组合宽角低空航测相机关键技术研究

近年来,摄影测量技术发展迅猛,特别是低空航空摄影平台的出现,很好地弥补了传统卫星遥感、常规航空摄影测量在时效性、灵活性方面的不足。借助低空摄影的光学优势能够获取传统航空摄影和卫星遥感无法比拟的高分辨率影像,可以实现航空摄影测量大比例尺成图的目标。符合低空航空摄影的成像系统,发展较为滞后。现有很多低空航摄影测量平台普遍搭载单个普通数码相机进行航空摄影,存在航空摄影数据采集效率低、有效数据量小、数据处理难度高以及成图精度不高等问题;再有,传统的航空摄影测量相机及国内外成熟的组合宽幅航空相机系统又缺乏进行低空航空摄影测量应用的客观基础。研究适合于低空航空摄影的成像系统对于低空航测应用发展非常关键,是解决低空航测现存问题的一个有效途径。低空航测成像系统目前最主要的问题是数据的获取效率和精度,根本原因在于相机像幅以及视场角大小的问题。解决这一问题的根本途径是研究适合于低空航空摄影的宽幅面、宽视场角相机系统。对于数字相机而言,像幅受材料以及制造工艺限制,视场角受光学镜头的光学性能限制,很难有所突破。但是数字相机影像的可拼接性提供了另外一种可能途径,即多传感器组合成像,利用多个小像幅相机构造拼接成一个近似单中心投影的宽幅面航空相机,从而提高影像像幅和视场角,达到宽幅面大视场成像的目的。本文主要研究工作如下:(1)研究了低空航空摄影的光学理论基础。系统分析了低空航空摄影光学条件,结合光度学理论详细论述了低空航空摄影光度学优势,以及单镜头成像系统低空宽视场成像的劣势,阐述了利用组合成像技术来实现低空宽角成像的必要性和可行性。系统总结了当前摄影成像相机系统的发展现状,归纳了现有组合成像系统的特点和优势,分析了利用组合成像技术来提高影像像幅和视场角数学原理。在对比分析现有组合相机几何构造、成像单元数量、拼接模型的基础上,确定了利用五个数码相机采用组合成像技术来构造组合宽角低空航测相机的研究目标。(2)研究了基于地面三维检校场的低空组合宽角相机的静态误差高精度检校方法。理论推导了低空组合宽角相机的几何成像数学模型,定义了相机之间以及虚拟影像空间坐标系统,建立了各个独立光学结构(子相机)之间,及其与虚拟影像之间的严格几何数学模型。理论分析了组合宽角相机几何成像数学模型误差,将其归纳为地面静态误差和飞行动态误差两个部分。并研究了利用地面三维检校场来实现其静态误差的几何标定。静态误差几何标定主要包括单相机几何畸变误差的高精度标定和组合相机联合空间关系标定两个内容,详细论述了其算法原理和实现过程,最后通过实验结果分析了其精度和可靠性。(3)研究了基于影像全部像元参加的低空组合宽角相机飞行动态误差自检校模型求解与全局优化方法。自检校的目的是对相机飞行过程中由于系统和环境变化等因素导致的动态误差进行补偿。首先,理论推导了本文采用的自检校联合平差数学模型,该模型顾及了飞行过程中可能导致的相机系统间的空间位置和姿态的微小变化,将这种微小变化的检测转换为重叠区影像的视差值。其次,论述了利用重叠区匹配同名点求解自检校模型参数的基本原理和方法,并结合本文组合宽角相机特点,设计了一种影像快速匹配策略,进而实现自检校模型求解;在此基础上,通过对影像匹配性能的分析,以及基于特征点匹配来求解自检校联合平差模型存在的局部最优问题,提出了一种影像重叠区全部像元参加的几何匹配方法来实现对自检校模型求解的全局优化算法,对算法思想和原理以及求解过程进行了详细论述。最后通过对比实验分析了自检校模型求解的精度,验证了算法的有效性。(4)研究了宽角相机与稳定平台的集成。分析了稳定成像对于低空航空摄影成像质量和数据处理精度的影响,指出稳定成像对于组合宽角低空航测相机的重要意义。首先,理论分析了低空飞行平台的不稳定对于低空航空影像光学和几何性能的影响,以及飞行平台不稳定导致的影像质量下降、数据处理难度增大、处理精度降低等问题;其次,介绍了一种适用于无人飞艇等飞行器的三轴稳定平台结构及其控制原理,并通过对比试验来分析稳定成像对于低空航测精度的影响,指出了低空稳定成像对于低空组合宽角相机系统数据获取和处理的重要意义。(5)通过具体的航空摄影工程实例阐述了利用低空组合宽角相机进行航空摄影作业的数据处理实际流程,并分析了不同类型地形数据自检校拼接的精度分布,展示了其相关数据产品成果情况,结合影像空三处理结果分析了其精度。实验结果反映了组合宽角低空航测相机的作业能力。     

