一種多波段成像遙感器標校裝置的製作方法

2023-12-10 23:18:07 1

專利名稱：一種多波段成像遙感器標校裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種多波段成像遙感器標校裝置，具體涉及一種在室內對多波段遙感器成像參數校對的幾何裝置。
背景技術：
隨著高解析度遙感影像的應用日益廣泛，人們對遙感影像的應用也提出了越來越高的要求。影響影像精度的直接因素是成像傳感器系統的技術指標，隨著遙感探測的波段逐漸拓寬，熱紅外、高光譜、多角度偏振等新型遙感儀器不斷湧現，空間解析度逐漸提高，定量遙感對遙感器的標校有了更高的要求。目前國內外在對測繪領域相機標校的研究上，常用的典型測定方法有基於平行光 管的方法以及基於三維布設區域的方法，這些方法常用於航天CCD相機檢校、航空測繪相機的檢校以及攝像機的標定。利用經緯儀配合平行光管等光學設備測量鏡頭主距和畸變參數，設備價格非常昂貴，計算複雜，且得到的內方位元素與實際飛行情況下有一定差異。基於三維布設區域的方法多建於室外，需布設大量地面標誌點，然後對試驗場使用帶檢定相機進行航空攝影，然後將內方位元素和畸變參數作為待定參數，引入到空間後方交會或區域網空中三角測量平差系統，通過攝影測量平差確定檢校參數，其優點是精度高，但室外試驗場建立的成本很高、而且維護困難，室外相機檢校需要進行航空攝影，不僅費用不菲，實施難度也較大，一般僅適用於量測型專業航攝相機。而且所有傳感器在研製完成後都需要進行標校，而室外標校的環境是不可控的，用於定標的標準難以溯源。國內已有的檢校場或定標場，都是針對可見光相機設計，檢定的相機主要用於地形圖測繪，而對於高光譜、近紅夕卜、熱紅外等多波段遙感器的系統標校無能為力。隨著傳感器成像譜段的日益增多和解析度的不斷增強，定量化遙感對影像的定位精度、不同波段之間的配準精度要求日益提高，對遙感器的成像參數進行精確標定的需求日益強烈，建立多波段、多極化傳感器標校裝置設施迫在眉睫。另外，現有技術中還沒有關於幾何標校裝置建設過程中各誤差因素以及詳細設計的方法。

實用新型內容針對上述現有技術存在的問題，本實用新型的目的在於提供一種多波段成像遙感器標校裝置，該裝置布設在室內，製造成本低，校對費用低，標誌坐標值可調，易溯源定標標準。為了達到上述目的，本實用新型一種多波段成像遙感器標校裝置，包括在室內建立的三維控制網，該三維控制網內設置有若干已知空間坐標的標誌以構成多波段成像遙感器的成像參數測試點，遙感器從室內拍攝三維控制網內的標誌，標誌之間互相不遮擋地在遙感器內成像。進一步，所述三維控制網內的標誌呈三維陣列布置，空間坐標可調，配合標誌三維陣列區設置兩個可測量和複查標誌坐標值的觀測墩。[0008]進一步，所述標誌為圓形，正對遙感器的成像面設置有顯示圓心的圖案層，或設置有顯示圓心的結構。進一步，所述標誌固定在垂直設置的標杆上，該標杆上端懸置，可周向自由擺動但無法圍繞標杆軸線轉動，標杆上端還設置有減震裝置，標杆下端懸掛重物並置於重油容器內，維持自然懸垂狀態。進一步，在布設三維控制網的室內設置有照射所述標誌形成紅外成像的光源。進一步，所述標誌的材料採用鋁合金，設置成漫反射光線的表面。本實用新型建立多波段成像遙感器室內標校裝置的主要目的是為工作在可見光、近紅外、熱紅外等波段的傳感器進行幾何定標，通過定標消除焦距變動、鏡頭光學畸變差、像主點偏移等因相機光學系統引起的誤差，可以確定相機的內方位元素、鏡頭光學畸變係數、相機與平臺系統之間的位置關係等參數。這些參數可以作為評價CCD相機質量的指標，可以在相機使用前對其成像精度進行分析，進而估計實際使用時的相機的定位精度；另外 可以利用這些參數對獲得的影像進行幾何糾正，以解決遙感圖像的幾何變形問題。