一种利用数字基高比时间模型的高程定位精度提升方法

摘要

本发明公开了一种利用数字基高比时间模型的高程定位精度提升方法，包括：首先，利用数字基高比时间模型建立立体测图的交会影像数N与高程定位精度M

说明书

技术领域

本发明涉及摄影测量与遥感技术领域，尤其涉及一种利用数字基高比时间模型的高程定 位精度提升方法。

背景技术

航空摄影测量是指在飞机上用航摄仪器对地面连续拍摄像片，结合地面控制点测量、调 绘和立体测图等步骤，从而绘制出地形图的过程。基高比是摄影测量中的一个重要参数，定 义为摄影基线与航高之比。基高比参数越大，立体测图的高程定位精度越高。

在连续拍摄像片的步骤中，目前主要有两种方法：一种是单基线摄影测量方法，相邻两 张像片(立体像对)的重叠度设为60％左右，立体像对的基高比参数较大，因此有利于地表 三维信息的提取。然而，这种方法获取的两张影像之间存在较大的辐射和几何畸变，在地形 起伏较大的地区影像的畸变更加严重，不利于影像的自动匹配。为了解决这个问题，近年来 国内外学者提出了另一种方法，即多基线摄影测量方法。这种方法获取的立体像对具有80％ 及以上的重叠度，相邻的两幅影像摄影基线短、交会角小，可用于自动匹配，而首尾的影像 摄影基线长、交会角大，基高比参数也较大，因此能够提高立体测图的高程定位精度。然而， 大重叠度影像的获取需要飞机低速飞行、相机高速曝光，对相机硬件的要求极高，若使用普 通数码相机改造的航空摄影相机难以获得高质量的影像。因此，对飞机平台和相机硬件的严 格要求限制了该方法的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用数字基高比时间模型构建相机阵列系统，从而提高航空立 体测图高程定位精度的方法，该方法可以提高航空影像的获取效率，解决多基线摄影测量中 使用普通数码相机改造的航空摄影相机难以获取高质量、大重叠度立体像对的问题，并且本 方法可以获取多组冗余立体像对，有效提高立体测图的高程定位精度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用数字基高比时间模型的高程定位精度提升方法，包括：

1)利用数字基高比时间模型建立立体测图的交会影像数N与高程定位精度M_Z的关联模 型；

2)根据交会影像数N与高程定位精度M_Z的关联模型构建相机阵列系统；

3)将相机阵列系统搭载在飞机平台上对地面拍照，获取影像序列；

4)采用多基线影像编组方法对影像序列进行立体测图，解求地面点三维坐标。

所述步骤1)中，利用数字基高比时间模型建立立体测图的交会影像数N与高程定位精 度M_Z的关联模型，具体包括：

①经典摄影测量中基高比R的计算公式为：式中，B为摄影基线的长度，H为 航高。

在本发明中，因为B＝v·T＝v·N·t，因此，可以建立数字基高比时间模型，为了与经典 摄影测量中的基高比R区分，我们用数字基高比R'表示。

$R^{\prime }=\frac{v·T}{H}=\frac{v·N·t}{H}---\left(1\right)$

式中，H为航高，v为飞机平台的飞行速度，T表示交会影像的拍摄时间间隔，它等于交会 影像数N与相邻摄站时间间隔t的乘积。

②根据数字基高比时间模型R'和高程定位精度M_Z的关系，建立交会影像数N与高程定 位精度M_Z的关联模型。

由于M_Z＝M_XY/R'，因此将式(1)代入可得

$M_Z=\frac{M_{\mathrm{XY}}·H}{v·N·t}---\left(2\right)$

式中，M_Z为立体测图的高程值与真实值的中误差，表示立体测图的高程定位精度；M_XY为 立体测图的水平值与真实值的中误差，表示立体测图的水平定位精度，在相机的地面分辨率 确定的情况下，可以视为常数。

