宽视场遥感相机像移速度模型及补偿策略

宽视场遥感相机在轨成像期间,受地球自转、卫星颤振、姿态机动等因素影响而产生像移,导致成像质量降低。为此,提出了一种适用于宽视场遥感相机的像移速度模型,并考虑了离轴角对计算精度的影响,推导了离轴三反相机像移速度和偏流角解析式。以某卫星为例,仿真分析了3种典型成像模式下像移速度和偏流角在焦面的分布情况,仿真结果与定性分析结果一致,验证了像移速度模型的正确性。在此基础上,针对侧摆兼具俯仰成像模式,提出了相应的像移补偿策略。补偿效果表明,卫星侧摆35°兼具俯仰35°成像时,采用全局优化偏流角匹配策略能保证整个焦面区域的调制传递函数（modulation transfer function,MTF）均大于0.95（16级）;采用局部优化偏流角匹配策略能保证焦面重点观测目标的MTF大于0.95（96级）;采用提出的像移速度匹配策略在分11组调节行周期情况下,能保证整个焦面区域的MTF均大于0.95（16级）。仿真结果表明,提出的像移补偿策略能有效解决侧摆兼具俯仰成像时的像质下降问题,可为宽视场遥感相机像移补偿提供可靠依据。     

高程对TDICCD相机像移补偿影响分析

高分辨率遥感卫星中常使用TDICCD(时间延迟积分CCD)相机,为获取高质量遥感影像,在相机成像过程中须采用像移补偿技术,而目前大部分像移补偿忽略了高程的影响。基于参考椭球面下成像矢量模型,建立考虑高程的成像矢量模型及解算方法流程,精确地计算相机成像时像点对应地面成像点的坐标及像移补偿参数。根据计算结果,分析高程对像移补偿参数的影响,在此基础上,综合考虑像移补偿参数精度对高程误差的要求、星上存储空间及高程查询速度,讨论星载数字高程模型(DEM)的生成,为星载DEM的使用及TDICCD相机高精度像移补偿提供理论基础和实验分析。     

TDI CCD相机动态成像对几何质量的影响研究

本文通过影像模拟的方法分析动态积分成像对空间TDI CCD相机成像几何质量的影响。首先对卫星固有推扫速度、像移速度与电荷转移速度失配、卫星三轴姿态运动及偏流角误差等4种动态成像因素进行了介绍,建立了4种因素的数学模型;在此基础上提出了空间TDI CCD相机成像模拟方法;最后提出统计单级静态影像和多级动态合成影像配准误差的分布特点评价与4种因素有关的内部几何质量,统计低阶多项式拟合的姿态曲线与实际姿态曲线条件下地面点像方误差的分布特点评价外部几何质量。     

关于数字航测相机像移补偿问题

航测相机像移补偿有两种方法 :一是在相机的焦平面上 ,使感光平面沿飞行方向 ,在曝光瞬间作一微小位移 ,以改正因摄影平台相对于被摄目标的运动引起的像点位移 ;二是在曝光瞬间 ,使相机作一微小的俯仰角旋转 ,以改正因摄影平台相对于被摄目标的运动引起的像点位移。前者简称为焦平面平移改正法 ,后者可称为俯仰旋转改正法。本文中研究了这两种像移补偿方法的差异和所能达到的精度水平及其适用范围     

移轴原理的数字相机检校

移轴相机由于其垂视摄影且视场可扩展的优势,已逐步开始应用于航空大面阵多相机系统中。针对当前航空移轴大面阵多相机系统未检校或由于检校精度不高导致几何精度较低的问题,提出了一种针对移轴成像的数字相机几何检校方法。该方法建立了移轴影像像平面坐标系到基准像平面坐标系的转换关系,并以此为基础构建移轴相机几何检校模型。本文以典型的单反移轴相机为例,利用室内三维检校场数据进行了实验验证与分析。结果表明,利用该方法对移轴相机进行检校是可靠的,并达到了较高的精度。     