机载POS的航空影像自动校正的方法与实现

针对每次航空摄影有大批量的影像需要进行几何校正处理,分析了正射纠正算法的全过程,提出利用索引矩阵来进行图像整体运算,利用航空相机的内方位元素和POS系统所提供的外方位元素,用IDL编程开发了航空影像的全自动批处理正射校正的软件,并对其处理结果与ERDAS9.1的LPS所做出来的正射影像图进行比较。     

安全壳影像几何纠正方法研究

几何纠正是从具有几何畸变的图形中消除变形的过程。利用摄影全站仪远程拍摄安全壳影像,通过图像处理的方法能自动化地检测裂缝。但由于拍摄角度、安全壳柱面起伏和相机畸变等因素,会产生倾斜、偏移、扭曲等图像变形,在用于后期图像拼接与分析处理前,必须先进行几何纠正。讨论针对安全壳影像的几何纠正方法,简述了安全壳表面空间方程的建立方法、摄影全站仪的标定方法和共线方程几何纠正方法的理论基础,并通过模拟实验验证了该方法的可行性。     

加入光学畸变差改正的二维直接线性变换方法用于建筑立面测绘的研究

普通数码相机拍摄的建筑立面图像采用二维直接线性变换方法经纠正后可作为绘制建筑立面图的底图,但其精度不高。研究在二维直接线性变换模型中加入相机光学畸变差改正以改进成像模型的严格性,进而提高结果的精度,采用的是最小二乘法求解近似的光学畸变差改正项,并通过试验得到较高几何精度的纠正影像,证明了该方法的正确性。     

单视图多约束相机内参统一计算方法

相机自标定是机器视觉、摄影测量学、计算机视觉等领域的重要命题,但目前随着图像获取设备、方式等多样化等特点,使得图像之间的匹配越发困难,增加了相机标定的难度。本文提出了一种针对单视图的相机自标定方法,该方法将图像中的几何特征以及标定过程进行统一表达和计算。本文首先总结了不同的不变量对相机内参的约束情况;以互相垂直的灭点作为中间计算过程的核心,着重讨论了其他不变量向其的转化方法,使得几何特征表达统一化;以绝对二次曲线为纽带,将互相垂直的灭点约束求解;进而根据几何约束的数量求解相应的相机参数模型。本文所提出的方法无需图像之间的匹配,在约束信息充分的情况下可仅利用单幅图像进行相机标定,方法具有方便性;方法无需传统标定方法中的标定模板而选用场景中存在的对象,因此方法具有普适性,尤其适合结构化的室内外场景;方法将几何特征的和标定过程进行统一描述和计算,因此方法还具有统一性。室内外场景的测试表明本文方法具有可用性。, 相机自标定是机器视觉、摄影测量学、计算机视觉等领域的重要命题,但目前随着图像获取设备、方式等多样化等特点,使得图像之间的匹配越发困难,增加了相机标定的难度。本文提出了一种针对单视图的相机自标定方法,该方法将图像中的几何特征以及标定过程进行统一表达和计算。本文首先总结了不同的不变量对相机内参的约束情况;以互相垂直的灭点作为中间计算过程的核心,着重讨论了其他不变量向其的转化方法,使得几何特征表达统一化;以绝对二次曲线为纽带,将互相垂直的灭点约束求解;进而根据几何约束的数量求解相应的相机参数模型。本文所提出的方法无需图像之间的匹配,在约束信息充分的情况下可仅利用单幅图像进行相机标定,方法具有方便性;方法无需传统标定方法中的标定模板而选用场景中存在的对象,因此方法具有普适性,尤其适合结构化的室内外场景;方法将几何特征的和标定过程进行统一描述和计算,因此方法还具有统一性。室内外场景的测试表明本文方法具有可用性。     