所述步骤2)中，根据交会影像数N与高程定位精度M_Z的关联模型构建相机阵列系统 具体包括：

①在现有的立体测图高程定位精度M_Z1基础上，设计本次立体测图的高程定位精度M_Z2， 使得M_Z2＜M_Z1；M_Z2的最小值受到客观条件的限制，一般情况下，M_Z2的取值不能小于 也就是说，当交会影像数N达到8时，即使再增加N，M_Z2也不能再减小了。

②根据航空摄影作业的M_XY、H、v和t，计算交会影像数N；

③根据交会影像数N，确定相机阵列系统所包含的相机个数为N/2；

④将N/2台相机沿直线排列并固连，形成一个相机阵列系统。每个相机的主光轴平行， 并都垂直下视。通过同步曝光控制，使得所有相机可在同一时刻获取N/2张影像。通过调整 相机镜头焦点之间的距离L，使得这N/2张影像之间具有90％及以上的重叠度q_x。其中， l_x为相机CCD航向尺寸，f为相机焦距。

所述步骤2)中，所述相机为数码相机改造的航摄相机，改造的内容包括：镜头加固、 相机内方位元素标定，所述数码相机的型号包括：佳能5D、哈苏3D、尼康D2。

所述步骤3)中，所述影像序列的组内重叠度为90％以上，组间重叠度为60％。

所述步骤3)中，将相机阵列系统搭载在飞机平台上对地面拍照，获取影像序列，具体 包括：

按照等时间间隔拍照的方案，采用相机阵列系统在第1个摄站同时获取N/2张影像，在 第2个摄站同时获取N/2张影像，……在第M个摄站同时获取N/2张影像。因此，相邻两个 摄站共获取N张影像。相邻两个摄站之间的影像重叠度设为60％。

所述步骤4)中，采用多基线影像编组方法对影像序列进行立体测图，解求地面点三维 坐标，具体包括：

①影像编组。令第1个摄站获得的N/2张影像的编号分别为：1-1、1-2……1-N/2，令第 2个摄站获得的N/2张影像的编号分别为：2-1、2-2……2-N/2。将1-1和2-1构成一组立体 像对，将1-2和2-2构成一组立体像对，……，将1-N/2和2-N/2构成一组立体像对。共获 得N/2组立体像对；

②利用立体像对计算地面点的坐标值。利用1-1和2-1构成一组立体像对，按照立体测图 的流程，先后进行空间后方交会、前方交会，获得地面点的一组坐标值(X₁，Y₁，Z₁)。按 照上述过程，分别处理1-2和2-2构成的一组立体像对，……1-N/2和2-N/2构成的一组立 体像对，共获得N/2组坐标值。

3将N/2组坐标值取平均，获得最终的地面点坐标值其中，$\bar{Y}=\underset{i=1}{\overset{N/2}{\Sigma }}{Y}_i/N/2,$$\bar{Z}=\underset{i=1}{\overset{N/2}{\Sigma }}{Z}_i/N/2.$

本发明的技术方案具有以下优点：1、由于采用相机阵列系统获取影像，因此每次拍摄得 到的影像张数可以从原来的1张增加至现在的多张，提高了影像获取的效率；2、相机阵列系 统能够便捷地获取90％重叠度及以上的立体像对，避免了常规数字航摄相机难以获取大重叠 度影像的问题；而且，使用普通数码相机改造的航空摄影相机为了获取大重叠度的影像，必 须采用高速曝光，但是高速曝光会降低影像的曝光量，降低影像质量。而采用本发明的方案 会避免上述问题；3、采用相机阵列系统获取的立体像对的数量可以从原来的1组增加至现在 的多组，冗余观测值能够提高地面点三维坐标计算的精度，尤其是高程定位精度。

附图说明

图1是本发明利用数字基高比时间模型的高程定位精度提升方法的流程图；

图2是利用相机阵列系统获取的影像序列示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明利用数字基高比时间模型的高程定位精度提升方法的流程图，如图所示， 本发明包括以下步骤：

S101、利用数字基高比时间模型建立立体测图的交会影像数N与高程定位精度M_Z的关 联模型；

①摄影测量中基高比R的计算公式为：式中，B为摄影基线的长度，H为航 高。在本发明中，因为B＝v·T＝v·N·t，因此，可以建立基高比时间模型，为了与经典摄影 测量中的基高比R区分，我们用数字基高比R'表示。

