[发明专利]基于块的影像匹配数字表面模型的全局高程优化方法

摘要

本发明涉及基于块的影像匹配数字表面模型的全局高程优化方法，步骤为：1、输入原始的IMDSM；2、将输入的原始IMDSM分割成一系列规则的块；3、构建全局能量函数中的数据项；4、构建全局能量函数中的平滑项；5、根据数据项和平滑项，建立全局能量函数，并解算函数；6、执行羽化算法，消除块之间的拼接缝；本发明能够有效消除目前IMDSM中普遍存在的“高程阶梯”问题，优化后的IMDSM表面连续光滑，三维可视效果好。本发明将IMDSM的优化问题转化为矩阵函数的极值计算问题，无需迭代，可直接计算全局最优解，时间复杂度低，适合大范围DSM的全局优化。

主权项

1.一种基于块的影像匹配数字表面模型的全局高程优化方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：将原始影像匹配数字表面模型输入到计算机中；步骤2：计算机采用SLIC超像素分割的方法，将输入的原始影像匹配数字表面模型分割成一系列规则的块，用S_i表示第i个块；步骤3：构建全局能量函数中的数据项，用E_data表示数据项，保证优化后的影像匹配数字表面模型的高程，与原始影像匹配数字表面模型的高程保持一致；每个所述块都用一个高程平面方程来描述，即：d(t_i)＝a_i·t_ix+b_i·t_iy+c_i；t_i∈S_i其中，a_i、b_i、c_i表示块S_i的高程平面方程参数；t_i＝(t_ix，t_iy)^T表示块S_i内的一个三维点的平面坐标；d表示三维点的高程坐标；令表示块S_i所在平面的高程平面方程系数，表示优化影像匹配数字表面模型的全局能量函数的变量，q表示块的数目，i∈1，...q，将数据项E_data表示为矩阵计算的形式，即：式中，G_data表示数据项E_data的二次项系数矩阵；H_data表示数据项E_data的一次项的系数矩阵，E_data为优化影像匹配数字表面模型的全局能量函数的数据项；l_data表示数据项E_data的常数项，T为转置符号，上述系数矩阵和常数项具体表达为：G_data＝Diag(g_i)；其中，g_i、h_i和l_i分别表示G_data、H_data和l_data中的块矩阵；t_ix、t_iy表示块S_i内每个点的平面坐标；|S_i|表示块S_i内三维点的数目；Diag表示对角线矩阵，t_i表示原始影像匹配数字表面模型上块S_i内的一个点，d₀(t_i)表示点t_i在原始影像匹配数字表面模型上的高程；步骤4：构建优化影像匹配数字表面模型的全局能量函数中的平滑项，用E_smooth表示优化影像匹配数字表面模型的全局能量函数的平滑项，保证优化后的三维点云表面分片光滑连续；同样令表示优化影像匹配数字表面模型的全局能量函数的变量，将平滑项E_smooth表示为矩阵计算的形式：式中，G_s表示平滑项的二次项系数矩阵，G_s可以表达为：其中，q表示块的数目；S_j表示S_i的邻接块；N(S_i)表示块S_i的相邻块集合；E(S_i，S_j)表示块S_i内，与块S_j相邻接的像素，c_i＝(c_ix，c_iy)^T表示块S_i的重心；P(i，j)表示根据块S_i与块S_j的邻接关系计算出来的惩罚系数，t表示原始影像匹配数字表面模型上的一个点，该点位于集合E(S_i，S_j)内；g_sr(i，j，t)表示块S_i与块S_j之间的相关矩阵；其中，σ₁表示分块矩阵；0_3×3表示3×3的零矩阵；步骤5：根据数据项和平滑项，构建优化影像匹配数字表面模型的全局能量函数，其中，优化影像匹配数字表面模型的全局能量函数的极值解，即为影像匹配数字表面模型的全局优化结果；定义D表示影像匹配数字表面模型，E(D)表示优化影像匹配数字表面模型的全局能量函数，那么，将优化影像匹配数字表面模型的全局能量函数定义为：其中，E_data表示优化影像匹配数字表面模型的全局能量函数的数据项；E_smooth表示优化影像匹配数字表面模型的全局能量函数的平滑项，平滑项E_smooth保证优化后的三维点云表面分片光滑连续；求公式的最小值，等价于求采用Cholesky矩阵分解方法直接计算获得全局最优的影像匹配数字表面模型；步骤6：采用羽化算法，修正全局最优的影像匹配数字表面模型中块与块之间交界处的高程，消除全局最优的影像匹配数字表面模型中块与块之间的拼接缝，使得全局最优的影像匹配数字表面模型中块与块之间平滑过渡，获得平滑的影像匹配数字表面模型。