CE-1立体相机成像几何模型研究

传感器成像几何模型是摄影测量数据处理的关键问题.本文分析了CE-1立体相机成像几何原理、阐述了立体相机内定向以及根据探月卫星辅助数据计算外定向参数的原理和方法;提出一种快速反投影变换算法,建立了 CE-1立体相机成像几何模型.通过对CE-1三线阵影像、激光高度计数据的配准买验,验证了本文的有效性本文立体相机成像几何模型...     

基于多片空间后方交会的4波段CCD相机检校

航空摄影测量以及无人机摄影等高空摄影作业对CCD相机的各种几何光学参数有很高的要求,参数的一个毫米或者一个像元的误差往往会导致地面数米甚至数十米的误差,因此相机参数的高精度检校是航空摄影测量数据几何处理的关键步骤.使用直接线性变换(DLT)、单片空间后方交会以及多片空间后方交会的方法对成像仪进行检校,并进行比较分析得出...     

基本矩阵约束下的摄像机畸变校正及像主点确定

针对视觉测量系统中畸变校正过程烦琐、计算复杂等问题,提出了一种基于基本矩阵约束的镜头畸变自动校正及像主点坐标确定方法。基于对极几何的基本矩阵和一阶径向畸变模型构建了两视图同名点约束方程;为解决待求参数过多导致解不稳定的问题,采用分步求解策略分别求解基本矩阵及畸变参数和主点坐标,用RANSAC稳健估计方法求取基本矩阵,用迭代最小二乘优化求解畸变参数和主点坐标,两步交替进行。提出的算法仅使用两张图像即可获取径向畸变参数及主点坐标,可操作性强,且对噪声具有一定的鲁棒性,适用于自然场景图像的校正。     

机载SAR图像的快速几何纠正算法及应用

选择了一种形式较为简单、适应性较好的数学模型作为ＳＡＲ 成像的构像模型,在此基础上提出了因快速纠正要求ＳＡＲ 成像系统在成像过程中应提供的设计参数和动态参数, 阐述了在数字地面模型支持下的ＳＡＲ 图像快速几何纠正的原理和方法, 并展望了机载ＳＡＲ 图像的快速纠正在灾害监测中的应用前景。     

多功能摄影装置在摄影测量模拟实验室中的应用

摄影测量模拟实验室可以实现从数据获取到成果输出的全过程摄影测量模拟。为了解决单相机摄影装置只能拍摄沙盘正射影像的缺陷,对摄影装置进行优化设计,使实验室可以同时搭载单相机、五镜头倾斜相机和云台相机3种摄影装置;可以模拟航空摄影测量和倾斜摄影测量,能够拍摄具有不同姿态角的沙盘影像。对沙盘影像进行空中三角测量,精度满足摄影测量规范。将沙盘正射影像空三结果导入JX-4G中进行数字摄影测量,可以得到沙盘模型的"4D"产品;将沙盘倾斜影像导入Smart3D中进行三维模型重建,可以得到沙盘的三维模型。     

