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本书对近年来直线提取及直线匹配方法予以全面总结，对数字影像直线匹配的难点问题进行分析，并给出一些解决方法。本书共6章，第一章为绪论，分别对数字影像直线提取、直线匹配的研究现状进行综述；第2章为面向立体影像匹配的直线提取方法，主要对基于图像域、基于变换域、基于梯度信息的三大类直线提取算法进行介绍，通过采用不同类方法对图像进行直线提取实验，进行综合对比分析；第3章分别从几何约束、描述子构建、相似性测度三个方面对数字影像直线匹配的基本理论进行介绍；第4章介绍一种单直线特征约束直线匹配算法，并将其用于线阵卫星遥感影像直线匹配实验；第5章为线对特征约束的直线匹配算法，主要内容包括线对提取、线对匹配、匹配结果检核的方法及理论，通过对近景影像、航空影像进行直线匹配实验，对本章算法及现有的经典直线匹配方法进行综合分析。

目  录



第1章  绪论	1
1.1  直线提取的研究现状	3
1.2  直线匹配的研究现状	10
第2章  面向立体影像匹配的直线提取	15
2.1  基于Freeman链码的直线提取	16
2.1.1  Freeman链码	16
2.1.2  基于链码准则的直线提取	18
2.1.3  基于链码的边缘跟踪及直线拟合	19
2.2  基于Hough变换的直线提取	24
2.2.1  Hough变换的原理	24
2.2.2  Hough变换用于直线提取存在的问题	27
2.2.3  结合边缘编组的Hough变换直线提取	30
2.3  基于梯度信息的直线提取	35
2.3.1  改进分区的相位编组的直线提取	36
2.3.2  LSD直线提取	38
2.4  实验结果与分析	43
2.4.1  不同直线提取算法对比分析	43
2.4.2  不同算法抗噪性分析	50
2.5  本章小结	52
第3章  面向立体影像直线匹配的基本理论	53
3.1  匹配约束	55
3.1.1  同名点约束	55
3.1.2  核线约束	59
3.1.3  三角网约束	61
3.1.4  单应矩阵约束	62
3.2  领域窗口确定	64
3.2.1  灰度窗口	64
3.2.2  灰度均值	67
3.2.3  移动窗口	68
3.3  描述符构建	70
3.3.1  FMSD、MMSD、GMSD描述符的构建	70
3.3.2  MSLD描述符的构建	73
3.3.3  LBD描述符的构建	76
3.3.4  Daisy特征描述符的构建	78
3.4  相似性测度	83
3.5	85
本章小结	85
第4章  单直线特征约束的线阵卫星遥感影像直线匹配	87
4.1  几何约束	89
4.1.1  核线约束	89
4.1.2  方位约束	90
4.1.3  同名点约束	91
4.2  描述符相似性约束	93
4.2.1  直线支撑域的构建	93
4.2.2  梯度描述符	94
4.2.3  相似性约束	95
4.3  确定同名直线	96
4.4  实验与分析	97
4.4.1  参数选择	98
4.4.2  不同算法对比分析	101
4.5  本章小结	108
第5章  线对特征约束的近景影像、航空影像直线匹配	109
5.1  组提取相交的直线对	112
5.2  线对匹配	115
5.2.1  核线约束	115
5.2.2  单应矩阵约束	116
5.2.3  局部方位约束	117
5.2.4  基于线对的梯度描述符相似性约束	118
5.3  匹配结果检核	122
5.3.1  非“一对一”匹配结果检核	122
5.3.2  “一对一”匹配结果检核	126
5.4  近景影像直线匹配实验与分析	128
5.4.1  实验数据	128
5.4.2  参数选择	130
5.4.3  性能评估	135
5.5  航空影像直线匹配实验与分析	146
5.5.1  实验数据	146
5.5.2  不同算法直线匹配结果对比分析	147
5.6  本章小结	156
参考文献	158

