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。     

北斗三频周跳探测和修复的空间几何算法

影响周跳探测完整性的关键问题就是不敏感周跳的探测。针对这个问题,本文详细阐述了周跳探测在空间几何中的含义,包括组合系数的类型和数量与探测不敏感周跳之间的几何关系。依据空间几何原理的分析和尽可能减少不敏感周跳数据的要求,采用两个无几何相位组合和一个MW(MelbourneWbbena)组合构成周跳检验量。最后利用北斗三频实测数据对本文算法的正确性和可靠性进行验证计算。计算结果说明:本文算法具有较强的周跳探测修复能力,可以有效地避免不敏感周跳对探测结果的影响。     

一体化综合减灾智能服务系统研究

针对目前我国减灾服务重决策轻预警,减灾服务技术、系统、应用集成不够,尚缺乏完善的一体化综合减灾智能服务体系现状。该文从测绘地理信息视角,分析了室内外一体化应急定位、多源应急数据融合、灾害场景可视化、灾害模型分析服务等关键技术,构建了一体化综合减灾智能服务原型系统,并在国家基础地理信息中心和陕西省的相关应急部门进行了实际应用,实现了应急信息的一体化感知、定位、融合、分析、服务,为我国综合减灾决策分析提供了技术支撑。     

估计接收机差分码偏差的GPS/BDS非组合精密单点定位模型

在传统多系统非差非组合精密单点定位（precise point positioning,PPP）模型中,电离层延迟会吸收部分接收机码硬件延迟,其估计值可能为负数。提出了一种估计接收机差分码偏差（differential code bias,DCB）参数的GPS（Global Positioning System）/BDS（BeiDou Navigation Satellite System）非组合PPP模型,将每个系统第1个频率上的接收机码硬件延迟约束为零,对接收机DCB进行参数估计,达到了分离电离层延迟和接收机码硬件延迟的目的,降低了接收机钟差和电离层延迟的相关程度。利用4个多星座实验（multi-GNSS experiment,MGEX）跟踪站的GPS/BDS数据进行了静态和动态PPP试验,结果表明,与不估计DCB参数的PPP模型相比,采用估计DCB参数PPP模型后,静态模式下定位精度和收敛速度平均提高了29.3%和29.8%,动态模式下定位精度和收敛速度平均提高了15.7%和21.6%。     

磁梯度张量系统的非线性集成矢量校正

磁梯度张量系统测量精度受到单磁传感器系统误差与传感器阵列间非对准误差的严重影响。为了获得精确的张量测量输出,建立了单磁传感器零漂、标度因子与非正交角等系统误差和多传感器轴系间非对准误差的集成数学模型,提出了基于十字磁梯度张量系统最小二乘非线性集成校正方法。相比两步标量校正,利用建立的集成数学模型能够一次性估计出十字形张量系统的48个误差参数,以"人造"平台输出为参考实现低成本矢量校正,极大提高了校正效率和参数估计准确率。仿真和实测表明,张量系统误差参数仿真估计准确率高于99.75%,实验校正后总场输出均方根误差（root mean square error,RMSE）小于2 nT,张量分量RMSE小于50 nT/m,参数估计具有较高的鲁棒性。     

车载激光建模测量系统在重庆城区的应用分析

通过对城市老区和城市新区采集点云数据和纠正点数据,进行精度统计,获得纠正点数量、纠正点布设间距的经验数据,为车载激光建模测量的广泛应用提供参考。     

基于多模CORS的网络RTK服务性能测试

从北斗地基增强系统建设出发,分析多模CORS实验网,提供多模网络RTK服务,增强北斗卫星导航系统的应用。根据实时测量精度、定位服务的时效性、时间可用性、空间可用性和实用性测试,评价实验网提供的网络RTK服务性能。测试结果表明通过加入北斗导航卫星系统信号,定位精度略为提高,可有效改善电离层模型,提高流动站固定的效率,可以解决困难环境的作业问题,提高作业效率。     

多模式一体化指挥监控系统框架设计与实现

针对现有指挥监控系统集成复杂度高,交互不友好,扩展性差等问题,提出了多模式一体化指挥监控系统框架解决方案。介绍了多模式一体化指挥监控系统的原理,将现有指挥监控系统按模式进行划分,并详细描述了实现多模式管理的技术。设计了多模式一体化指挥监控系统的框架,利用插件技术实现了系统业务逻辑的有效集成;并通过测绘导航分队指挥监控系统验证了该系统框架的可行性与实用性。     

广西北斗地基增强系统性能测试与精度分析

在完成广西北斗地基增强系统建设的基础上,测试了系统网络RTK实时定位测量的内符合精度、环境可用性、空间可用性、时间可用性与兼容性;并对GPS+BDS+GLONASS、BDS、GPS+GLONASS三种模式下网络RTK的定位结果进行了对比分析。结果表明,广西北斗地基增强系统的各项精度指标满足设计要求,基于GPS+BDS+GLONASS多系统的网络RTK测量具有较高的精度与较好的稳定性和可靠性。     

车载LiDAR系统在道路改建中的应用研究

针对传统公路勘测方法中工作量大、精度偏低、信息量少、周期长等不足,提出把车载LiDAR扫描技术运用到公路勘测工程中。研究利用车载LiDAR系统进行道路数据采集的工作方法以及关键技术要点,制定出一套完整的道路高精度点云获取方案。该技术在京藏高速银川段改扩建工程中得到了应用,成果精度完全满足要求,极大地提高了道路改扩建勘测效率,为类似工程实践提供了参考。