一种基于网格的数码相机数字化图像纠正拼接算法

随着数码相机的不断普及和数字化图书馆建设步伐的加快,利用数码相机对文档文件进行数字化成为一种趋势,但采用数码相机进行数字化时,由数码相机的镜头造成的几何畸变给数字化后的图像拼接带来一定的困难。为了纠正这种几何畸变,提高数码相机数字化的质量,本文提出一种基于网格的图像纠正拼接算法。该算法首先通过计算每个网格的变形参数来纠正图像的几何畸变,再逐个网格来进行图像拼接。试验表明,该算法能对数码相机数字化的文档类图像进行批量的纠正拼接,并且计算速度快,精度高,拼接效果好等优点,为文档类文件用数码相机进行数字化提供了一定的技术支持。     

基于SVD算法的RPC纠正

在高分辨率遥感卫星影像RPC模型纠正过程中,有理函数参数的解算是问题的关键,为了克服该算法的误差方程经法化后存在严重病态的问题,提出了SVD算法,即奇异值分解法。根据精度评定的计算结果看到,SVD对处理奇异或者近似奇异的方程组或矩阵都非常有效,保证RPC纠正精度。     

一种非共线TDI CCD成像数据内视场拼接方法

星载非共线TDI CCD成像数据的高质量内视场拼接是保证影像后续处理和应用的基础。本文提出了一种非共线TDI CCD成像数据内视场拼接方法,该方法基于物方投影面和相机的传感器几何模型,建立了从拼接影像像点到原始影像像点的坐标转换关系,进而采用间接法影像纠正的方式对原始影像进行重采样生成拼接影像。本文在描述非共线TDI CCD严格成像几何模型之后,详细叙述了方法的基本原理、潜在的误差来源以及方法的实现流程,并通过ZY-1 02C卫星的高分辨率（HR）相机成像数据进行了试验验证,对拼接精度的分析与评价证明了方法的可行性。     

A robust linear least-squares estimation of camera exterior orientation using multiple geometric features

For photogrammetric applications, solutions to camera exterior orientation problem can be classified into linear (direct) and non-linear. Direct solutions are important because of their computational efficiency. Existing linear solutions suffer from lack of robustness and accuracy partially due to the fact that the majority of the methods utilize only one type of geometric entity and their frameworks do not allow simultaneous use of different types of features. Furthermore, the orthonormality constraints are weakly enforced or not enforced at all. We have developed a new analytic linear least-squares framework for determining camera exterior orientation from the simultaneous use of multiple types of geometric features. The technique utilizes 2D/3D correspondences between points, lines, and ellipse–circle pairs. The redundancy provided by different geometric features improves the robustness and accuracy of the least-squares solution. A novel way of approximately imposing orthonormality constraints on the sought rotation matrix within the linear framework is presented. Results from experimental evaluation of the new technique using both synthetic data and real images reveal its improved robustness and accuracy over existing direct methods.     

基于非线性高斯-赫尔默特模型的结构总体最小二乘法

变量误差（error-in-variables，EIV）模型的系数矩阵存在结构特征的情况，并且这种结构特征可以扩展到观测向量中。首先采用变量投影法将系数矩阵的增广矩阵展开成仿射矩阵形式，提取系数矩阵和观测向量中的随机量，并将EIV模型表示为非线性高斯-赫尔默特模型，然后利用非线性最小二乘原理推导了一种结构总体最小二乘法。该算法统一了普通的结构总体最小二乘法、结构数据最小二乘法以及最小二乘法。将该算法应用到真实算例和模拟算例中，两个算例结果表明，该算法与已有能够解决EIV模型结构特征的结构或加权总体最小二乘法估计结果一致，验证了该算法的有效性。同时，该算法对结构特征的提取方式简单、规律性强且易于编程实现；且在算法设计中，把结构总体最小二乘问题转换为附有参数的条件平差问题，即将其纳入到最小二乘平差理论体系，便于其扩展应用。同时对平面拟合问题的误差估计特性进行了定性分析，由分析可知参数的相对大小对估计误差的一致性有直接影响，这说明EIV模型下系数矩阵和观测向量中随机量的估计误差与真误差的一致性关系相对复杂。     

