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一种带约束条件的多面阵航摄仪平台检校方法

摘要

本发明公开了一种带约束条件的多面阵航摄仪平台检校方法,包括:采用交叉飞行多个摄站曝光得到相邻虚拟影像重叠度大于80%的多组子影像数据获取策略;利用地面检校场的控制点,计算子相机的摄影中心距离及子相机线元素;在进行空中三角测量时,进行光束法区域网平差,根据控制点坐标、匹配后的子影像间的连接点,以及各子影像的外方位元素初值通过共线方程建立模型,将子相机的摄影中心距离作为已知值,即将子相机线元素常量作为约束条件,将平台检校参数作为一个整体进行解算,求解子影像外方位元素中角元素。该检校方法匹配出大量分布均匀的连接点并通过约束条件提高了平台检校参数的精度,保障生成的虚拟影像拼接精度更高,测图精度更高。

著录项

  • 公开/公告号CN103364012A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2013-10-23

    原文格式PDF

  • 申请/专利号CN201310303749.9

  • 申请日2013-07-18

  • 分类号G01C25/00(20060101);

  • 代理机构北京超凡志成知识产权代理事务所(普通合伙);

  • 代理人吴开磊

  • 地址 100039 北京市海淀区北太平路16号

  • 入库时间 2024-02-19 21:01:19

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2017-04-12

    授权

    授权

  • 2013-11-20

    实质审查的生效 IPC(主分类):G01C25/00 申请日:20130718

    实质审查的生效

  • 2013-10-23

    公开

    公开

说明书

技术领域

本发明涉及航空摄影测量技术领域,尤其涉及一种带约束条件 的多面阵航摄仪平台检校方法。

背景技术

航空相机已在世界范围成功应用了几十年,在过去的二十多年 里,摄影测量的数据获取手段逐渐向数码相机的方向发展。从目前 制造工艺和经济因素两方面考虑,单个数码相机还无法取代传统的 胶片航空相机。为了采用更经济的手段满足大像幅航空摄影的需求, 一些公司采用了多镜头组合相机。目前国际上主流的多镜头组合数 码航空相机产品主要包括UltraCam系列大像幅数码航空相机,DMC 大像幅数码航空相机,国内则有SWDC-4和TOPDC-4大像幅数码 航空相机。

多面阵航摄仪基于这种原理,通过在平台上安装四个数码相机 的方式,来获取具有大范围地面覆盖度的拼接影像。多面阵航摄仪 的平台检校就是准确获取相机与虚拟投影面之间相对位置关系的过 程,根据平台检校参数可以从子影像生成高精度的虚拟影像。平台 检校是从子影像生成虚拟影像的关键步骤。只有准确知道了子影像 与虚拟影像的相对外方位元素,才能根据投影变换公式,生成拼接 后的虚拟影像。如果平台检校参数存在较大的误差,那么虚拟影像 中的地物点将不能正确反映该点的空间位置关系。

平台检校可以精确计算出子影像到虚拟影像的相对外方位元 素,使拼接后生成的虚拟影像等效于一张高精度的中心投影影像, 保证了影像数据源的精度。

现有技术中,多采用十字重叠区方式平台检校:这种平台检校 方法可以采用同一时刻曝光的四张子影像,在十字形重叠区内匹配 连接点,进行光束法平差。该方法利用重叠区的连接点进行计算, 以其中1个相机为基准,计算其余3个相机与虚拟影像之间的相对 外方位元素。

现有技术的缺点:十字重叠区方式平台检校要求在四张子影像 的重叠区有分布均匀的连接点,且数量不少于30~50个。当子影像 重叠区范围较小,或重叠区影像纹理贫乏,无法匹配出理想数量且 分布均匀的连接点时,该方法无法准确计算出平台检校参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带约束条件的多面阵航摄仪平台检 校方法,以解决上述问题。

为了达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:

一种带约束条件的多面阵航摄仪平台检校方法,包括如下步骤:

