第4期
2021年4月Journal of CAEIT Vol. 16 No. 4 Apr. 2021
I 工程应用doi：10.3969/j.issn. 1673-5692.2021.04.011
基于卫星影像立体像对数据的三维重建技术研究侯位昭ll5，张欣海2’3，吴士珂4，石喜阳4，李嘉榆4，宋凯磊“5 (1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;
2.中国电子科技集团公司电子科学研究院，北京100041;
装配3.社会安全风险感知与防控大数据应用国家工程实验室，北京100041;
4.泰瑞数创科技（北京）有限公司，北京100192;
5•河北远东通信系统工程有限公司，河北石家庄050200)
摘要：随着遥感卫星航摄技术快速发展，我们可以快速获取指定区域的高分辨率倾斜卫星影像。
但高分辨率的卫星影像目前仅停留在构建正射影像的层面上，没有专业技术用于卫星影像进行大 场景的三维构建，利用卫星影像构建的三维模型精度也不能满足一定的测图要求。文中分别采用 地域不同、侧倾角不同Worldview和worldview-3两组影像进行研究。针对卫星影像建模关键技术：基于卫星轨道的RPC矫正和空中三角测量分布式策略等进行了研究，并对无控建模精度进行验 证，对提取模型的效率和模型相对精度进行验证分析，可以达到几百平方公里模型在一天内快速完 成构建的效率，精度可以满足1:2000测图精度要求。 关键词：立体像对；卫星影像；三维点云；白模
中图分类号：P236;TN967_ 1文献标志码：A文章编号：丨673-5692(2021 )04-369幻5 3D Reconstruction Study Based On Stereo Satellite Image Pair
H O U W e i-z h a o1，5,Z H A N G X in-h a i2.3,W U S h i-k e4,S H I X i-y a n g4,LI J ia-y u4,S O N G K a i-l e i1.5*
(1. The 54'11Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang, 050081 ,China；
2. China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041 ,China；
3. National Engineering Laboratory for Public Safety Risk Perception and Control by Big Data, Beijing 100041 ,C hina；
4. Terui Digital Technology (Beijing) Co. , Ltd, Beijing, 100192,China；
5. Hebei Far East Communication System Engineering Co. , Ltd, Shijiazhuang 050200,China)
Abstract：W ith th e ra p id d e v e lo p m e n t o f r e m o te s e n s in g s a t e llit e a e r ia l p h o to g r a p h y t e c h n o lo g y,w e c a n q u ic k ly a c q u ir e h ig h-r e s o lu tio n tilte d s a te llite im a g e s o f d e s ig n a te d a r e a s.H o w e v e r,h ig h-r e s o lu tio n s a t e llite im a g e s o n ly r e m a in at th e le v e l o f o r th o p h o to c o n s t r u c t io n,a n d th e r e is n o p r o fe s s io n a l t e c h n o lo g y fo r th e 3d c o n s tr u c tio n o f la r g e s c e n e s in s a te llite i m a g e s,a n d th e a c c u r a c y o f3D m o d e ls c o n s tr u c te d b y s a t
e llit e im a g e s c a n n o t m e e t c e r ta in m a p p in g r e q u ir e m e n ts.In th is p a p e r,tw o g r o u p s o
f im a
g e s,W o r ld v ie w
a n d W o r ld V ie w-3，w e re u s e d for r e s e a r c h，r e s p e c t i v e l y,w ith d iffe r e n t r e g io n s a n d d iffe r e n t s id e d i p s.
K ey for s a t e llit e im a g e m o d e lin g t e c h n o lo g y,b a s e d on s a t e llit e o rb it c o r r e c tio n o f R P C a n d a e r ia l tr ia n g ula tio n d is tr ib u te d s tr a te g ie s a r e s t u d i e d,an d o n n o c o n tr o l m o d e lin g a c c u r a c y v e r if ic a t io n,o n th e e f f i c ie n
c y o f e x tr a c tio n m o
d
中草药压片机
e l v a lid a te d m o d e l a n d r e la tiv e a c c u r a c y a n a l y s i s,m o d e l c a n r e a c h h u n d r e d s o f
sq u a r e k ilo m e te r s in a d a y fa st c o m p le te b u ild in g e f f i c i e n c y,p r e c is io n c a n s a tis fy 1：2000 m a p p in g a c c uracy r e q u ir e m e n t.
