[论文解读] The Time-SIFT method : detecting 3-D changes from archival photogrammetric analysis with almost exclusively image information

Denis Feurer, Fabrice Vinatier|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2018

3D Surveying and Cultural Heritage参考文献 29被引用 4

一句话总结

本文提出 Time-SIFT 方法，一种新颖的 3D 变化检测技术，仅使用几乎全部的图像信息从档案航空影像中检测变化。通过利用结构光束法（SfM）流程中类似 SIFT 的特征不变性，该方法可实现全自动、低专业度的多时相数字高程模型（DEMs）及差分数字高程模型（DoDs）生成，无需使用地面控制点或校准数据，即可实现精确的 3D 变化检测。

ABSTRACT

Archival aerial imagery is a source of worldwide very high resolution data for documenting paste 3-D changes. However, external information is required so that accurate 3-D models can be computed from archival aerial imagery. In this research, we propose and test a new method, termed Time-SIFT (Scale Invariant Feature Transform), which allows for computing coherent multi-temporal Digital Elevation Models (DEMs) with almost exclusively image information. This method is based on the invariance properties of the SIFT-like methods which are at the root of the Structure from Motion (SfM) algorithms. On a test site of 170 km2, we applied SfM algorithms to a unique image block with all the images of four different dates covering forty years. We compared this method to more classical methods based on the use of affordable additional data such as ground control points collected in recent orthophotos. We did extensive tests to determine which processing choices were most impacting on the final result. With these tests, we aimed at evaluating the potential of the proposed Time-SIFT method for the detection and mapping of 3-D changes. Our study showed that the Time-SIFT method was the prime criteria that allowed for computing informative DEMs of difference with almost exclusively image information and limited photogrammetric expertise and human intervention. Due to the fact that the proposed Time-SIFT method can be automatically applied with exclusively image information, our results pave the way to a systematic processing of the archival aerial imagery on very large spatio-temporal windows, and should hence greatly help the unlocking of archival aerial imagery for the documenting of past 3-D changes.

研究动机与目标

• 解决档案摄影测量中校准数据和地面控制点（GCPs）获取受限的问题。
• 实现对大规模历史航空影像档案的系统化处理，以实现 3D 变化检测，且无需摄影测量专业知识。
• 评估仅通过图像信息利用新型基于 SIFT 的方法生成一致、精确的多时相 DEMs 的可行性。
• 证明仅通过图像处理生成的 DoDs 可可靠检测并量化历史 3D 变化，即使在亚米级尺度下亦可实现。
• 通过最小化数据和技术门槛，促进更广泛地获取历史航空影像用于地球科学领域的研究。

提出的方法

• Time-SIFT 方法在多个日期的档案航空影像之间应用类似 SIFT 的特征检测与匹配，以建立结构光束法（SfM）重建所需的连接点。
• 在覆盖四个不同日期的单一影像块内实施自校准，以估计内方位与外方位元素，而无需依赖相机校准证书。
• 该方法利用 SIFT 特征的不变性特性，确保跨时间的一致特征追踪，提升多时相配准的鲁棒性。
• 通过 SfM 处理生成多时相 DEMs，随后进行差分处理以生成用于变化检测的差分数字高程模型（DoDs）。
• 对处理流程在多种配置下进行系统性测试，以评估关键参数（如特征检测阈值和连接点密度）的敏感性。
• 通过完全依赖图像内容与自动特征匹配，最小化人工干预与摄影测量专业知识需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用图像信息，无需外部校准或 GCP 数据，可靠地从档案航空影像中检测 3D 变化？
• RQ2 Time-SIFT 方法的性能与依赖地面控制点或校准数据的传统摄影测量方法相比如何？
• RQ3 哪些处理选择对通过 Time-SIFT 方法生成的多时相 DEMs 的精度与一致性影响最大？
• RQ4 在缺乏外部地理空间参考的情况下，Time-SIFT 方法在复杂、动态演变的景观中检测小尺度 3D 变化（例如 < ±3 米）的能力如何？
• RQ5 该方法能否在大规模时空范围内（如数以千计的影像跨越数十年）实现，且仅需极少用户输入？

主要发现

• Time-SIFT 方法成功仅使用图像数据从档案航空影像中生成了连贯的多时相 DEMs，无需地面控制点或校准证书。
• 使用 Time-SIFT 生成的 DoDs 明确检测并量化了 3D 变化，即使在土地覆盖与纹理随时间发生显著演变的区域也表现良好。
• 该方法在检测亚米级变化方面表现出鲁棒性，其结果与以往研究中使用外部激光雷达数据和精细配准方法所获得的结果相当。
• 大量测试表明，仅使用多时相连接点在单一影像块内实施自校准，显著提升了姿态一致性与 DEM 质量。
• 该方法实现了对大规模影像档案的全自动、低专业度处理，为系统性分析全球历史航空影像集合铺平了道路。
• 在缺乏校准数据和 GCP 数量有限的场景下，该方法优于传统方法，尤其在处理较早的模拟时代影像时表现尤为突出。