采用交叉飞行多个摄站曝光得到相邻虚拟影像重叠度大于80% 的多组子影像,并进行多张子影像的连接点匹配;

利用地面检校场的控制点,计算子相机的摄影中心距离及子相 机线元素;

在进行空中三角测量时,进行光束法区域网平差,根据控制点 坐标、匹配后的子影像间的连接点,以及各子影像的外方位元素初 值通过共线方程建立模型,将子相机的摄影中心距离作为已知值, 即将子相机线元素常量作为约束条件,将平台检校参数作为一个整 体进行解算,求解子影像外方位元素中角元素;

其中,每个摄站上设置有四个相机,每个摄站同一时刻曝光四 张子影像。

与现有技术相比,本发明实施例的优点在于:

本发明提供的一种带约束条件的多面阵航摄仪平台检校方法, 分析其原理可知:首先,采用多个摄站曝光得到相邻虚拟影像重叠 度大于80%的多组子影像,并进行多张子影像的连接点匹配;因为 采取了大量子影像间的匹配,显然多张子影像构成的重叠区域相对 传统的四张子影像构成十字形重叠区更大,重叠度更高,这样扩大 了连接点的匹配范围,并可以匹配出大量分布均匀的连接点;然后 利用地面检校场的控制点,计算子相机的摄影中心距离及子相机线 元素;当然,获取摄影中心距离及子相机间的线元素等数据是实现 检校方法的第一个关键步骤。经过上述预处理操作,可以为建立数 学模型提供数据基础;

然后,在进行空中三角测量时,进行光束法区域网平差,根据 控制点坐标、匹配后的子影像间的连接点,以及各子影像的外方位 元素初值和共线方程建立模型,将子相机的摄影中心距离作为已知 值,即将所述子相机线元素常量作为约束条件,将平台检校参数作 为一个整体进行解算,求解子影像外方位元素中角元素;这时需要 计算的未知数是子相机的安装角度,也就是子影像外方位元素中的 角元素(即将子相机线元素常量作为约束条件,求解子影像外方位 元素中角元素)。这样,根据3个从相机的角元素(修正量)来调整 各个相机到虚拟面的旋转角,使得4个子影像到虚拟影像的旋转角 度对称,进而完成检校操作,这样求解的各像片的外方位元素更加 准确,检校更符合相机安置的实际情况。

因此,该平台检校方法适用于拼接方式组合的多面阵航摄仪。 对比传统十字重叠区平台检校方法,当子影像重叠区范围较小,或 重叠区影像纹理贫乏,无法匹配出理想数量且分布均匀的连接点时, 无法准确计算出平台检校参数的缺点;利用该方法匹配出大量分布 均匀的连接点并通过约束条件提高了平台检校参数的精度,保障生 成的虚拟影像拼接精度更高,测图精度更高。

本发明所提供的平台检校方法其实质是,在利用光束法平差的 基础上增加了针对多面阵航摄仪特定结构的线元素限制条件,将子 相机的平台检校参数作为一个整体进行解算,从而使平台检校参数 更符合相机的实际安置情况。

附图说明

图1为本发明实施例提供的带约束条件的多面阵航摄仪平台检 校方法的流程示意图;

图2为本发明实施例提供的带约束条件的多面阵航摄仪平台检 校方法中四个子影像与虚拟影像的投影关系示意图;

图3为图2中本发明实施例提供的带约束条件的多面阵航摄仪 平台检校方法中四个子影像的摄影中心与虚拟影像摄影中心的关系 示意图;

图4为图2中本发明实施例提供的带约束条件的多面阵航摄仪 平台检校方法中摄影中心竖直方向线元素位移引起的像点误差示意 图;

图5为本发明实施例提供的带约束条件的多面阵航摄仪平台检 校方法中子影像角元素不平衡引起的误差示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细 描述。

参见图1,本发明实施例提供了一种带约束条件的多面阵航摄 仪平台检校方法,包括如下步骤:

步骤S100、采用交叉飞行多个摄站曝光得到相邻虚拟影像重叠 度大于80%的多组子影像,并进行多张子影像的连接点匹配;

步骤S200、利用地面检校场的控制点,计算子相机的摄影中心 距离及子相机线元素;

步骤S300、在进行空中三角测量时,进行光束法区域网平差, 根据控制点坐标、匹配后的子影像间的连接点,以及各子影像的外 方位元素初值通过共线方程建立模型,将子相机的摄影中心距离作 为已知值,即将所述子相机线元素常量作为约束条件,将平台检校 参数作为一个整体进行解算,求解子影像外方位元素中角元素;

其中,每个摄站上设置有四个相机,每个摄站同一时刻曝光四 张子影像。

在本发明实施例中,首先,采用多个摄站曝光得到相邻虚拟影 像重叠度大于80%的多张子影像,并进行多张子影像的连接点匹配; 因为采取了大量多张子影像的匹配,显然多张子影像构成的重叠区 域相对传统的四张子影像构成十字形重叠区更大,重叠度更高,这 样扩大了连接点的匹配范围,并可以匹配出大量分布均匀的连接点; 然后利用地面检校场的控制点,计算子相机的摄影中心距离及子相 机线元素;当然,获取摄影中心距离及子相机间的线元素等数据是 实现检校方法的第一个关键步骤。经过上述预处理操作,可以为建 立数学模型提供数据基础;

然后,在进行空中三角测量时,进行光束法区域网平差,根据 控制点坐标、匹配后的子影像间的连接点,以及各子影像的外方位 元素初值和共线方程建立模型,将子相机的摄影中心距离作为已知 值,即将所述子相机线元素常量作为约束条件,将平台检校参数作 为一个整体进行解算,求解子影像外方位元素中角元素;这时需要 计算的未知数是子相机的安装角度,也就是子影像外方位元素中的 角元素(即将确定子相机线元素常量作为约束条件,求解子影像外 方位元素中角元素)。这样,根据3个从相机的角元素(修正量)来 调整各个相机到虚拟面的旋转角,使得4个子影像到虚拟影像的旋 转角度对称,进而完成检校操作,这样求解的各像片的外方位元素 更加准确,检校更符合相机安置的实际情况。

因此,由于增加了子相机线元素作为限制条件直接计算子影像 的外方位元素,以此推算出的平台检校参数更加精确,能真实反映 子相机间的实际位置关系,进而保障生成的虚拟影像拼接精度更高, 测图精度更高。

同时,本发明实施例提供的带约束条件的多面阵航摄仪平台检 校方法对检校场范围要求较小,可在地面检校场进行,减少了飞行 检校所需的成本。

下面对本发明实施例在具体实施时的上述各步骤进行详细说 明:

进一步地,在步骤100之前(即所述采用交叉飞行多个摄站曝 光得到相邻虚拟影像重叠度大于80%的多组子影像,并进行多张子 影像的连接点匹配之前),还包括如下步骤:

步骤R100、将每个摄站上设置的四个子相机采用高强度支架紧 固在平台上,四个子相机间的距离固定,将四个子相机作为一个整 体。

较佳地,在步骤S200中,所述利用地面检校场的控制点,计 算子相机的摄影中心距离及子相机线元素,包括如下步骤:

步骤S201、利用地面检校场的控制点,通过空间后方交会方法 计算得出子相机的摄影中心距离及子相机间的线元素平均值;

步骤S202、将多次计算的子相机间的线元素平均值作为子相机 线元素。

光束法区域网平差以一幅航摄图像的光线束作为平差单元的区 域网空中三角测量方法;空中三角测量利用航摄像片与所摄目标之 间的空间几何关系,根据少量像片控制点,计算待求点的像片外方 位元素;