收稿日期:2021 >03-15 修订日期:202丨4)44)6
基金项目：国家重点研发计划资助项目（2017YFC0820505)
370 2021年第4期Key words：s te r e o im a g e p a ir；s a t e llit e i m a g e； 3d poin t c l o u d；m e sh m o d e l
〇引言
目前在三维模型自动批量构建方面，主流做法 是采用有人机、无人机搭载倾斜摄影设备获取倾斜 摄影影像，进行实景三维模型构建。文献[1]在 2019年基于UAV航拍影像的三维实景建模及应用，对基于无人机倾斜摄影的快速建模方法进行了 研究，指出基于倾斜摄影技术能够快速构建真实直 观的三维模型。文献[2]基于倾斜摄影技术构建实 景三维产品的应用开发研究。分析了基于倾斜摄影 技术构建实景三维产品的关键问题和生产流程，并 利用RCD30倾斜数据进行了实景三维产品的生产。以上方法虽然可以获取高精度的倾斜实景三维模 型，但是对于国防建设、灾害应急、作战模拟等场景 的获取，由于涉及敏感空域、环境变化较快，使得无 人机和有人机在数据获取方面就显得尤为不足。采 用飞机获取航摄影像的方法由于对空域和天气情况 依存度较高，因此无法满足特定场景的快速三维构 建，譬如战场环境的快速构建，甚至在一些比较敏感 的地区，无人机、有人机是无法到达的。卫星影像可 以很好地解决区域、天气、空域对获取影像的制约，利用立体卫星影像数据进行三维模型构建值得我们 研究。
对于卫星传感器来讲，采用线阵推扫式相机，焦 平面上有一行像素传感器，相机中心以恒定速度移 动，如图1所示。
因此在相机运动方向上，可以通过调整传感器的 侧摆角度，定制化获取同一地方的多视角数据。不同 侧摆角影像可以构成多视立体像对，使得通过卫星影 像构建一定比例尺的定向结果存在理论可能。1实验数据及软件系统原型
本文内容主要是基于立体像对卫星影像进行模 型构建方法的研究，实验数据为国内某地2景
W m'ld V ie w-3分辨率0.3 m的全影像立体像对数 据和国外某地成侧面立体较好的W o r ld V ie w全影
像两景。
WorldView卫星通过自带的旋转陀螺，可以实
现大幅度的侧面拍摄，WoddView-3卫星拍摄的国内
某县城的一部分影像，侧摆角约为30°，采用Pan sharpen融合模型将0.3 m全和1.4 m多光谱影 像融合。图2，WorldView全影像分辨率为0.5 m。图3，World V iew卫星影像侧摆角为45 °。本文基于 两组立体卫星影像通过密集匹配构建mesh模型，并 基于建筑轮廓自动构建建筑模型。通过两组数据进 行卫星影像自动构建三维模型的关键技术研究。
图2 W oridView-3全+彩融合后卫星影像
(侧摆角约为30°)
图3 W orldV iew卫星影像（侧摆角约为45°,
D igitalG lobal
公司版权）
2021年第4期侯位昭等：基于卫星影像立体像对数据的三维重建技术研究371
本文采用自研立体影像建模系统原型S P M (S a t e llit e P h o t o M e s h)，S P M可以快速进行空中三角 测量，并进行相对定向。
三维重建阶段采用地形参考模型为全球30 m 分辨率的S R T M1高程模型。
2利用卫星影像立体像对的三维建模关键技术
在三维重建阶段主要关键技术有四点：
(1)基于卫星轨道参数的有理多项式系数（ratio n a l p o ly n o m ia l c o e f f ic ie n t，R P C)校正
为了获得每一景影像上，每个像素点正确的位 置坐标信息，在影像校正阶段，基于卫星轨道参数
R P C进行校正，R P C模型的实质是有理函数模型(R a tio n a l F u n c tio n M o d e l-R F M )，是将像点坐标(r,c)表示为相应地面点空间（z，y,z)为自变量的 多项式的比值。
=p,(W,,)
r"~ P2(X n,Yn,Z n)
'=P}(X…,Yn,Z…)
~ P A{X n,Yn,Z n)
公式（1)中卜…人）和分别表示像
素坐标（r,C)和地面点坐标（H Z)经平移和缩放 后的标准化坐标。单幅影像的RPC解算几何变换 参数精度较高，针对国内影像的矫正，引入当地两个 控制点参与矫正。
(2)空中三角测量及分布式策略
在空中三角测量阶段，通过加载参考地形，综合 相片的视觉信息和空间信息，将测区内影像投射到 参考地形上，按照地理坐标对测区进行自动拆分，分 块通过交替使用Incremental增量式和Global全局 式匹配策略，快速遍历计算纠正影像位置姿态，依据 分块计算姿态进行联合平差，获得高精度成果。空 中三角测量分布式策略图如图4所示。
图4空中三角测量分布式策略
连接点匹配采用DoG的特征检测（SIFT),SIFT 特征检测主要通过计算图像尺度空间、DoG极值点检测与定位、边缘点去除、计算主方向、生成描述子 等阶段进行。SIFT特征检测具有旋转不变性、尺度 不变性、亮度不变性，并且其对角度变化和放射变换 稳定性控制较好。为保证连接点匹配数量，设置 1〇〇像素作为同名点搜索半径。