$R^{\prime }=\frac{v·T}{H}=\frac{v·N·t}{H}---\left(1\right)$

式中，H为航高，v为飞机平台的飞行速度，T表示交会影像的拍摄时间间隔，它等于交会 影像数N与相邻摄站时间间隔t的乘积。

②根据数字基高比时间模型R'和高程定位精度M_Z的关系，建立交会影像数N与高程 定位精度M_Z的关联模型。

由于M_Z＝M_XY/R'，因此将式(1)代入可得

$M_Z=\frac{M_{\mathrm{XY}}·H}{v·N·t}---\left(2\right)$

式中，M_Z为立体测图的高程值与真实值的中误差，表示立体测图的高程定位精度；M_XY为 立体测图的水平值与真实值的中误差，表示立体测图的水平定位精度，在相机的地面分辨率 确定的情况下，可以视为常数。

S102、根据交会影像数N与高程定位精度M_Z的关联模型构建相机阵列系统；

①在现有的立体测图高程定位精度M_Z1＝0.080m基础上，设计本次立体测图的高程定 位精度M_Z2＝0.070m；

②根据航空摄影作业的M_XY＝0.064m、H＝600m、v＝50m/s和t＝1.2s，计算得到 交会影像数N＝8；

③根据交会影像数8，确定相机阵列系统所包含的相机个数为4；

④将4台数字航摄相机沿直线排列并固连，形成一个相机阵列系统。每个相机的主光轴 平行，并都垂直下视。通过同步曝光控制，使得所有相机可在同一时刻获取4张影像。根据 公式又已知l_x＝36.8mm、H＝600m、f＝50mm，计算得到并调整相 机镜头焦点之间的距离L＝4.4m，使得这4张影像之间具有99％的重叠度。

上述数字航摄相机为数码相机改造的航摄相机，改造的内容包括：镜头加固、相机内方 位元素标定，常用的数码相机型号有：佳能5D、哈苏3D、尼康D2。

S103、将相机阵列系统搭载在飞机平台上对地面拍照，获取影像序列；

按照等时间间隔拍照的方案，采用相机阵列系统在第1个摄站同时获取4张影像，在第 2个摄站同时获取4张影像，……在第M个摄站同时获取4张影像。因此，相邻两个摄站共 获取8张影像。相邻两个摄站之间的影像重叠度设为60％。

S104、采用多基线影像编组方法对影像序列进行立体测图，解求地面点的三维坐标。

①影像编组。图2是利用相机阵列系统获取的影像序列示意图。如图2所示，对于第1 个摄站下方的1点P，它出现在第1个摄站的4张影像中，并出现在第2个摄站的4张影像 中，因此，令第1个摄站获得的4张影像的编号分别为：1-1、1-2、1-3、1-4，令第2个摄站 获得的4张影像的编号分别为：2-1、2-2、2-3、2-4。将1-1和2-1构成一组立体像对，将1-2 和2-2构成一组立体像对，将1-3和2-3构成一组立体像对，将1-4和2-4构成一组立体像对。 共获得4组立体像对；

②利用立体像对计算地面点的坐标值，在该实施例中共计算了22个地面点的坐标。利 用1-1和2-1构成一组立体像对，按照立体测图的流程，先后进行空间后方交会、前方交会， 获得地面点的一组坐标值(X₁，Y₁，Z₁)。按照上述过程，分别处理1-2和2-2构成的一组立 体像对，1-3和2-3构成一组立体像对，1-4和2-4构成的一组立体像对，共获得了这22个地 面点的4组坐标值。

③将N/2组坐标值取平均，获得最终的地面点P(该实施例中代表22个地面点)的坐 标值其中，$\bar{X}=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{X}_i/4,$$\bar{Y}=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{Y}_i/4,$$\bar{Z}=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{Z}_i/4.$

4组立体像对分别计算得到的22个地面点的高程值和平均后的高程值如表1所示。

表1 4组立体像对的地面点的高程值和平均后的高程值

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。