地面和物体的三维模型在地学等领域有着关键作用和广泛应用,因此,如何获取地面和物体的三维模型,是摄影测量和计算机视觉领域长期研究的一个热点问题。在摄影测量领域,地面的三维模型表现为数字表面模型(DSM:Digital Surface Model)和数字高程模型(DEM:Digital Elevation Model),它们是地理信息系统的基础数据,在土地管理与规划、线路设计、电力、交通、地质、水文和城市规划等领域有着重要的用途。在计算机视觉领域,物体和场景的三维模型在数字化归档、游戏和娱乐产业等领域有着不可或缺的作用。基于影像的三维重建是从影像恢复地面和物体三维形状的一个关键技术,该问题是影像成像过程的逆向过程。影像成像过程包含几何成像和辐射成像两部分,立体影像密集匹配技术和基于影像明暗的形状恢复技术,分别是根据影像的几何成像模型和辐射成像模型恢复地面和物体的三维形状。关于立体影像密集匹配和基于影像明暗的形状恢复这两种技术,国内外存在大量的研究,并取得了显著的进展。前者主要发展了局部匹配方法和全局匹配方法,后者则主要发展了shape from shading和光度学立体视觉。关于二者的结合也有不少研究,但都仅局限于研究月球表面、石膏体和雕塑等单一材质物体表面的三维形状恢复,鲜有将其拓展至地球表面和自然物体的三维重建。本文从影像的几何与辐射成像机制出发,结合影像立体几何属性和辐射属性,建立一套适合于地学应用的几何和辐射一体化的三维表面重建与优化框架,在此框架下实现自然地表和人工地物的三维形状恢复与精细表面重建。具体而言,本文的主要研究工作如下：(1)研究了基于几何与辐射整体成像模型的三维表面重建与优化方法。对影像成像机制中的几何成像模型和辐射成像模型进行统一,建立了几何与辐射整体成像模型,揭示了摄影场景中的物体表面上的点与影像上像素的位置和亮度之间的对应关系,分析了立体影像密集匹配技术与基于明暗的形状恢复技术的实质。在此基础上,提出了基于几何与辐射整体成像模型的三维表面重建与优化方法,综合考虑立体几何约束与辐射成像约束,构建了融合多视影像一致性、物体表面几何光滑性和辐射光滑性的整体能量泛函,并提出了该能量泛函的完整求解策略与步骤。(2)研究了基于多测度半全局匹配的三维表面重建方法。首先,研究了基于马尔科夫随机场理论从邻域候选影像集中选择最优配对影像的全局优化策略,以自动选择立体像对；其次,针对经典半全局匹配在效率、稳健度和对影像辐射质量适应性等方面的不足,在惩罚系数的选择、相似性测度的选择、视差范围的调整、匹配置信度计算和影像辐射质量改善等方面进行改进和扩展,提出了多测度半全局匹配算法。该算法组合了Census和互信息两种相似性测度的优点,采用金字塔影像匹配策略,以上层影像视差结果作为初值并顾及地形自适应性地调整下层影像匹配的视差搜索范围,具有稳健可靠、高效、匹配视差图精细且保边缘的特点。实验证明,多测度半全局匹配的结果在完整度和精细度方面明显优于SURE；最后,研究了视差图融合以构建物体三维表面的方法。基于多测度半全局匹配的三维表面重建方法生成的物体表面为下一步的物方全局优化提供了精确的物体表面初值。(3)研究了基于双边滤波的三维表面优化方法。在影像成像光锥空间上,构建三维表面优化的能量泛函,以多视影像相似性作为匹配代价,考虑地物遮挡的影响,并以相邻空间点的几何光滑性和辐射光滑性作为匹配约束条件。采用一种基于双边滤波的两步更新模型方法求解影像密集匹配能量泛函,将传统偏微分方程的求解转化成了两步,一步是基于数据项的偏微分方程求解,另外一步则等价为多线索的双边滤波。以基于多测度半全局匹配的三维表面重建方法获得物体表面作为输入,通过物方全局优化得到最终精确可靠的物体三维表面。本文选用线阵卫星影像、常规航空影像、倾斜航空影像和近景地面影像进行三维重建与优化实验,验证了本文算法的适用性和效果。在线阵卫星影像方面,使用浙江省天台山地区资源三号卫星影像进行密集匹配生成5米分辨率DSM,并以1：1万比例尺的DEM产品作为参考进行了质量分析与精度评定。在质量方面,从目视效果上看,匹配的DSM细节接近参考DEM；在精度方面,DSM高程精度符合我国15万比例尺DEM一级产品精度要求。常规航空影像方面,使用了Vaihingen和Munchen两组城市地区数据集进行密集匹配实验,本文匹配结果在地物细节和抗重复纹理的性能方面优于Pix4Dmapper和PhotoScano倾斜航空影像方面,使用陕西省铜川市城区无人机五视倾斜影像进行匹配实验,匹配结果优于PhotoScan和SURE。近景地面影像方面,利用武汉大学信息学部友谊广场前石狮子雕像的智能手机影像进行匹配实验,本文匹配效果与PhotoScan相当,优于PMVS。