设L、i s、P4，8为每幅影像的图上坐标和投影 坐标;P,9是A和B的问名点，关键方程组为
P二 PA(x，：y，h)
或
=尸"（尤，y，"）
P B(LA(p,h),h)= q(2)求解方程组，会生成一系列的点，这些点以数组 形式表现为
在第一组数据中引入当地获取的均匀分布的6 个控制点，3个检查点，经检测点误差统计，第一组 数据经空三平差后满足1 :2 000空三定向要求。第 二组数据无法引人控制点，相对精度通过检测满足 1:5 000定向要求。
(3)三维模型构建
数字高程模型（DEM)与数字表面模型（DSM)的生成基于K-m eans聚类及RBFNN的构建方法[4]。可以使用已经生成的点云数据构建DEM，使 用此方法滤波得到的地面点云进行高程预测效果较 好。使用SGM像素级密集匹配算法，可以自动化生 成0.5 m的DSM，效果如图5。对于部分有错误的 DEM与DSM采用人工编辑进行修正。
图5自动生成D S M图
自动构建白模：建筑物矢量线采集，主要采集建 筑外轮廓结构线，对于平顶、坡顶、人字形房顶的建 筑房顶结构借助已有的房顶库实现房顶结构构建。
自动批量构建白模成果，白模成果如图6。
31.9 m
烟花生产
30.0 m
27.5 m
25.0 m
22.5 m
20.0 m
17.5 m
16.2
m
372202丨年第4期
图6白模成果图
(4)多节点并行和一机多开的硬件设计
在实验测试过程中，使用创新的方法优化计算
机硬件资源设置，通过“硬件资源池”设计，一台机器可以开多个计算节点（即一台机器可以同时做多台机器使用），充分调用单机硬件资源，可以将单台
计算效率提高至原计算效率的1. 5〜2倍，提高单台机器计算效率。同时局域网中多台计算机参与计算，实现多节点并行，解决大面积数据处理的时效性问题。表1为基于同一数据，优化硬件设和不优化硬件设置处理效率对比。
表1硬件优化双开节点效率对比表
实验机器节点是否一机测试面积/效率/序列数量数量多开km2(km2•h-1 ) 155否90 3.6
2510是90 6.7
本次实验采用多节点和一机双开，实验数据表明采用硬件优化设置，一机双开可以将计算效率提升为原来的约1.8倍。对于分辨率0.3 m的立体卫星影像，单机的建模效率约为3.6 k m2/h~6. 7 k m2/h。
3实验结果
(1)几何定位精度评价
第一组数据为国内某地W o r ld V ie w-3原始分辨率0.31 m的数据，数据处理过程中引入了6个平高控制点、3个检查点，生成白模的检查点中误差如表2。
表2引入控制点的W orldView-3成果精度评价 m
平面中误差高程中误差
M y
检查点0. 80.70.4
第二组数据为国外W o r ld V i e w数据，原始影像
分辨率为0.5m，数据处理过程中完全采用无控自
由网平差，因此我们选择1〇个位置计算相对位置误
差平均值，并进行精度评价。平面相对精度可达
2 m，高程精度可达1m，如表3。
表3无控制点的W orldV iew成果相对精度评价 m 点号
相对位置误差相对位置误差
平均值X平均值F
1 1.20.9
2 1.30.7
31. 20.8
4 1.60.7
5 1.20.7
61. 10.5
71. 10. 8
81. 80.7
91. 10. 8
10 1.80. 8
(2)白模提取效率评价
基于本次实验结果白模的提取效率如表4。
表4提取白模效率
数据类型
提取建筑物
数量/个
时长/h
效率/
(个.h-”
WorldView-3 2 1820.5 4 364
WorldView 3 5480.311 827
由于W o r ld V ie w分辨率为0.5 m,W o r ld V ie w-3分辨率为〇. 3 m，所以利用W o r ld V ie w影像提取建筑物的效率约为W o r ld V ie w-3数据提取效率的 2.7 倍。
4结语
通过本文可以得出采用有一定夹角的卫星影像，构成立体的卫星像对，可以获得立体模型数据，而且构建模型效率较高，精确度也满足一定的应用
范围。实现了国防建设、灾害应急、作战模拟、电信布设等领域的快速建模服务。
由于仅从两景影像上选取对应立体面的纹理算
法尚没有足够好的计算效果，因此对于自动构建的
白模来说进行纹理的研究尚需进行。另外本实验国
外数据缺少外业控制点数据成果，实验成果输出
只
2021年第4期侯位昭等：基于卫星影像立体像对数据的三维t建技术研究373
有相对精度，无法获得绝对精度进行对比分析。
随着立体高分辨率卫星技术的快速发展，未
来利用两像对、多像对数据进行自动化生成带有
贴图的实景三维模型技术也会得到较快的发展和
应用。
参考文献：
便携式吸尘器[1]沈照庆，李健，鲁武当，等.基于UAV航拍影像的三维
实景建模及其应用[•!]•市政技术,2019,37( 1):24-27. [2]孙玉平，范亚兵，郝睿，等.基于倾斜摄影技术构建实
景三维产品的应用开发研究[J].测绘与空间地理信
息，2015,38(11):152-154.
