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。     

无人机载双拼相机低空航测系统技术研究

目前国内大多数无人机航测系统所采用的单相机平面精度可达到要求,但高程精度无法满足大比例尺测图要求。本文主要介绍一种无人机载双拼组合宽角相机低空航测系统,其组成结构、双拼组合宽角数码相机原理、数据处理软件,以及利用该系统进行大比例尺测图的生产流程。它与单相机系统的最大不同点是,通过双拼组合扩大了成像系统的旁向视场角,使得在等同航高条件下,航带影像地面覆盖宽度增加一倍,从而达到提高效率的目的。     

UAV低空航测技术研究

本文阐述无人飞行器(UAV)低空航测系统不同于普通航空摄影测量的技术特点,具体包括任务目标、飞行平台性能、成像传感器系统组成结构、数据处理的特殊技术等方面,尤其着重阐述了专门针对低空轻小型无人飞行器研制的具有自检校自稳定功能的组合宽角数码相机的设计原理。     

低空大比例尺地形图航测生产关键技术

针对传统航空摄影测量生产工艺在生产过程中遇到的影响大比例尺测图精度的问题,该文探讨了低空航测生产大比例尺地形图的关键技术。通过选用宽角相机、低航高飞行、强化影像匹配、野外布设标志控制点、优选平差模型、精化测图操作等改进方式,以提高大比例尺航测精度;组建无人飞艇低空航测系统,对提出的技术方法予以实现;最后给出了山西境内近30个县市建成区1∶500测绘生产实践的部分验证成果。     

无人机双拼相机低空航测系统

介绍一种新近研制成功的无人机载双拼组合相机低空航测系统,包括其组成结构、双拼组合宽角数码相机原理、数据处理软件以及利用该系统进行大比例尺测图的生产流程;最后给出示范工程的结果。理论与实践证明,对于同一架飞机、同一地点、同一航高而言,装备双拼相机比装备普通单相机,飞行效率可提高一倍。     

自稳定双拼相机影像拼接技术

介绍自稳定航测双拼数码相机,并详细论述其影像拼接的关键技术,主要包括相机检校、影像水平纠正、子影像间相对定向和虚拟影像拼接,最后对虚拟影像拼接误差进行分析。采用自稳定双拼相机进行低空摄影测量,能达到1:1 000大比例尺航测成图的精度要求。目前,该项技术已经成功应用于地形图测绘、三维建模、区域规划等实际工程项目中。     

无人飞艇低空航测系统自动建模技术研究

探讨了基于无人飞艇载四组合宽角相机低空航测系统的城市三维自动建模技术,实现了一次飞行同时获取城市建筑物4个侧面和顶面的纹理图像,依据组合宽角影像自动提取建筑物高度信息和自动选择最佳纹理图像,基本达到了城市三维建模过程的自动化,大幅度提升了城市三维建模的效率,为智慧城市建设提供了一种全新的技术途径.     

面阵数字航测相机实验室校准装置的设计与实现

随着面阵数字航测相机在航空摄影领域的广泛使用,其参数校准成为亟待解决的关键问题。本文首先阐述了精密测角法的校准原理,在此基础上设计了基于大口径长焦距平行光管、精密测角转台和亚像素目标定位算法的面阵数字航测相机校准装置;其次通过对装置的误差分析,证明了该装置精度满足测绘行业标准中对数字航测相机的校准精度的要求;最后验证了该装置对面阵数字航测相机的实验室校准是可行的。     

由小面阵CCD组合构成宽角航空相机

本文研究由多台小面阵CCD相机构建组合式宽角航空相机的新方法———包括由3台或4台相机组合构建的多相机系统结构,由其分离的各影像转换成等效大影像的数学表达;利用室外和室内近景相机检校场对组合相机系统进行高精度检校的内容、解算方法和检校结果;最后给出了以3相机组合系统装备无人驾驶飞行器(UAV II)进行低空摄影的影像成果。     

轻小型组合宽角低空相机检校技术研究

轻小型组合宽角低空相机由四个非量测的CCD面阵相机组合而成,其内方位元素未知,并且相机畸变差较大.而无人机航空摄影测量作业对CCD相机的光学畸变参数有较高的要求,因为参数的一个像素的误差常常会导致地面几米甚至数十米的误差,因此对组合相机进行高精度检校是无人机航空摄影测量作业的关键步骤.本文采用多片空间后方交会方法在室外...     

