一种无控制DEM配准方法技术

在一些地形条件极其复杂的地区，由于观测受到限制，很难在图上选取同名控制点进行配准。在无控制高程配准中，最近邻点迭代算法迭代收敛速度很快，但是由于计算距离比较复杂，整体计算效率不高，且对于存在尺度变换的数据无法正确匹配；最小高程差算法迭代收敛速度较慢，但是计算量小，计算效率很高。针对两种经典无控制配准算法存在的问题，结合最近邻点迭代算法和最小高程差算法的优点，提出一种无控制DEM配准方法，该方法成功避免了最小高程差算法由于初始值的选择而导致的收敛速度慢的问题，提高了无控制高程的收敛速度和配准精度。

【技术实现步骤摘要】
一种无控制DEM配准方法
本专利技术涉及数字高程模型(DEM)的生产和制作技术。。
技术介绍
高精度的数字高程模型(也称数字地形模型DTM)对基础设施建设、资源勘查、地质灾害监测、军事精确制导等具有极其重要的意义。DEM测绘是国家测绘工作的重要组成部分。国家大范围DEM测绘传统主要采用遥感或者航测手段获取，现代测绘也可使用合成孔径雷达技术(SAR)或激光扫描技术(LiDAR)。不论什么技术，往往需要对不同观测生产的数字高程模型利用地面控制点和外部方向参数进行配准。但是在高山区和分辨率较低的地图上，很难获取准确的地面控制点，采用传统的方法进行地形测图存在较大的困难。此外，传统七参数求解方法对于低分辨率数据很难选取精确的特征点，目前，最初的外部参数(包括位置和姿态参数)的获取，主要是将生成的DEM与该地区已有的基准DEM进行无控制配准来获取，此外，DEM无控制配准不仅可以确定两组数据之间的绝对定向参数，也能探测到表面一定程度的变形量。DEM配准最早是由Ebner和Mueller提出的，其主要目的是用于立体模型的绝对定向。针对无控制DEM配准问题，Rosenholm和Torlegard提出的最小高程差(LZD)算法，是为了寻找一种代替传统的使用控制点进行绝对定向的方法，且获得了比传统的使用控制点方法更高的配准精度；Zhang等人基于LZD算法结合差分模型，通过对不同点进行自适应加权，实现了DEM表面变形量的自动探测；Karras在LZD算法的基础上，引入数据探测技术，能够探测到一定程度的变形。但是，利用LZD算法进行匹配时，很难选取合适的初始转换参数(包括尺度系数、平移参数和旋转参数)，这会对算法的收敛速度和计算效率产生很大的影响。最近邻点迭代算法(ICP)是由Besl等提出来的，该算法通过两个点集任意对应点间的距离平方和最小为原则来求解转换参数(3个旋转参数和3个平移参数)，使得两个表面的姿态更加接近。但该算法只适用于存在明确对应关系的点集之间的定位；此外，该算法也需要消耗大量的计算时间，为此许多学者都提出了改进方法，方邵江等人提出了使用加权最小二乘进行配准；袁建英等人提出改进的ICP算法，实现了重合区域的快速自动定位，实现了不同视下点云的快速精确配准。随着航空摄影测量和合成孔径雷达的发展，获取了不同地形条件下大量的DEM数据，ICP算法采用搜索距离最小的点作为对应点对，其计算距离比较复杂，这使得算法迭代收敛速度很快，几次迭代计算就可以很好的接近真值，但是整体计算效率很低；而LZD算法由于建立对应关系的准则较简单，计算量小，整体计算效率较高，但是对于姿态差异较大的模型迭代次数较多，收敛速度较慢。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种配准进度高并且收敛速度快的一种无控制DEM配准方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种无控制DEM配准方法，其特征在于：包括以下步骤，1)用ICP算法进行初始配准，获取初始转换参数，并将此转换参数作为初始值；2)采用LZD算法进行精确配准；①将步骤1)得到的六个转换参数作为LZD配准的初始转换信息；基准模型与待配准模型之间对应的数学转换关系如下：其中，(XR,YR,ZR)是参考DEM的坐标，(XT,YY,ZT)是对参考数据修改后待配准DEM的坐标；ΔX,ΔY,ΔZ,S,R分别为两个DEM之间的平移参数、比例缩放系数和旋转参数矩阵；利用ICP算法求解参考DEM和经处理后的待配准DEM之间的变换参数，并通过式(3)对待配准DEM进行坐标变换。其中，(XR1,YR1,ZR1)是经过ICP算法配准后，与基准DEM接近的第一组近似坐标；(X1,Y1,Z1)是修改后的变形模型DEM的坐标；ΔX1，ΔY1，ΔZ1和R1分别表示基准DEM与处理后的待配准DEM经ICP算法配准所得到的平移和旋转矩阵参数；将经过ICP算法所得到的6个转换参数作为LZD配准的初始参数，再采用LZD算法进行精确配准运算，并通过式(4)进行两模型间的转换；其中，(XR2,YR2,ZR2)是经过LZD算法配准后，与参考DEM对应的第二组近似坐标；ΔX2,ΔY2,ΔZ2,S和R2分别表示参考DEM与经过ICP算法配准后的近似模型之间的平移参数、尺度系数和旋转矩阵。将式(3)所得到的6个转换参数(尺度因子除外)作为LZD配准的初始值，然后，通过式(4)迭代求解参考DEM和待配准DEM之间的7个精确转换参数；因此，将式(3)、式(4)整理到一起可以得到最终的无控制配准表达式如下：3)采用高程差分估计模型，在迭代过程中对不同精度的高程点进行自适应加权处理，消除或削弱了由于地表形变所引起的配准误差，从而保证了算法的精度；具体步骤如下：①在两组DEM数据中搜索同名特征点，并计算其高差，获取两个模型之间的差分模型，在没有变形区域，dz主要是由旋转、平移和缩放造成的，根据刚体转换模型，这种差异呈现强烈的系统性；而在变形区域，dz除了由表面姿态参数带来的影响外，主要是受表面变形的影响；假设两模型间任意对应点的高程差为(dZi)，其周围8个对应点间的高差均值为②将两模型间任一非边缘点的高差dZi与其8个相邻的高差均值dZm做差，得到(ΔdZ＝dZi-dZm)，显然，每一个高程值Zi与ΔdZ是一一对应的，根据新的统计量ΔdZ对每一个观测值赋予不同的权值，以消除或削弱由于地表变形引起的匹配误差；规则如下：根据式(6)，每个观测值被赋予一个权0或1。只有权为1的观测值参与匹配，其余观测值在匹配过程中被剔除。通过上述方法进行确权，还存在很多孤立观测量，即其本身的权值为1，而其相邻的的8个观测量的权为0，这是由于观测量中的含有的表面变形被随机误差掩盖，用传统的最小二乘很难发现，但是可以很容易通过观测值之间的相互关系发现。通过对式(6)中的权值进行适当调整，将孤立观测点剔除，以提高最终的配准精度。上述的无控制DEM配准方法，所述步骤1)包括以下步骤：①计算基准DEM和待配准DEM之间中任意对应点之间的距离Di，其中，(Xi1,Yi1,Zi1)为基准DEM中任意点的三维坐标，(Xi2,Yi2,Zi2)为待配准模型DEM中对应点的三维坐标；②在基准DEM中搜索与待配准模型DEM的最近邻点集，然后构造协方差矩阵；③根据步骤②中的协方差矩阵构造4×4的矩阵Q，然后根据矩阵Q的最大特征值对应的特征向量计算旋转矩阵参数R，进而求得平移参数T；④利用所求的旋转矩阵参数和平移参数对待配准DEM进行更新，重复步骤2-4，直到迭代误差小于预设值或迭代次数大于预设的最大迭代次数为止。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术提出一种融合ICP与LZD的无控制DEM配准方法，并在传统最小二乘估计的基础上引入差分模型求抗差解，最后通过模拟实验和实测数据对改进算法进行验证，实验结果表明，改进后的算法不仅克服了传统ICP算法的局限性，也解决了LZD匹配算法由于初值选择问题所导致的收敛效率低的问题，提高了无控制DEM配准的收敛速度和配准精度。附图说明图1为本专利技术对地图进行处理的无控制DEM匹配方法的具体流程。图2为张家界地区30m分辨率的SRTMDEM基准数据。图3为实施例1中按表1转换参数所得到的具有变形的待配准模型配准前的分布图。图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无控制DEM配准方法，其特征在于：包括以下步骤，1)用ICP算法进行初始配准，获取初始转换参数，并将此转换参数作为初始值；2)采用LZD算法进行精确配准；①将步骤1)得到的六个转换参数作为LZD配准的初始转换信息；基准模型与待配准模型之间对应的数学转换关系如下：

