一种基于数字基高比模型的高程精度估算方法

摘要

本发明涉及一种基于数字基高比模型的高程精度估算方法，其包括以下内容：建立一种数字航摄相机内部结构表征的数字基高比模型；基于数字基高比模型对数字航摄相机的高程精度进行估算；对数字航摄相机的水平精度进行推广映射。本发明的具体步骤包括：利用数字航摄相机获取包含n张影像的影像序列，并测量该影像序列中每相邻两张影像之间的重叠度qx；根据经典摄影测量中基高比R的计算公式，结合重叠度qx，采用空间参量方法类比建立航摄相机内部结构表征的数字基高比模型R'；根据数字航摄相机的高程精度MZ与水平精度MXY之间的关系式，计算得到数字航摄相机的高程精度MZ，进而计算得到数字航摄相机的高程精度估算值。本发明可以广泛应用于数字航摄相机中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字航摄相机的高程精度估算方法，特别是关于一种基于数字基 高比模型的高程精度估算方法。

背景技术

数字航摄相机的精度指标包括水平精度和高程精度，水平精度由航摄系统的视场 角和感光元件的像元尺寸决定，高程精度由航摄任务的基高比（即摄影基线长度与航 高之比）来衡量。在航测任务中，地面目标位置的水平精度很容易满足，而高程精度 却很难满足，例如在1：1000比例尺的航测任务中，航测规范要求地面点的水平精度 为50cm，要求高程精度为10cm～15cm。在实际航测作业过程中，只要高程精度满足要 求，水平精度一般都能够满足要求。因此，高程精度成为整个航测作业中最薄弱的环 节，要提高地面点的高程精度，就必须提高数字航摄相机的基高比。

与传统的胶片式航摄相机相比，数字航摄相机通常采用多个相机拼接的技术，使 得基高比的定义产生了新的特点。首先，数字航摄相机是由经典的单基线立体成像转 变为内视场基线、外视场基线和多度重叠基线共存的立体成像测量过程，基线的种类 更加复杂。其次，与胶片式航摄相机的基高比是一个固定值不同，数字航摄相机有多 拼接、数字化的特点，基高比成为传感器多参数的函数表达，随着技术指标的改变而 连续可调，分别通过改变二维面积、一维垂直缩放来补偿像面幅度，使得基高比立体 测量精度成为三维空间变量函数。因此，随着数字基高比模型的改变，使得现有的高 程精度估算方法不再适用于数字航摄相机。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于数字基高比模型的高程精度估算方 法，该方法能够用于估算数字航摄相机的高程精度，以解决经典摄影测量中高程精度 估算方法不适用于数字航摄相机的问题，并为数字航摄相机的设计提供理论依据。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于数字基高比模型的高程精 度估算方法，其包括以下内容：1）建立一种数字航摄相机内部结构表征的数字基高比 模型；2）基于数字基高比模型对数字航摄相机的高程精度进行估算；3）对数字航摄 相机的水平精度进行推广映射。

所述步骤1）中，采用以下步骤建立数字航摄相机内部结构表征的数字基高比模 型：①利用数字航摄相机获取包含n张影像的影像序列，并测量该影像序列中每相邻 两张影像之间的重叠度q_x；②根据经典摄影测量中基高比R的计算公式：

$R=\frac{B}{H}=\frac{(1-q_x)\times l_x}{f},$

采用空间参量方法类比建立数字航摄相机内部结构表征的数字基高比模型：

$R^{\prime }=\frac{B^{\prime }}{H}=\frac{(1-q_x)\times L_x}{f_1}=\frac{(1-q_x)\times l_x^{\prime }\times h}{f_1\times f_2},$

式中，B为胶片式航摄相机的基线长度，H为航高，f为胶片式航摄相机的焦距，l_x为 胶片的物理尺寸，B'为数字航摄相机的基线长度，f₁为前置棱镜的焦距，f₂为数字航 摄相机中后置相机的焦距，L_x是一次承影面I1的物理尺寸，l'_x为数字航摄 相机单个CCD或CMOS芯片的物理尺寸，h为数字航摄相机中合成影像对于单幅影像的 放大比例；③根据数字航摄相机内部结构表征的数字基高比模型的参数需要，测量数 字航摄相机单个CCD或CMOS芯片的物理尺寸l'_x、合成影像对于单幅影像的放大比例h、 前置棱镜的焦距f₁和数字航摄相机中后置相机的焦距f₂，并通过飞机携带的GPS定位 系统精确测量航高H；④将由步骤①得到的重叠度q_x和由步骤③得到的测量结果代入 建立的数字基高比模型中，计算得到数字航摄相机基高比R'的估算值。