利用嫦娥一号CCD相机邻轨下视影像生成月面DEM

嫦娥一号电荷耦合元件(charge coupled device,CCD)相机同轨前后视影像组成的立体像对的基高比较大,立体像对在撞击坑边缘、山脉等地形起伏区域存在较大的遮挡和变形,影响了DEM的精度。为弥补这一不足,根据嫦娥一号CCD相机邻轨下视短基线立体像对成像模型,本文提出了一种自适应窗口归一化互相关(normalized cross correlation,NCC)-相位相关(phase-only correlation,POC)视差估计的DEM生成方法。首先,根据影像纹理特征计算各像素点对应的自适应窗口大小,通过NCC方法估计立体像对左右片对应窗口的整数像素位移;然后,用POC方法估计亚像素位移;最后,将窗口的总位移作为窗口中心像素点的视差,依次计算所有像素点的视差,得到立体像对稠密亚像素视差图。模拟实验结果表明,本文方法视差估计精度可达±0.075像素,利用空间分辨率为120m的嫦娥一号CCD邻轨下视影像生成的月面DEM与LOLA 30m平面分辨率的DEM基本一致。     

大比例尺航空摄影影像位移量的控制

阐述了影像位移量的概念 ,列出了不同比例尺 ,不同飞行速度 ,利用不带像移补偿的相机 ,控制影像位移量的指标和方法 ,为相关人员提供依据。     

大比例尺航空摄影影像位移量的控制

阐述了影像位移量的概念，列出了不同比例尺，不同飞行速度，利用不带像移补偿的相机，控制影像位移量的指标和方法，为相关人员提供依据。     

柱面全景图像拼接方法的仿真分析

随着虚拟现实(VR)技术的兴起,全景图像得到了更为广泛的应用,目前多通过求解单应矩阵对图像进行变换,由多相机拼接获取全景图像,但该方法会破坏成像中的共线条件,使拼接后的全景图像难以精确进行摄影测量中的三维重建等工作。本文提出了一种柱面全景图像拼接方法并对其进行仿真分析,该方法基于摄影测量共线方程,设定拼接相机的数目、成像焦距、成像位置和成像姿态,模拟多拼相机的成图过程,构建从三维点云到二维图像的柱面成像方程,通过成像方程不仅可以实现各图像的全景拼接,而且可对影响全景图像拼接精度的各参数进行定量分析,试验结果表明:1本文提出的柱面成像方程和全景拼接方法可用于不同数目相机及倾斜成像下的全景拼接;2利用成像方程推导的误差方程可知,全景图像拼接的精度受焦距误差、中心误差和旋角误差的影响,其中,焦距误差可通过图像重采样的方法校正,中心误差与摄影物距密切相关,而旋角误差主要受拼接相机数目的影响。     

星载相机轨道末期成像模型及图像复原算法

通过对光学卫星轨道末期成像面临的像移失配的研究,从能量的观点出发建立了TDI CCD (时间延迟积分电荷耦合器件)推扫成像通用模型(GMPI),基于该模型提出了一种像移失配工况下的非常规遥感成像方式,引入了信号滤波器的表示方法,将GMPI模型简化成为易于计算的TDI CCD推扫成像滤波器模型（FMPI）,对轨道末期遥感图像混叠效应进行了定量分析,并给出了基于成像机理及成像参数的图像恢复处理方法。通过实际成像实验获取了像移速度失配下的图像并通过图像恢复算法进行处理,得到了比半盲式复原算法更好的图像恢复效果。     

单镜头多面阵CCD相机影像拼接算法

根据内视场拼接相机的构像原理,提出了一种单镜头多面阵CCD相机影像拼接处理的基本流程和方法。该方法涵盖了成像过程的影响,包括子影像相对位置自动确定、等效焦面影像拼合、数字像差检测和无畸变中心投影影像生成等技术环节。特别是建立了内视场拼接型数字航测相机几何特性描述模型,在包含了传统航测相机像差所顾及的焦距、主点坐标和物镜光学畸变等要素的基础上,扩展考虑了多面阵CCD不平行性误差和安装误差两项影响。试验结果表明,影像量测精度从1.5像元提高到0.3像元,系统误差降低了78%,验证了相关技术方法的有效性。     

组合式全景相机成像模型的标定与分析

在移动测量系统的传感器标定时,精确解算全景相机的外方位元素是一个重要环节。针对使用全景相片来解算全景相机外方位元素的问题,介绍了理想全景相机成像模型和严格全景相机成像模型的原理。为了对这两种模型进行评价,设计了室内、室外两种情况下的两次基于全景相片的空间后方交会实验,使用最小二乘法解算了两种模型全景球坐标系的外方位元素。对两种相机成像模型解算的外方位元素进行精度比较。结果表明,理想全景相机成像模型存在系统误差,但在物距较大时,其对测量精度影响较小;而严格全景相机成像模型对系统误差进行处理,其模型更优。本结论对使用全景相片进行摄影测量计算有一定参考意义。     