【技术特征摘要】
1.一种无控制DEM配准方法，其特征在于：包括以下步骤，1)用ICP算法进行初始配准，获取初始转换参数，并将此转换参数作为初始值；2)采用LZD算法进行精确配准；①将步骤1)得到的六个转换参数作为LZD配准的初始转换信息；基准模型与待配准模型之间对应的数学转换关系如下：其中，(XR,YR,ZR)是参考DEM的坐标，(XT,YY,ZT)是对参考数据修改后待配准DEM的坐标；ΔX,ΔY,ΔZ,S,R分别为两个DEM之间的平移参数、比例缩放系数和旋转参数矩阵；利用ICP算法求解参考DEM和经处理后的待配准DEM之间的变换参数，并通过式(3)对待配准DEM进行坐标变换。其中，(XR1,YR1,ZR1)是经过ICP算法配准后，与基准DEM接近的第一组近似坐标；(X1,Y1,Z1)是修改后的变形模型DEM的坐标；ΔX1，ΔY1，ΔZ1和R1分别表示基准DEM与处理后的待配准DEM经ICP算法配准所得到的平移和旋转矩阵参数；将经过ICP算法所得到的6个转换参数作为LZD配准的初始参数，再采用LZD算法进行精确配准运算，并通过式(4)进行两模型间的转换；其中，(XR2,YR2,ZR2)是经过LZD算法配准后，与参考DEM对应的第二组近似坐标；ΔX2,ΔY2,ΔZ2,S和R2分别表示参考DEM与经过ICP算法配准后的近似模型之间的平移参数、尺度系数和旋转矩阵。将式(3)所得到的6个转换参数作为LZD配准的初始值，然后，通过式(4)迭代求解参考DEM...

【专利技术属性】
技术研发人员：周璀，刘志卫，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43