无人飞艇低空摄影测量关键技术研究及大比例尺地形成图实践

摘要

在我国实现现代化的建设期间，测图任务繁重，需要采用高效率、高精度的测图方法来完成各比例尺、各种类型的地图。摄影测量必将发挥重要的作用。利用非量测数码相机和一套自动化程度高、适应性强、并能满足高精度测量需求的“低空摄影测量系统”进行工程测量，一直是测绘工作者所追求的目标。
　　 低空摄影测量具有获取成果快、生产周期短、运作成本低、可操作性强等特点。无人飞艇低空摄影系统是一种以无人飞艇为平台，以数字相机为有效载荷，飞行高度在1000米以下，能够获取规则重叠度影像的航空摄影系统。
　　 根据目前无人飞艇的特点，针对低空摄影测量的实际要求，本文以自制无人飞艇为基础，研究了无人飞艇低空摄影测量过程中的精密姿态控制、多GPS导航、相机在线标定、影像快速匹配等内容，经工程实践检验，可满足大比例尺地形测量图的要求。
　　 本文的主要研究内容及创新点如下:
　　 1、基于双陀螺仪的姿态稳定平台:本研究采用双陀螺系统，使用两个精度为0.5度的陀螺仪，一个安置在平台上测定平台的姿态值，一个安置在相机上测定相机的姿态值。平台陀螺在正常工作时用以测定姿态以控制相机，相机陀螺用以测定相机姿态以获取高精度的POS值。两个陀螺可进行差分校正以消除磁漂影响。当其中某一陀螺发生故障时可根据相应的算法由另一陀螺进行改正。
　　 针对陀螺仪在测量过程产生的误差，本研究采用了基于时间序列算法的Kalman滤波以消除陀螺的随机漂移误差，并采用分段插值补偿法以消除陀螺仪的标度因数误差。提升了陀螺仪测量的精度及可靠性，使航摄相机的姿态控制理论精度达到1度，由于受机械性能的影响，实测精度达到了3度以内。
　　 2、多GPS导航定位系统:为提高导航型GPS定位的精度，获取高精度的定位信息，根据无人飞行器载荷低而不能安装太重的GPS的特点，在飞行平台上安置4个导航型GPS。在飞行过程中，根据飞行平台在快速移动，但固定在飞行平台上的4个GPS是相对静止的特点，其相对位置及距离是已知的，将GPS获取的坐标值作为初始值，将相对距离作为边长观测值，组成一个近似等边三角形，三个等腰三角形的共四个三角形构成的三角网，采用自由网平差方法进行平差，获取高精度的坐标值进行导航与定位。并结合陀螺仪所测航向值进行点间内插，可构成一个简易的惯导系统。
　　 采用本研究的多GPS导航定位系统，可实时测定飞行平台的坐标，实测瞬时定位精度可达到1m左右。
　　 3、在线相机标定技术:目前的相机标定均设置专门的相机检校场，检校场一般设置在野外或大体型建筑上，检校时相机仍然在地面或高层建筑上进行数据采集。而航拍相机在工作时是安装在飞行平台上的，其工作状态与地面存在着较大差别。本文研究的相机标定技术，是将相机直接安置在飞行平台上，检校时起飞至检校场上空，按正常工作状态进行拍摄采集数据，据此进行相机检校。在此种状态下检校得到的参数，与相机实际工作时的参数才是一致的。
　　 相机内方位元素定标通过在地面布设大量的地面控制点构成地面试验场，采用全野外方法量测控制点空间坐标。以实验室几何定标数据、像点坐标、控制点空间坐标、摄影时刻的摄站坐标以及相机姿态角作为输入数据，通过数据解算得到最终所需的在轨内方位元素。通过空间后方交会及区域网空中三角测量的方法解算相机在摄影时刻的摄站坐标和姿态，可提高外方位元素精度，最终提高几何定标的精度。
　　 获取影像的分辨率的主要方法是在航空摄影同时，在野外布设分辨率靶标，然后通过对摄取的试验场靶标影像及相关数据的分析处理，得到影像的分辨率。另外是通过解算影像MTF获得影像分辨率，即对影像获取的MTF检测靶标进行采样，计算得到边扩散函数和点扩散函数，根据刃边法和脉冲法解算得到MTF;提取辐射状靶标在影像中的最大可分辨位置及到靶标中心的距离，结合靶标布设信息解算影像分辨率。
　　 4、影像快速匹配技术:针对无人飞行器数据量大，照片幅面相对较小，照片数量较多的特点，本文根据前述的多GPS定位与双陀螺姿态控制系统得到的高精度相机中心坐标及姿态数据(POS)，采用SIFT算法，编写了基于POS数据及SIFT算法的影像快速匹配程序，对影像进行快速匹配，可在飞行现场进行影像质量检查，并可获取快速的正射影像图。
　　 首先构建影像序列并利用POS数据确定影像的初始视差，从而可计算出相邻影像的重叠范围。然后利用SIFT算子在相邻影像重叠范围内进行特征点的提取并进行匹配，对匹配的结果根据连续像对相对定向的误差方程进行可靠性判断，以剔除误匹配的点。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 航拍平台