作為航天遙感科學論證體系全過程質量檢驗中的環節，遙感器系統在發射前要利用穩定性高、噪聲小的高精度室內標校裝置進行標校，以檢驗相機各項指標是否達到設計要求的手段，也為今後遙感器應用過程中考察這些參數的穩定性提供初始依據，並且高精度、穩定性良好的標校裝置可以進行長時間多次定標，監測遙感器系統性能的變化。本標校裝置還解決了紅外波段在室內標校時成像不清晰的問題，可對今後類似裝置的建設提供借鑑和參考。該標校裝置非常適用於輕小型遙感器的標校，對於日趨重要的無人機機載遙感相機的標校有著非常好的應用前景。

圖I為本實用新型平面布局圖；圖2為本實用新型立體圖；圖3為圖2中A部放大視圖；圖4為本實用新型主視圖；圖5為圖4中B部放大視圖；圖6為圖4中C部放大視圖；圖7為本實用新型側視圖；圖8為本實用新型觀測墩立體圖；圖9為本實用新型的標誌坐標算法原理圖；圖10為本實用新型流程圖。圖中1.標誌物、1-1.標杆、1-2.標誌、1-3.重錘、1_4·油桶、2.觀測墩、3.頂架。
具體實施方式
為更進一步闡述本實用新型為達到預定發明目的所採取的技術手段及功效，
以下結合附圖和較佳實施例，對本實用新型的結構、特徵以及功效詳細說明如後。如圖I、圖2、圖4、圖7、圖8所示為本實用新型所設計實施例之一，在該實施例中，針對遙感應用的多波段成像儀建立的室內幾何標校裝置，該裝置室內面積約45m2，標誌三維布設區域的寬度為4. 68m，高度為3. lm，側面寬為2. 4m。布設區域縱向分為四層，橫向分為7列，縱向每層間隔O. 80m，橫向每列間隔O. 7m。標誌總數量約200個，構成測試區域近40m3。遙感器在不同位置都可獲取最佳數量的測試標誌。標校裝置可滿足可見光、近紅外、遠紅外等多波段成像遙感器的標校需求。該實驗場建立、維護成本低，穩定性好，可重複利用，對於非量測輕小型多波段遙感器尤為適合。設計原理如圖I、圖2、圖3所示，標誌三維布設區域按一定規律布設有一組己知空間坐標的標誌1-2,標誌1-2的空間坐標可調。標誌1-2的數量、質量和分布影響到定標的精度，因此布設三維室內三維布設區域要遵循下列原則(I)應布設足夠數量，一般數十個或更多的三維標誌點標誌1-2 ；(2)標誌點一般是均勻分布的，並且在三維坐標方向的分布上，均有足夠的延伸；(3)應為相機留有足夠的拍攝活動空間；(4)最好安置兩個或以上穩定的觀測墩2，以提高測量精度並用於定期複查標誌點坐標1-2。用於近景攝影測量和遙感領域的各種型號相機的焦距值通常在數毫米至數百毫米之間，視場角可在幾度至近百度之間變動，攝影比例尺可變化在I : 10至I : 100之間甚至更寬範圍內。而且對標誌形式上的不同要求(人工量測或自動識別)，很難設計一個適應於多種領域相機的通用室內三維布設區域，一般可根據現實需要建立相應結構的三維布設區域且要明確三維布設區域適用的範圍。結合目前遙感領域常用相機的光圈、波段範圍，提出了標校裝置適用範圍的理論公式。在室內定標要求相機必須可對標誌點進行清晰成像，應滿足透鏡的光學成像公式
I I I~7 = ~ + T
fab(D根據上式⑴，當攝區某一物距為a的景物時，只有當像距為b時方能得到清晰的像。當物距大於或小於a的其它景物，其影像都是一些模糊的圓。這種圓斑，稱為模糊圓。當模糊圓的直徑小到一定程度，人眼感覺不出它是一個圓，而是一個點時，則這些圓構成的影像仍然是清晰的。因此，當對有限距離的景物攝影時，若景物的前面最近處與該景物後面的最遠處之間的景物，成像都是清晰的(即模糊圓直徑ε小於某一容許的限度)，則此最近處和最遠處之間的距離稱為景深(Depth of Field),公式為