前  言

“实景三维中国建设”是面向新时期测绘地理信息事业服务经济社会发展和生态文明建设的新定位、新需求，是我国测绘从二维向三维转型升级的必由之路，已经纳入“十四五”自然资源保护和利用规划。随着实景三维中国建设计划的推进，大规模、大范围、高精细的实景三维模型重建成为研究的热点。城市级实景三维建模的主要数据源之一为基于影像匹配而获取的三维模型。
现有的三维模型大都是基于点匹配产生的，由于影像的基本单元就是像素点，因此逐像素点匹配可以覆盖全部影像。然而，点不具备拓扑结构信息，稳定性相对较弱。直线特征作为把握地物整体信息的直观且重要的局部特征，其包含更丰富的地物结构特征，特别是在建筑物等直线特征明显的人造场景中，成为目标描述的重要几何特征。因此，将直线特征作为匹配基元实现可靠匹配，可直接生成建筑物等人工地物的三维线框模型，便于后续拓扑重构及带约束条件的三维模型重建。直线匹配属于影像匹配中的特征匹配，是指通过特定的匹配算法在两幅或者多幅具有重叠区域的影像上识别同名特征直线的过程，从而建立不同影像上同名直线的对应关系。直线匹配是摄影测量与计算机视觉领域的关键技术，在三维模型重建、视觉SLAM、目标识别与跟踪、视觉导航、古文物保护、生物医学领域都有着十分重要的作用。
本书对立体影像直线匹配的基本理论与方法进行了系统的介绍。主要包括3类直线提取算法的基本原理及改进算法、直线匹配过程中的几何约束、描述符构建等基本理论。针对直线匹配过程中的难点问题，如对大视角变化条件下不同影像上用于构建直线描述符的支撑域信息不对等、邻近平行直线错误匹配、匹配结果冲突难以有效检核等问题进行了系统、深入的研究，给出了有效的解决方案。在单直线匹配研究中，提出了一种结合多条件约束的数字影像直线匹配算法，主要涉及核线、同名点、线两侧梯度描述符约束，并将其用于高分辨率线阵遥感影像直线匹配。在组直线匹配研究中，提出了一种线对特征约束的直线匹配及匹配结果检核算法，并将其用于近景影像、航空影像直线匹配。在线对匹配过程中利用自适应窗口搜索可编组直线生成线对，确保所有直线都参与匹配，利用线对交点的核线约束将二维搜索有效降低到一维；在匹配结果检核过程中，引入双层关系矩阵，对匹配结果中包含的线对—线对、单直线—单直线、线对—单直线3类对应关系进行记录。在此基础上充分利用匹配冗余和共线约束对匹配结果进行检核，有效地解决匹配结果中“一对多”“多对一”“多对多”复杂对应关系中存在的匹配冲突问题，对其中存在的正确、错误匹配结果进行区分，有效地避免了邻近直线产生的错误匹配。
本书共分5章，第1章为绪论，分别对数字影像的直线提取、直线匹配的研究现状进行综述；第2章为面向立体影像匹配的直线提取，主要对基于Freeman链码、基于Hough变换、基于梯度信息的三大类直线提取算法进行介绍，通过采用不同方法对数字影像做直线提取实验，进行综合对比分析；第3章分别从几何约束、窗口灰度相关、描述符构建、相似性测度4个方面对数字影像直线匹配的基本理论进行介绍；第4章介绍了一种单直线特征约束的线阵卫星遥感影像直线匹配；第5章为线对特征约束的近景影像、航空影像直线匹配，主要包括提取相交的直线对、线对匹配、匹配结果检核等，通过对近景影像、航空影像进行直线匹配实验，对本章算法及现有的经典直线匹配方法进行综合分析。
本书内容是作者承担的国家自然科学基金项目（41871379；41971354）、辽宁省“兴辽英才计划”项目（XLYC2007026）和辽宁省应用基础研究计划项目相关工作的总结。参与本书相关工作的还有刘肃艳博士、黑龙江工业学院的张平老师。
限于作者水平，书中难免有不妥之处，敬请各位读者和专家给予批评指正。
                                                                               著者
                                                                          2023年1月

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数字影像直线提取与匹配方法