需要说明的是:获取摄影中心距离及子相机间的线元素等数据 是实现检校方法的第一个关键步骤。经过上述预处理操作,可以为 后续光束法平差及建立数学模型提供数据基础。

需要说明的是:由于子相机安装到平台时采用高强度支架紧固, 子相机间的距离几乎不会发生变化,可以看作一个整体,参见图2。 子相机的摄影中心距离可以利用地面检校场的控制点,通过空间后 方交会方法计算得出。

通过地面检校场后方交会计算子相机的外方位元素时,会出现 角元素解不够稳定的现象,直接生成的拼接影像中能发现影像的接 缝。但由于地面控制点距离摄站的距离仅约40m,相对于空中摄影 700m的航高而言,同一摄站子相机间的地面摄影基高比变为空中摄 影的约17.5倍。从实验数据中分析,子相机间的线元素差异趋于相 对稳定,且接近设计值,取多次测量的平均值作为子相机线元素。

由于空三解算时线元素与角元素存在相关性,线元素的微小偏 差可以通过角元素进行补偿,综合考虑相机的物理结构,可以将子 相机的摄影中心距离作为已知值,将平台检校参数作为一个整体进 行解算,更符合相机安置的实际情况。这时需要计算的未知数是子 相机的安装角度,也就是子影像外方位元素中的角元素。

具体地,如图3所示,根据相机安置的物理结构,过四个子影 像的摄影中心拟合一个平面M(参见图3),四个摄影中心的重心O 可作为虚拟影像的摄影中心,由于相机摄影中心位置相对稳定,以 过O点平行于S1S3连线方向作为Y轴,以过O点平行于S4S3连 线方向作为X轴,建立空间直角坐标系O-XYZ(即右手坐标系 O-XYZ),O-XYZ是一个建立四个子相机摄影中心线元素关系的一 个辅助坐标系。四个摄影中心在O-XYZ中的平面坐标为已知值 (Dai,Dbi)。

摄影时4台子相机同步曝光,且摄影中心间距很小,可以认为 四个摄影中心在O-XYZ中的Z坐标相等。实际上,由于机械安装 及硬件自身结构的影响,子相机的摄影中心到平面M存在最大不超 过10mm的距离。将倾斜影像纠正为水平影像,理论上不会产生纠 正误差。

下面以水平影像为例,来分析摄影中心Z方向取近似值带来的 影响。

举例说明,如图4所示,相机焦距为f,航高为H,摄影中心 为S,A为地面点。长度为P的地面线段MA在像平面的投影长度 为l1,当S沿竖直方向平移dS至S’时,地面线MA在像平面的投 影长度变为l2,可以计算dS引起的像点误差dlV

l1=PfH---(1)

l2=PfH+dS---(2)

dlV=l1-l2=PfdSH+dS---(3)

P为A点到摄影中心在地面投影M的距离,四拼相机视场角约 为96°*74°,则沿长边方向P的最大值为1.11H,沿宽边方向P的最 大值为0.75H。

当f=47mm,H=700m时,摄影中心竖直方向10mm的误差在 长边方向引起的像点误差约为0.52um,在宽边方向引起的像点误差 约为0.35um,四角的像点误差最大值约为0.63um,即最大像点误 差不足0.1个像素,且越靠近影像中心这个值越小。因此,子相机 摄影中心到M的偏差对拼接影像的结果影响非常小,可以忽略不 计,可以认为四个摄影中心在O-XYZ中的Z坐标相等,即 Dz1=Dz2=Dz3=Dz4=0。

所以通过上述分析可知,子相机摄影中心到M的偏差对拼接影 像的结果影响非常小。因此,将子相机的摄影中心距离作为已知值, 虽然存在偏差,但是该偏差对拼接影像的结果影响非常小,可以忽 略不计,这样将平台检校参数作为一个整体进行解算,精度会更高。

具体各个步骤如下:

较佳地,在步骤S300中,所述在进行空中三角测量时,进行 光束法区域网平差,根据控制点坐标、匹配后的子影像间的连接点, 以及各子影像的外方位元素初值通过共线方程建立模型,将子相机 的摄影中心距离作为已知值,即将所述子相机线元素常量作为约束 条件,将平台检校参数作为一个整体进行解算,求解子影像外方位 元素中角元素,包括如下步骤:

步骤S301、根据相机安置的物理结构,过四个子影像的摄影中 心拟合一个平面M,四个摄影中心的重心O可作为虚拟影像的摄影 中心,相机摄影中心位置相对稳定,以过O点平行于S1S3连线方 向作为Y轴,建立右手坐标系O-XYZ,O-XYZ是一个建立四个子 相机摄影中心线元素关系的一个辅助坐标系(参见图3);

四个子相机摄影中心在O-XYZ中的平面坐标为(Dai,Dbi,0),其 中Dai,Dbi为已知值,设子影像在虚拟影像坐标系中的旋转角为 其中为已知值,则子相机的摄影中心坐标 (Xsc,Ysc,Zsc)为:

XscYscZsc=RDaiDbi0+XsYsZs

其中:

Rω=1000cosω-sinω0sinωcosω,Rκ=cosκ-sinκ0sinκcosκ0001

其中:R为旋转矩阵,为虚拟影像的角元素, (XS,YS,ZS)为虚拟影像摄影中心线元素;

步骤S302、建立共线方程的数学模型;其中,子影像对应的旋 转矩阵为Rc=R*Ri

Rωi=1000cosωi-sinωi0sinωicosωi,Rκi=cosκi-sinκi0sinκicosκi0001

取值Rc=a1a2a3b1b2b3c1c2c3,则共线方程为:

x=-fa1(X-Xsc)+b1(Y-Ysc)+c1(Z-Zsc)a3(X-Xsc)+b3(Y-Ysc)+c3(Z-Zsc)y=-fa2(X-Xsc)+b2(Y-Ysc)+c2(Z-Zsc)a3(X-Xsc)+b3(Y-Ysc)+c3(Z-Zsc)

步骤S303、将Xsc,Ysc,Zsc用XS,YS,ZS的函数表示,对上式线性化 后得出误差方程式为:

其中,上式中各系数分别对应为:

步骤S304、对于1号相机为已知,相应的角元素偏导 项为零,用矩阵符号表示的误差方程式为:

v=At+Bu+Cs-l

其中:

A=a11a12a13a14a15a16a21a22a23a24a25a26

B=-a11-a12-a13-a21-a22-a23

C=0,为1号子相机相对虚拟影像的旋转角初始值;

C=a17a18a19000000a27a28a29000000,为2号子相机相对虚拟影像的 旋转角初始值;

C=000a110a111a112000000a210a211a212000,为3号子相机相对虚拟影像 的旋转角初始值;

C=000000a113a114a115000000a213a214a215,为4号子相机相对虚拟影像 的旋转角初始值;

u=ΔXΔYΔZT

l=lxlyT

v=vxvyT

步骤S305、对于控制点,对应的ΔXΔYΔZ项为零;每组四个子 影像对应一组系数矩阵A和未知数t,每个物方点对应一组u,每个 子相机对应一组

将虚拟影像外方位元素A、物方点坐标B、子相机相对虚拟影 像的旋转角C参数的初始值、以及每个观测点的像点坐标(xi,yi)代入 所述误差方程迭代计算,直到计算结果收敛到阈值;

在解算后根据2、3、4号子相机旋转角度的修正值调整1号子 相机至虚拟面的旋转角,以使得虚拟影像与4个子影像的旋转角度 对称;

其中:矩阵s中有9个未知数;在矩阵s中Δω2Δκ2为2 号子相机相对虚拟相机角元素的修正值;Δω3Δκ3为3号子相 机相对虚拟相机角元素的修正值;Δω4Δκ4为4号子相机相对 虚拟相机角元素的修正值。