μ 廠 Ia2 f 2ks、由公式可以看出，景深與物距有關，物距a越大，景深越大，反之物距越小，景深越小；景深與光圈號數有關，當a和f為定值時，光圈號數k越大，景深越大；景深與焦距有關，當物距和光圈號數一定時，採用短焦距攝影機攝影時的景深比長焦距攝影機所得的景深大。當物鏡向無窮遠處對光時(攝影實踐中，無窮遠一般指幾十米以外的距離)，不僅遠處的物體構像清晰，而且在離開物鏡不小於某一距離H的所有物體，其構像都很清晰，這個距離稱為超焦點距離或無限遠起點。= H,a2 (對光於任意距離a上的物體,其景深範圍界限)，得到超焦點距離的計算公式為f2H = ^-(3)
ks目前遙感所用相機的光圈範圍一般在4 8之間，本實驗場超焦點距離即為室內縱深減去三維布設區域縱深，約為6m，最大拍攝距離大約為6m。因此超焦點距離小於該數值的相機，理論上在本三維布設區域都能進行檢定。根據(3)公式，按光圈大小計算，令模糊圓半徑ε = O. 1mm,當超焦點距離H = 6m,光圈號數k = 8,模糊圓半徑ε = O. Imm時，計算的焦距為 / = ^Hks = λ/6000χ8x0.1 * 69mm則該實驗場理論上可以滿足焦距小於69mm的相機所用。固定裝置設計標誌三維布設區域內的標誌1-2安裝在垂直設置的標杆1-1上，標杆1-1選用鋁合金型材，鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優質鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性，是滿足標校裝置精度的穩定性、使用的長久性等要求的最優材質。經過多次實驗，確定使用國家標準ZLD101A型鋁合金，抗拉伸能力在200mPa以上。根據室內場地的實際條件設計標杆1-1的具體指標，具體設計為圓杆型，內徑28mm，壁厚:2mm,長3m。如圖5、圖6所示，鋁合金標杆1-1上端懸置在頂架3上，並且設置有減震裝置，安裝後標杆1-1自身可相對觀測墩2前後自由擺動，但標杆1-1不能繞鋁合金管中心軸線有
O.05mm以上轉動，在裝置下吊重錘1_3於盛放重油的油桶1_4內，重油起到阻尼作用，確保標杆1-1處於自然下垂，標杆1-1還可以設置成可360°自由擺動，在該裝置受到震動後，標杆1-1能夠更好地復位，但是同樣要保證管不能繞鋁合金管中心軸線有O. 05mm以上轉動。標誌設計標校裝置裡標誌點的精度直接影響遙感器標校的精度，而標誌的形狀、尺寸、材質的光學性能等都是影響標誌點坐標量測精度的關鍵因素。為此，從標誌的形狀設計、尺寸的計算、材質的光學性能等方面進行精細的設計研究，且為滿足除可見光外的其它通道定標時的成像需求，通過對標誌材質及光源的改進設計實現多波段的標校要求。圓標誌的識別方法也比較成熟，而且也方便其他方法進行檢測，一般圓的識別是提取圓周點來擬合解算得到圓心點的坐標，因此標誌點應儘量分布在水平和鉛垂線上，方便初始的定位。為適應像點坐標的量測和匹配處理,標誌點的成像大小需要在20像元左右。成像
過大會加大計算量，精度也不會明顯提高，成像太小則無法滿足提取要求。人工標誌的大小
應根據實際的攝影距離和選取的攝影機鏡頭焦距進行計算
Hm=y設(XD單元的物理尺寸為ps (單位μ m),標誌點標牌成像像元個數為N,設計的標誌的大小為直徑8cm。[0056]對多光譜相機進行定標，首先要保證標誌點能在各個波段上成像清晰。標誌點材料的選擇是至關重要的問題，通常情況下容易滿足可見光波段的需求，但近紅外、熱紅外波段需要進行特殊處理。近紅外波段的遙感信息來自於景物目標的反射和輻射，其中反射部分佔大部分，而對於熱紅外傳感器，獲取的景物目標信息主要來自景物熱輻射。因此我們選擇比輻射高的鋁材質，採用國家標準鋁合金型材，材料硬度強，變形小，適合於製作人工標誌，且為避免在光照條件下標誌發生反光，標誌表面採用絲網印刷，並進行了表面的剖光、磨砂噴霧處理。