑物成像區(qū)域內(nèi)的次優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)。
經(jīng)過上述步驟后，即可得到所有節(jié)點都不在建筑物成像區(qū)域內(nèi)的次優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點優(yōu)化前后與建筑物成像區(qū)域的位置關(guān)系如附圖10所示。
步驟4中已將鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)中落在建筑物成像區(qū)域內(nèi)的節(jié)點全部移出了建筑物成像多邊形外，保證了每條鑲嵌線的端點均在建筑物成像區(qū)域以外。然而，每條鑲嵌線由兩個影像有效多邊形共有，因此對于鑲嵌線自動繞過建筑物的優(yōu)化，需要同時考慮兩張影像共有的建筑物的成像情況以及最優(yōu)化路徑選取。
進(jìn)入步驟5：利用步驟2得到的建筑物在單片DOM上的成像區(qū)域，對次優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)的所有鑲嵌線進(jìn)行優(yōu)化選擇，得到整個測區(qū)繞開建筑物成像區(qū)域的最優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)。
步驟5-1：判斷次優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)中的鑲嵌線L是否為兩個影像有效多邊形共有，若是則進(jìn)入步驟5-2，若僅為一個多邊形擁有，則該鑲嵌線無需優(yōu)化，直接進(jìn)入步驟5-9；
步驟5-2：根據(jù)鑲嵌線L與影像的對應(yīng)關(guān)系找到該鑲嵌線兩側(cè)的影像序號Pici、Picj，并根據(jù)建筑物與影像間的對應(yīng)關(guān)系，將同時出現(xiàn)在該兩張影像上的建筑物挑選出來記為B1,B2,…,Bn；
步驟5-3：對于每個建筑物，計算其在Pici和Picj兩張正射影像上的成像區(qū)域，并求并集作為該建筑物的整體城像區(qū)域，記為S1,S2,…,Sn；
步驟5-4：判斷每個建筑物成像區(qū)域Si是否與鑲嵌線L相交，將相交的多邊形留下記為：S1,S2,…,Sm(m≤n)，若都不相交則該鑲嵌線不需要自動選擇，進(jìn)入步驟5-9；
步驟5-5：對S1,S2,…,Sm進(jìn)行兩兩求交判斷，如果有交集則合并，直到剩下S1,S2,…,Sl(l≤m)的任意兩者彼此之間不相交；
步驟5-6：將多邊形S1,S2,…,Sl(l≤m)按照距離鑲嵌線L起點LB的距離按照從小到大排序得到多邊形序列SS1,SS2,…,SSl(l≤m)；
步驟5-7：從第一個多邊形SS1起，求出鑲嵌線L與多邊形SSi(i≤l)的交點，其中第一個交點為INSf，最后一個交點為INSe，則鑲嵌線L從點INSf到INSe這段沿著多邊形SSi(i≤l)的輪廓彎折行進(jìn)，并選擇總距離最短的路徑代替原鑲嵌線L中從點INSf到INSe的部分，直到該條鑲嵌線L繞過所有的多邊形SSi(i≤l)；
步驟5-7的具體過程如附圖11所示，多邊形ABLBLE為一張影像的有效區(qū)域多邊形，其中LB和LE分別為鑲嵌線L的起點和終點，Si和Sj為兩個建筑物的成像區(qū)域多邊形，點INSfi和點INSei分別為鑲嵌線L與多邊形Si的第一個交點和最后一個交點，點INSfj和點INSej分別為鑲嵌線L與多邊形Sj的第一個交點和最后一個交點。那么在鑲嵌線L選擇繞過多邊形Si時有兩條路線可供選擇，第一條為左邊路線即折線LB-INSfi-Pi0-Pi7-INSei，第二條為右邊路線即折線LB-INSfi-Pi1-…-Pi6-INSei，此時選擇路徑最短的折線來繞過多邊形Si，因此選擇左邊路徑。同理，在鑲嵌線L選擇繞過多邊形Sj時，則選擇右邊路線即折線INSfj-Pj1-…-Pj6-INSej。如果鑲嵌線L只穿過了Si和Sj，那么鑲嵌線L最終的優(yōu)化結(jié)果即為折線LB-INSfi-Pi0-Pi7-INSei-INSfj-Pj1-…-Pj6-INSej-LE，如圖11中粗線所示。
附圖12則給出了單條鑲嵌線優(yōu)化前后的對比圖，從圖12(a)可以看出優(yōu)化前該條鑲嵌線穿過了7棟建筑物，對比圖12(b)可知經(jīng)過上述優(yōu)化后該條鑲嵌線成功繞過了這些建筑物的成像區(qū)域，并且選擇了最優(yōu)的繞過路徑。
步驟5-8：根據(jù)步驟5-7所獲得的鑲嵌線路徑，對鑲嵌線L進(jìn)行更新，得到更新后的鑲嵌線L'；
步驟5-9：返回步驟5-1循環(huán)進(jìn)行，直至所有鑲嵌線優(yōu)化完畢，得到整個測區(qū)自動繞過建筑物成像區(qū)域的最優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)，所述最優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)如圖13所示。
圖14則給出了利用本方法自動選擇鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)前后DOM鑲嵌結(jié)果局部的對比圖，圖(a)為鑲嵌線未繞過建筑物成像區(qū)域，鑲嵌后鑲嵌線兩側(cè)出現(xiàn)紋理錯位，圖(b)是經(jīng)過本方法自動選擇鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)后DOM鑲嵌效果，可以看出鑲嵌線自動繞過了建筑物成像區(qū)域，有效解決了紋理錯位等問題。
本方法先基于建筑物房頂矢量生成建筑物簡易模型，并利用建筑物簡易模型得到其在原始影像及對應(yīng)DOM上的成像區(qū)域；然后利用測區(qū)所有影像像底點位置自動生成測區(qū)Voronoi圖鑲嵌線網(wǎng)路，并簡化得到簡單鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)；再利用計算得到的建筑物在單片DOM上的成像區(qū)域，對簡單鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)所有的節(jié)點進(jìn)行優(yōu)化選擇；最后利用計算得到的建筑物在單片DOM上的成像區(qū)域，對次優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)的所有鑲嵌線進(jìn)行優(yōu)化選擇，快速得到整個測區(qū)繞開建筑物成像區(qū)域的最優(yōu)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)。
本方案突破了傳統(tǒng)先進(jìn)行單張正射糾正，再利用正射糾正結(jié)果進(jìn)行鑲嵌線選擇的模式，較現(xiàn)有的大多方法(如蟻群算法，Dijkstra算法等)，過程中只有點、矢量、多邊形的計算，具有計算量小、準(zhǔn)確度高、效率更高等優(yōu)點，解決了測區(qū)鑲嵌線網(wǎng)絡(luò)無法繞過建筑物成像區(qū)域造成紋理錯位以及現(xiàn)有方法自動生成效率低的問題。
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