所述步骤2）中，基于数字基高比模型对数字航摄相机的高程精度进行估算包括 以下步骤：①根据数字航摄相机的高程精度M_Z与水平精度M_XY之间的关系式，计算得 到数字航摄相机的高程精度M_Z；

M_Z＝M_XY/tanθ＝GSD×k/tanθ，

式中，水平精度M_XY为：M_XY＝GSD×k，k为测图作业员的像点坐标量测精度，GSD为 地面分辨率，θ为数字航摄相机在相邻两个摄站对同一地物进行观测时视线之间的夹 角；对于数字航摄相机，地面分辨率GSD为：

$\mathrm{GSD}=\frac{\delta \times H\times (f_1+f_2)}{f_1\times f_2},$

式中，δ为数字航摄相机每个CCD或CMOS探元的物理尺寸；数字航摄相机在相邻两个 摄站对同一地物进行观测时视线之间的夹角θ的正切值tanθ为：

$\tan \theta =R^{\prime }=\frac{B^{\prime }}{H}=\frac{(1-q_x)\times l_x^{\prime }\times h}{f_1\times f_2},$

将地面分辨率GSD和正切值tanθ代入高程精度M_Z与水平精度M_XY之间的关系式中， 得到数字航摄相机的高程精度M_Z为：

$M_Z=\frac{\delta \times H\times (f_1+f_2)\times k}{(1-q_x)\times l_x^{\prime }\times h};$

②根据数字航摄相机的高程精度M_Z中的参数需要，测量数字航摄相机每个CCD或CMOS 探元的物理尺寸δ，并通过多次测量像点坐标量测精度再取平均值的方法，确定测图 作业员的像点坐标量测精度k；③将数字航摄相机每个CCD或CMOS探元的物理尺寸δ、 像点坐标量测精度k以及测量得到的航高H、前置棱镜的焦距f₁、数字航摄相机中后 置相机的焦距f₂、重叠度q_x、数字航摄相机单个CCD或CMOS芯片的物理尺寸l'_x和数 字航摄相机中合成影像对于单幅影像的放大比例h代入数字航摄相机的高程精度M_Z， 计算得到数字航摄相机的高程精度估算值。

所述步骤3）中，对数字航摄相机的水平精度进行推广映射包括以下内容：将正 切值tanθ代入高程精度M_Z与水平精度M_XY之间的关系式中，得到高程精度M_Z、水平 精度M_XY和数字基高比模型R'三者之间的映射关系：

M_Z＝M_XY/R'，

根据高程精度M_Z和数字基高比模型R'，计算得到水平精度M_XY，完成对数字航摄相机 水平精度M_XY的推广映射。

数字航摄相机采用非拼接数字航摄相机、外拼接数字航摄相机和内拼接数字航摄 相机中的一种。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明根据经典摄影测量中 基高比R的计算公式，采用空间参量方法类比建立数字航摄相机内部结构表征的数字 基高比模型；根据数字航摄相机的高程精度M_Z与水平精度M_XY之间的关系式、地面分 辨率GSD以及数字航摄相机在相邻两个摄站对同一地物进行观测时视线之间的夹角θ 的正切值tanθ，计算得到数字航摄相机的高程精度M_Z的表达式，测量高程精度M_Z表 达式中各参数的值，并代入高程精度M_Z表达式中，就可以通过计算得到数字航摄相 机的高程精度的估算值。2、本发明能够解决经典摄影测量中高程精度估算方法不适用 于数字航摄相机的问题，并根据数字航摄相机的高程精度需求，设计数字航摄相机的 每个CCD或CMOS探元的物理尺寸δ、前置棱镜的焦距f₁和后置相机的焦距f₂等硬件参 数，从而为数字航摄相机的设计提供理论依据，实现高程精度需求和数字航摄相机设 计的有效适配。

附图说明

图1是本发明高程精度估算方法的流程图；

图2是利用数字航摄相机获取的影像序列示意图；

图3为数字航摄相机成像模型示意图；其中，C1和C2均表示数字航摄相机包含 的单个相机，L1表示一次成像镜头，I1表示一次承影面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明主要包括以下内容：

1）建立一种数字航摄相机内部结构表征的数字基高比模型；

2）基于数字基高比模型对数字航摄相机的高程精度进行估算；

3）对数字航摄相机的水平精度进行推广映射。

下面对本发明基于数字基高比模型的高程精度估算方法的具体步骤，进行进一步 描述。

1）建立一种数字航摄相机内部结构表征的数字基高比模型

①如图2所示，利用数字航摄相机获取包含n张影像的影像序列，并测量该影像 序列中每相邻两张影像之间的重叠度q_x。

②如图3所示，根据经典摄影测量中基高比R的计算公式：

$R=\frac{B}{H}=\frac{(1-q_x)\times l_x}{f}---\left(1\right)$

采用空间参量方法类比建立数字航摄相机内部结构表征的数字基高比模型：

$R^{\prime }=\frac{B^{\prime }}{H}=\frac{(1-q_x)\times L_x}{f_1}=\frac{(1-q_x)\times l_x^{\prime }\times h}{f_1\times f_2}---\left(2\right)$