全部像元参加的影像几何匹配算法

影像几何匹配之目的是从确定对应的影像中提取其间的几何转换参数,在摄影测量测图、变形物面监测和飞行平台动态性能分析等方面有许多实用需求。不同于普遍悉知的特征点影像匹配算法,本文研究的算法是把对应影像内的全部像元素参加匹配运算,从而按最小二乘准则求解对应影像间的几何转换参数值。文中阐述了算法原理,包括灰度对应方程、信息量不等式及最小二乘求解方法,尤其是详细探讨了灰度信息的小波分析及由信噪比计算信息量的方法。为验证本文的理论和方法,采用了直升机载视频相机的序列影像进行了试验,给出了相对定向元素和视差格网的两种解算结果。最后给出了本文方法与传统特征点匹配方法可利用信息量不等式进行对比分析的结论。     

减少有理函数模型中高次项的初步研究

本文简要介绍了有理函数模型(RFM)的原理与方法,给出了利用地面控制点分别针对单片和立体影像的RFM系统误差改正方法。在实际应用中,虽然全三次项形式的RFM可以保证高精度,但是其计算量非常庞大,为此,我们探讨了减少RFM中高次项的可行性,并研究了其在立体模型重构与正射影像纠正中对精度的影响。最后,使用中国西藏、北京和芬兰的三个IKONOS影像立体像对数据进行了相关试验,结果表明,在一定影像范围内,RFM和地形无关,不论是平原、丘陵,还是高山地,在一定影像范围内仅使用RFM的二次项形式可以满足单片正射影像纠正和立体模型重构等应用要求。     

INS／DGPS支持的机载线阵推扫影像几何校正

论述了利用INS／DGPS系统的导航输出计算外方位元素的原理，介绍了行方位数据支持下机载线阵CCD影像直接和间接法几何校正的基本方法，重点分析并解决了直接法纠正中的目标定位、灰度重采样及间接法校正中最佳扫描行的确定问题。PHI高光谱影像的实验结果表明，文中的校正算法可达到优于1．5m的绝对定位精度及0．7m的相对精度。     

关于新一代激光雷达系统

激光雷达系统配备有当今世界上最高分辨率的彩色数码相机和多光谱航拍相机。它同时集常用测量装置和全球定位装置于一身 ,当飞机机载该装置飞越地球表面时 ,它们能在获取所需图像及数据的同时 ,计算出传感器的精确位置和取向 ,给出数字高程图 (DEM)及全数码彩色影像。数码相机的底部配备着一个超大像幅的CCD传感器。该激光雷达系统还配置有一个高分辨率多光谱成形相机 ,因此多谱段像素直接与XYZ坐标值相对应 ,得以自动清晰地区分道路、建筑、树林、河流和其他地貌     

国产推扫式测图卫星影像几何精度评估模型

系统全面地分析并论证了国产推扫式测图卫星影像的几何精度,对卫星测图应用以及后续测绘卫星设计等都具有积极意义。从测图卫星几何成像机理出发,较为系统地分析了卫星成像过程中的轨道误差、姿态误差、时间误差、相机内部误差和星载设备安装误差等对卫星影像平面和高程几何定位误差的影响状况,定量分析并推导了各类误差源对影像几何精度的影响程度,设计并提出了国产推扫式测图卫星影像几何精度评估模型和方法。采用资源三号卫星立体影像开展实验,结果表明,所提出的影像几何精度评估模型获取的理论精度与实验精度符合度较好,模型具有合理性和科学性。