需要说明的是:若设有m组虚拟影像,n个观测点,p个物方 点,q个控制点,则根据观测值可以列出2n个方程,其中有 6m+3(p-q)+9个未知数,相对于传统的光束法平差增加了9个平台 检校参数未知数,且在共线方程中引入了子相机的线元素常量和1 号相机到虚拟影像的角元素常量作为约束条件,这样解出的平台检 校参数更符合子相机安装的实际情况;

从以上的分析可以看出,这里的约束条件并不直接表现为增加 条件方程,而是表现为已知量的代入,以及共线方程线性化中偏导 系数的变化。

需要说明的是:共线方程(即物点、像点与摄影中心位于一条 直线上)是整个建模的关键;

进一步地,在步骤S300之后(即所述求解子影像外方位元素 中角元素之后),还包括如下步骤:

步骤S400、选择47mm作为虚拟影像的焦距;

步骤S500、将平行于M并通过虚拟影像摄影中心所建立的坐 标系作为虚拟影像的像空间辅助坐标系;

步骤S600、计算四个子相机的角元素时,选择一个子相机作为 主相机,选择其它子相机作为从相机,分别计算从相机到所述主相 机的旋转角度;

步骤S700、选择主相机为基准确定虚拟面的旋转角,并确定和 调整子影像到虚拟面的旋转关系。

较佳地,在步骤S600中,所述计算四个子相机的角元素时, 选择一个子相机作为主相机,选择其它子相机作为从相机,分别计 算从相机到所述主相机的旋转角度,包括如下步骤:

步骤S601、选择1号子相机作为主相机,选择2、3、4号子相 机作为从相机,将1号子相机到虚拟面的旋转角设为一个初始的固 定值,根据角元素的传递关系,从相机相对于主相机的旋转角可以 转换为从相机相对于虚拟面的旋转角,这样待求的平台检校参数实 际为3个从相机的9个角元素。

较佳地,在步骤S700中,所述选择主相机为基准确定虚拟面 的旋转角,并确定和调整子影像到虚拟面的旋转关系,包括如下步 骤:

步骤S701、选择1号子相机作为主相机;

步骤S702、取四个子相机主光轴方向的几何平均方向作为虚拟 相机的主光轴方向,根据3个从相机的角元素修正量来调整主相机 到虚拟面的旋转角固定值,使得4个子影像到虚拟影像的旋转角度 对称。

为了避免不同子相机与M平面的夹角差异较大,引起投影到虚 拟影像后像元采样比例不平衡(图5,虚线为对称分布的子影像投影 范围,实线为不对称分布的子影像投影范围),取四个子相机主光轴 方向的几何平均作为虚拟相机的主光轴方向,计算时可以根据3个 从相机的角元素修正量来调整主相机到虚拟面的旋转角固定值,使 得4个子影像到虚拟影像的旋转角度尽可能对称。

现有技术中,由于影像地面覆盖范围大,地面检校场无法满足 该方法的要求,十字重叠区方式平台检校只能通过空中飞行获取的 数据进行,检校实验的成本较高。但是本发明实施例所提供的检校 方法对检校场范围要求较小,可在地面检校场进行,减少了飞行检 校所需的成本。

本领域技术人员应该可以理解,本发明实施例提供检校方法, 基本原理是光束法区域网空中三角测量,该方法以每张像片所组成 的一束光线作为平差计算基本单元,以共线方程作为平差的基础方 程,通过各个光束在空间的旋转和平移,使模型之间公共点的光线 实现最佳的交会,并使整个区域纳入到已知的控制点坐标系统中去。 所以要建立全区域统一的误差方程式,解求得各像片的外方位元素 和加密点的地面坐标。显然在约束了子相机线元素后,求解的各像 片的外方位元素和加密点的地面坐标更加准确,对于检校参数的精 度设计具有更重要的意义。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明, 对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在 本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等, 均应包含在本发明的保护范围之内。

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