上述各式中，B为胶片式航摄相机的基线长度，H为航高，f为胶片式航摄相机 的焦距，l_x为胶片的物理尺寸，B'为数字航摄相机的基线长度，f₁为前置棱镜的焦距， f₂为数字航摄相机中后置相机的焦距，L_x是一次承影面I1的物理尺寸，l'_x为 数字航摄相机单个CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）或CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）芯片的物理 尺寸，h为数字航摄相机中合成影像对于单幅影像的放大比例。

③根据式（2）中的参数需要，测量数字航摄相机单个CCD或CMOS芯片的物理尺 寸l'_x、数字航摄相机中合成影像对于单幅影像的放大比例h、前置棱镜的焦距f₁和数字 航摄相机中后置相机的焦距f₂，并通过飞机携带的GPS定位系统精确测量航高H。

④将由步骤①得到的重叠度q_x和由步骤③得到的测量结果代入式（2）中，计算 得到数字航摄相机基高比R'的估算值。

2）基于数字基高比模型对数字航摄相机的高程精度进行估算；

①根据数字航摄相机的高程精度M_Z与水平精度M_XY之间的关系式，计算得到数字 航摄相机的高程精度M_Z，

M_Z＝M_XY/tanθ＝GSD×k/tanθ     （3）

式中，水平精度M_XY为：M_XY＝GSD×k，k为测图作业员的像点坐标量测精度，GSD (Ground Sample Distant)为地面分辨率，θ为数字航摄相机在相邻两个摄站对同一地 物进行观测时视线之间的夹角。

对于数字航摄相机，地面分辨率GSD为：

$\mathrm{GSD}=\frac{\delta \times H\times (f_1+f_2)}{f_1\times f_2}---\left(4\right)$

式中，δ为数字航摄相机每个CCD或CMOS探元的物理尺寸。

数字航摄相机在相邻两个摄站对同一地物进行观测时视线之间的夹角θ的正切值 tanθ为：

$\tan \theta =R^{\prime }=\frac{B^{\prime }}{H}=\frac{(1-q_x)\times l_x^{\prime }\times h}{f_1\times f_2}---\left(5\right)$

将式（4）和式（5）代入式（3）中，得到数字航摄相机的高程精度M_Z为：

$M_Z=\frac{\delta \times H\times (f_1+f_2)\times k}{(1-q_x)\times l_x^{\prime }\times h}---\left(6\right)$

②根据式（6）中的参数需要，测量数字航摄相机每个CCD或CMOS探元的物理尺 寸δ，并通过多次测量像点坐标量测精度再取平均值的方法，确定测图作业员的像点 坐标量测精度k；

③将数字航摄相机每个CCD或CMOS探元的物理尺寸δ、像点坐标量测精度k以及 由步骤1）测量得到的航高H、前置棱镜的焦距f₁、数字航摄相机中后置相机的焦距f₂、 重叠度q_x、数字航摄相机单个CCD或CMOS芯片的物理尺寸l'_x和数字航摄相机中合成影 像对于单幅影像的放大比例h代入式（6），得到数字航摄相机的高程精度估算值。

根据式（6）中数字航摄相机的高程精度需求，设计数字航摄相机的每个CCD或 CMOS探元的物理尺寸δ、前置棱镜的焦距f₁和数字航摄相机中后置相机的焦距f₂等硬 件参数，从而为数字航摄相机的设计提供理论依据。

3）对数字航摄相机的水平精度进行推广映射。

将式（5）代入式（3）中，得到高程精度M_Z、水平精度M_XY和数字基高比模型R' 三者之间的映射关系，即：

M_Z＝M_XY/R'     （7）

根据高程精度M_Z和数字基高比模型R'，计算得到水平精度M_XY，完成对数字航摄 相机水平精度M_XY的推广映射。

上述实施例中，数字基高比模型是经典摄影测量中基高比的通用形式，经典摄影 测量中基高比的表达式只是数字基高比的特例：整幅影像参数不改变，因此数字基高 比是数字航摄相机和胶片式航摄相机的高程精度的统一表达，由此可以实现对两类航 摄相机的精度比较评价和性能指标的等量化相对标定。

数字航摄相机采用非拼接数字航摄相机、外拼接数字航摄相机和内拼接数字航摄 相机中的一种。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都 是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应 排除在本发明的保护范围之外。