● 摘要
在遥感与测绘领域，基于航拍序列图像的三维信息获取和立体模型构建具有广泛的应用前景，其研究成果在飞行器导航、城市规划、地图创建、地物识别、虚拟现实以及军事等领域被广泛应用。然而传统的航空序列图像三维重建技术存在设备复杂、成本高昂、数据采集效率低、外业工作量大等问题。近年来，随着数字成像技术、数字摄影测量与计算机视觉、三维可视化等技术的发展，通过无人飞行器低空遥感平台搭载普通数码相机获取航拍序列图像并进行地面三维重建的相关应用，逐渐得到国内外研究人员重视。由无人飞行器和普通单反数码相机构成的低空遥感平台，具有设备简单、价格便宜、操作简易等优点，可以简化传统方法的繁琐过程；同时，数字图像处理相关技术的应用，可以使系统依赖较少地面控制信息以减轻外业工作量。本文主要研究了通过无人飞行器搭载普通数码相机获取区域航拍序列图像进行三维重建的相关理论与算法，较好地解决了无人飞行器航拍序列图像特征提取与匹配、摄影重建、密集匹配等问题，实现了经济实用的航拍序列图像三维重建系统，在保证一定精度的基础上，有效减少了外业工作量，提高了作业效率。本文在“国家科技支撑计划（2012BAH31B01）”和“国家自然科学基金（40601081、41071255）”资助下，根据数字摄影测量等相关原理，建立了基于无人飞行器序列航拍图像的地面三维重建系统，解决了缺少地面控制信息情况下利用普通单反数码相机进行地面三维重建的难点及关键技术。本文主要研究成果有以下几点： (1) 引入了尺度不变特征变换SIFT算法对航拍序列图像进行特征点检测和匹配，在尺度空间下获取较多稳定匹配点，针对SIFT算法时间复杂度高的缺点，根据航摄图像成像要求，提出了基于SIFT特征的自适应搜索区域特征匹配简化算法，有效提高了特征提取与匹配的效率。(2) 提出了距离阈值法、比值提纯法和随机抽样一致性RANSAC算法相结合的特征误匹配剔除方法，有效消除了错误匹配对基础矩阵计算精度及其稳定性的影响，改进了匹配鲁棒性与准确性。(3) 研究了Harris角点提取算法与平面模板相结合的数码相机参数快速检定方法，利用Harris算法定位平面棋盘格模板序列图像的角点，根据平面模板检定算法解算普通数码相机内部参数。(4) 研究了基于摄影测量理论对两幅图像三维重建的基本原理，通过求解图像外方位参数获取重建点三维信息；针对控制信息缺少的情况，提出了一种立体模型连接策略，将航带法与独立模型法相结合以建立航带立体模型，同时利用GPS数据及模型公共点估计相邻立体模型间的比例、旋转及平移的空间相似变换矩阵，将摄影重建从双像范围拓展至单条航带及多条航带区域。(5) 提出了SIFT特征、区域生长算法和摄影重建理论相结合的区域密集重建算法，将SIFT匹配结果作为种子点，通过区域生长算法对立体图像进行密集匹配，根据摄影重建相关原理进行场景密集重建，得到了较好的可视效果。