倾斜航空影像的城市建筑物三维模型构建研究

针对当前城市建筑物三维模型构建的需要,本文提出一套利用无人飞艇载四组合特宽角相机同时实现高精度空中三角测量和建筑物景观三维建模的技术路线。一方面通过基于四相机重叠影像自动匹配的自检校,达到设备轻小型化条件下的精密等效中心投影构像,用以支持高精度空中三角测量;另一方面,通过自检校的4个方向倾斜的相机,达到一次飞行同时获得四方向建筑物侧面影像的目的,为城市景观的三维表达、精细建模和可视化提供一种新的、快捷的技术方案。     

无人机大比例尺测图像控点布设方案设计

随着无人机技术的快速发展,无人机航空摄影测量的精度也大大改善,以无人机为平台低空摄影测量大比例尺地图成为可能。本文以旋翼无人机搭载非测量型相机,通过布设不同数量像控点进行分析和研究,得到无人机摄影测量在农村地区像控点布设规律。结果证明在合理像控点布设的情况下,无人机测图数字成果空中三角测量、平面和高程精度均可满足1∶500、1∶1000、1∶2000大比例尺地形测图的精度要求。     

消费级无人机在大比例尺测图中应用与精度评价

以分别搭载大视场角普通相机和鱼眼相机的消费级无人机为例,在对相机的高精度标定基础上,选取典型丘陵和山地实验区分别对两种消费级无人机大比例尺测图能力进行实验和精度评价,结果证明消费级无人机在合理的航测方式下,其测图结果的空三精度、分辨率及高程精度均可满足国家1∶500大比例尺地形测图的精度要求,可以推广应用到小范围大比例尺测图和修测任务中。     

基于大比例尺航空影像共面约束条件的相机自检校方法

提出了基于大比例尺航空影像共面约束的相机自检校方法,该方法使用所有立体像对同名点基于共面约束对相机的内方位元素及畸变系数进行解算。首先进行航空影像同名点匹配,构建立体像对;然后基于共面约束使用直接解法和迭代优化进行相对定向,解算相机位置与姿态;最后使用最小二乘优化方法解算相机内方位元素和畸变系数。对于高分辨率大尺寸航空影像,图像中心及边缘的畸变差异较大,为了进一步提高解算精度,对图像进行网格区域划分解算畸变。使用大比例尺航空影像进行解算能真实精确反映航空摄影测量时所获取图像的相机参数和畸变系数,避免检校环境与使用环境不同解算得到的相机畸变参数不能真实反映所获取影像的畸变问题;使用所有同名点解算,避免由于选择不同特征点或控制点对检校精度的影响;通过区域网格划分,进一步提高了解算精度。对检校结果进行了分析,该方法精度较高,与基于室外检校场的精度相当,能真实精确反映航空摄影测量时所获取图像的相机参数和畸变系数,提高了三维重建的精度。     

非量测CCD数码相机的航空摄影测量应用

研究非量测CCD数码相机应用于航空摄影测量的技术方法.采用基于自检校光束法平差严格标定非量测CCD数码相机;提出基于相对定向、三视张量、自由光束法平差、区域网光束法平差的空中三角测量流程.实验表明,严格标定的数码相机,可以应用于大比例尺航空摄影测量.     

近地超轻型飞机小数码航空摄影测量试验分析

数码相机应用于航空摄影测量是目前摄影测量界关注的焦点,为此在山西省稷山县用近地超轻型飞机小数码航空摄影测量系统,进行了航空摄影测量试验,试验取得的精度,满足了大比例尺成图的精度要求。本文叙述了整个实验过程,并对所取的精度进行了分析,给出了本系统的优缺点,提出克服系统缺点的方案。本系统的应用,给出了数码相机和超轻型飞机应用于航空摄影测量的方法,加快了航空摄影测量内外业一体化的进程。     

对比传统低空航测的无人机倾斜摄影测量精度评估

国内倾斜摄影测量技术目前仍处于快速发展的推广阶段,其成果精度高度依赖于航测生产全流程中各航测参数的选取,很难实现对其绝对精度的定量分析。针对这一难点,本文采用对比分析的方式,以传统低空航测为参照,在严格统一外部数据采集条件、解算参数的基础上对无人机倾斜摄影测量进行精度评估与分析,探索无人机倾斜摄影测量的突出技术优势。试验共涉及12种主流航测模式及52种地面控制点,采用递进布设方式对比分析其成果精度,并完成了倾斜摄影测量对比传统低空航测的量化分析。本文可为倾斜摄影测量精度评估提供一定的参考,具有较好的工程实践指导意义。     

无人机载多面阵组合宽角五相机影像拼接技术

近年来无人机在航空摄影测量中得到广泛应用,且多面阵宽角组合相机与单相机作业模式相比有诸多优势。针对无人机搭载的组合宽角五相机的影像处理问题,提出了实现大像幅影像拼接的方法与技术流程。通过在子影像重叠区域内建立视差方程,采用最小二乘法整体答解相对角元素修正量,最终得到精确的相对角元素值并作为影像的拼接参数,实现了多面阵组合五相机的影像拼接。