[3]李国元，胡芬，张重阳，等.WorldView-3卫星成像模式
介绍及数据质量初步评价[•!].测绘通报,2015(S2):
11-16.
[4]赵庆展，李沛停，马永建，等.基于K-m ean s聚类与
RBFNN的点云D E M构建方法[J].农业机械学报，
2019,50(9) ：208-214,.
[5]王玉训.基于WorldView-3卫星遥感影像立体测图方
案研究[•!].测绘与空间地理信息，2018,41 ( 11 ):
110-111.
(上接第3Q页）
[20] HOLLOWAY C, GORDON J, SCHWARZKOPF A et al.
Sub-wavelength imaging and field mapping via electro-
magnetically induced transparency and Autler-Townes
splitting in Rydberg atoms [J 1. Applied Physics Letter,
2014, 104(24) ：244102.
[21] COX K C, MEYER D H, FATEMI F K, et al. Quan
tum-limited atomic receiver in the electrically small re
gime [J ]. Physical review letters, 2018, 121
(11)：110502.
[22] MEYER D H, CASTILLO Z A, COX K C, et al. Assess
ment of Rydberg atoms for wideband electric field sensing
[J . Journal of Physics B：Atomic, Molecular and Opti
cal Physics, 2020, 53(3) ：034001.
[23] MEYER D H, KUNZ P D, COX K C, et al. Waveguide-
coupled Rydberg spectrum analyzer from 0 to 20 GHz
[J]. Physical Review Applied, 2021, 15(1) ：014053. [24] JING M, HU Y, MA J, et al. Atomic super hetero
dyne receiver based on microwave-dressed Rydberg [6]白峰，刘玲.高分辨率卫星影像立体测图分析研究
[J].测绘与空间地理信息，2013，36( 10) :233-234.
作者简介
□侯位昭（1979—），男，河北人，高级工
程师，主要研究方向为人工智能；
E-mail：weizhao hou@163
年龄识别张欣海（1975—)，男，辽宁人，研究员高级工程师，主要研究方向为大数据与人工智能应用技术，基于G1S的大数据可视化技术；
吴士珂（1987—)，男，山东人，学士，主要研究方向为航空遥感、计算机图形、三维重建等；
石喜阳（1987—），男，河南人，硕士研究生，中级工程师，主要研究方向为倾斜摄影测量、立体卫星实景三维、语义 三维构建等；
李嘉榆（1994一），男，云南人，学士，主要研究方向为摄影测量与遥感、实景三维重建、高精度地图自动化提取等；
宋凯磊（1986—)，男，河北人，硕士研究生，中级工程师，主要研究方向为大数据技术及应用。
spectroscopy [ J] •Nature Physics, 2020, 16 ( 9 )：
911-915.
[25] VILNROTTER V A. Quantum receiver for distinguishing
between binary coherent-state signals with partitioned-in-
terval detection and constant-intensity local lasers !J」.
异位发酵床NASA Interplanetary Network Progress Report, 2012,189
(42) ：l-22.
作者简介
H顾杰（1974_)，男，上海人，研究
员，主要研究方向为电子对抗，阵列处理，
自一
吴峰（1984—)，男，四川人，高级工程师，主要研究方向为电子对抗，量子技术。
E-mail ：******************
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议