1.2.2 姿态稳定平台

1.2.3 GPS导航系统

1.2.4 数字相机标定

1.2.5 影像快速匹配

1.3 本文研究内容

第二章 无人飞艇设计

2.1 概述

2.2 无人飞艇低空摄影测量优势分析

2.3 自制飞艇设计

2.3.1 飞艇总体设计

2.3.2 飞艇艇囊设计

2.3.3 尾翼设计

2.3.4 发动机吊舵设计

2.4 飞行控制系统设计

2.4.1 飞行控制系统组成

2.4.2 飞行控制系统工作原理

2.5 基于Fetion及GoogleMap的远程监控

2.5.1 系统构成

2.5.2 移动终端

2.5.3 PC端

2.6 本章小结

第三章 双陀螺姿态稳定平台

3.1 概述

3.2 稳定平台总体结构设计

3.3 机械结构分析与设计

3.3.1 机械谐振分析

3.3.2 三轴平台建模

3.4 MEMS陀螺误差处理

3.4.1 MEMS陀螺原理

3.4.2 MEMS陀螺的随机漂移误差处理

3.4.3 MEMS陀螺标度因数误差及分段插值补偿

3.5 稳定平台控制系统

3.5.1 控制系统总体设计

3.5.2 陀螺仪选型

3.5.3 控制系统软件设计

3.6 本章小结

第四章 多GPS导航定位系统

4.1 导航型GPS的数据处理

4.1.1 导航型GPS的数据格式

4.1.2 提高导航型GPS定位精度的一般方法

4.1.3 坐标转换

4.2 多GPS系统设计

4.2.1 系统设计

4.2.2 GPS芯片选择说明

4.3 自由网平差

4.3.1 直接解法

4.3.2 附加条件法(伪观测值法)

4.3.3 精度评定

4.4.4 说明

4.4 多GPS系统精度分析

4.4.1 点位布置

4.4.2 实测精度分析

4.5 本章小结

第五章 相机在线标定技术研究

5.1 概述

5.2 基本理论与方法

5.2.1 相机定标技术方法体系

5.2.2 几何定标技术

5.2.3 影像特性检测技术

5.3 定标实验场

5.3.1 地面控制点实验场建标

5.3.2 分辨率检测试验场建标

5.4 航摄相机相关参数计算

5.4.1 像幅尺寸

5.4.2 像幅尺寸与CCD尺寸的关系

5.4.3 实地、像片、CCD像面距离关系

5.4.4 立体像对高程精度估算

5.4.6 参数应用

5.5 在线标定实验

5.6 本章小结

第六章 基于POS数据的SIFT特征匹配

6.1 POS系统概述

6.1.1 POS系统简介

6.1.2 POS系统在目前摄影测量中的应用现状

6.1.3 POS数据应用中存在的问题

6.2 SIFT特征匹配

6.2.1 尺度空间的极值探测

6.2.2 关键点的精确定位

6.2.3 确定关键点的主方向

6.2.4 关键点的描述

6.2.5 SIFT特征向量长度的归一化处理

6.2.6 SIFT特征向量的匹配

6.2.7 SIFT算法的简化

6.3 基于POS数据的SIFT特征匹配

6.3.1 基于POS数据的匹配策略

6.3.2 粗差剔除

6.3.3 程序设计及实验

6.4 本章小结

第七章 无人飞艇低空摄影测量实验

7.1 实验目的

7.2 实验概况

7.2.1 测区概况

7.2.2 项目完成情况

7.2.3 各工序投入情况

7.2.4 资料利用情况

7.2.5 飞行基本参数

7.2.6 实验时间

7.3 技术设计执行情况

7.3.1 实验依据

7.3.2 实验流程

7.3.3 外业测量

7.3.4 实验影像

7.4 实验结果

7.4.1 飞艇性能

7.4.2 姿态控制系统

7.4.3 多GPS定位系统

7.4.4 相机在线标定

7.4.5 地形成图精度分析

总结与展望

论文总结

存在问题与下一步工作展望

参考文献:

攻读学位期间取得的研究成果

致谢