航空遥感平台通用物理模型及可变基高比系统精度评价

精度是高分辨率遥感和摄影测量的关键。影响精度的因素分为：成像系统误差和数据处理误差。航空平台系统误差较为复杂,因此本文聚焦航空成像系统设计方法,以降低航空成像系统误差为目标,从源头上为数据处理精度提供保障。目前航空数字成像系统种类繁多,但缺乏统一物理模型,使得航空相机系统采用人工拼接为多刚体（多相机）,结构复杂、体积大、成本高、精度难以刻画,容易受到震动和温度等因素影响,成像系统装机实用精度只能达到毫米量级。为此,本文构建航空遥感平台通用物理模型,由此归纳出现有航摄相机的四类对偶技术特征：一次-二次成像、外拼接-内拼接、单基线-多基线、非严格-严格中心投影;以此建立可变基高比时空模型,从而实现数字航摄相机内部光学机械参数与地表高程精度的表达,实现地表高程精度-光机参数贯通;进一步设计二次成像数字航摄相机原型系统及宽波段临边成像光谱仪,为目前多刚体拼接的一次成像航摄相机构建向精密光机单刚体、折反式同光路构建提供原型依据,为数字航摄系统构建和工业化奠定理论基础和原型实例参考。     

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。     

分通道影像配准误差分析

为了保证CCD航测相机高几何分辨率和彩色成像两大特性,设计了一种“3 1”CCD航测相机成像模型,即采用3个独立光学系统的面阵CCD记录R、G、B分波段影像,和1路光学系统的单个大面阵CCD记录全色波段影像,重点分析了这种成像模型在同一曝光时刻所得的R、G、B分通道影像之间同名像点相对移位误差及对后续影像处理的影响,得到了一些有益的结论。     

增强现实系统中虚拟与现实信息空间视觉匹配的算法研究

本文在对相机成像原理研究的基础上,通过一台数码相机从不同方向拍摄的两幅或两幅以上二维图像,实现实际空间坐标和数码相机像平面坐标的透视变换,建立现实空间坐标系与像素坐标系之间的变换关系,并推导出通过相机校准来确定相机参数的数学过程。通过这个算法可以解决虚实的视觉匹配问题,为增强现实系统提供基本支持。最后还通过实验验证算法的正确性。     

一种基于智能手机成像的立体量测方法

在分析智能手机相机成像参数稳定性的基础上,介绍了一种手机成像的立体量测方法。根据大角度、大重叠度且无控制点的情况,使用相对定向的直接解法来确定手机像对的相对位置关系,通过空间前方交会解算出待定点的物方空间坐标,并利用光束法平差来优化立体量测结果;同时,利用室内检校场控制点的坐标真值,验证了手机的测量精度,表明了智能手机相机可以用于近景摄影测量工作。     

分通道影像配准误差分析

为了保证CCD航测相机高几何分辨率和彩色成像两大特性,设计了一种"3 1"CCD航测相机成像模型,即采用3个独立光学系统的面阵CCD记录R、G、B分波段影像,和1路光学系统的单个大面阵CCD记录全色波段影像,重点分析了这种成像模型在同一曝光时刻所得的R、G、B分通道影像之间同名像点相对移位误差及对后续影像处理的影响,得到了一些有益的结论.     

极轨星载TDI CCD相机的像移及恢复算法研究

根据TDICCD特殊的工作方式，预测了由于地球自转而引起的极轨星载TDICCD相机的特殊像移及其对图像的影响，根据TDI像移产生的机理建立了数学模型，并求出了像移恢复滤波器的数字表达式，经过计算机仿真证明图像恢复算法有效。     

航空线阵摆扫式相机严格成像模型的构建与验证

对航空线阵摆扫式相机严格成像模型进行了深入研究。在分析航空线阵摆扫式相机的结构及成像几何的基础上,建立了合理的坐标系统用于描述相机物像相对运动的光线旋转关系,构建了线阵摆扫式相机的严格成像模型;利用蒙特卡洛法对严格成像模型的各个误差进行仿真,分析了其对几何定位精度的影响;通过模拟影像数据空间后方交会试验,验证了严格成像模型的正确性。