對於多波段成像遙感器來講，在對不同類型被測物體進行攝影時，自然光源與人工光源的正確使用都是一個關鍵問題，其中光源與感光材料的匹配、人工光源的類型、光源的色溫和顯色性等性能特點都對成像質量有很大影響。尤其是位於室內的標校裝置，幾乎無自然光源，整個照明全需由人工光源提供。在增強室內光源時還需注意一些問題，一般要求光照對所攝對象的照度要均勻，儘量避免被測物體上的陰影及反光；而且照明燈分布要均勻儘量減少陰影。並且為使紅外波段受到的熱輻射較強，可以清晰成像。經調研及實驗對比，選取色溫指數達1000K，顯色指數高，光照均勻的泛光燈。將其布設於實驗場標誌點區域前方兩側，同時對所攝對象照明，可以清晰成像。 作為定標參數解算的依據數據，要求有很高的標誌點坐標測量精度。為保障數據的高精度，採用了高精度測量儀器配合標準尺的方法進行測量，可滿足標誌點坐標的測定精度在亞毫米內。作為定標使用的三維布設區域對標誌點的坐標測量精度要求很高，為了保證點位測量精度及今後工作中的複測和檢核使用，如圖8所示，在標校室內布設了兩個強制對中觀測墩2做為測量儀器的基站。為了形成最佳的測量角度，兩觀測墩2間距設計約3m，與第一層待量測標誌的平均交會角約60° ,與最後一層標誌點的平均交會角大於40° ,這樣可以形成最優的三角形。觀測墩2上安置的基座使用適用於全站儀、經緯儀等的通用對中基座(型號F-1A)。按照國家標墩建設規範建設，整個觀測墩2採用鋼筋混凝土結構，埋於地下約10_20cm處。標誌點的測量採用前方交會方法進行施測，原理如圖9所示，其中A、B點為觀測墩2所在位置，P點為被測標誌所在位置。採用兩臺瑞士 WILD的T3光學經緯儀進行測量，其測角中誤差為O. 7"，採用「測回法」觀測6個測回，測量時室內溫度恆定保持在20° -25°之間。為確保觀測數據的正確性及消除人為誤差，採用「方向觀測法」以檢核測量成果。測量後對標誌點的坐標進行了精度分析，選擇三維布設區域內均勻分布及精度最差的點作為抽樣點進行置信度評價。所有標誌點的三維坐標精度分布在±0. 3mm-±0. 7mm區間之內，最差點位精度為±0. 632mm。達到的效果建立多波段成像遙感器室內標校裝置的主要目的是進行工作在可見光、近紅外、熱紅外等多波段的傳感器的幾何定標，通過定標消除焦距變動、鏡頭光學畸變差、像主點偏移等因相機光學系統引起的誤差，可以確定相機的內方位元素、鏡頭光學畸變係數、相機與平臺系統之間的位置關係等參數。這些參數可以作為評價CCD相機質量的指標，可以在相機使用前對其成像精度進行分析，進而估計實際使用時的相機的定位精度；另外可以利用這些參數對獲得的影像進行幾何糾正，以解決遙感圖像的幾何變形問題。[0064]在裝置建設完成後，同時也對其它遙感器以及數位相機進行了標校，同樣可以得到理想結果，並且該標校裝置非常適用於輕小型遙感器的標校，對於日趨重要的無人機遙感的機載相機的標校有著非常好的應用前景。上面所述只是為了說明本實用新型，應該理解為本實用新型並不局限於以上實施例，符合本實用新型思想的各種變通形式均在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種多波段成像遙感器標校裝置，其特徵在於，包括在室內建立的三維控制網，該三維控制網內設置有若干已知空間坐標的標誌以構成多波段成像遙感器的成像參數測試點，遙感器從室內拍攝三維控制網內的標誌,標誌之間互相不遮擋地在遙感器內成像。
2.如權利要求I所述的標校裝置，其特徵在於，所述三維控制網內的標誌呈三維陣列布置，空間坐標可調，配合標誌三維陣列區設置兩個可測量和複查標誌坐標值的觀測墩。
3.如權利要求I所述的標校裝置，其特徵在於，所述標誌為圓形，正對遙感器的成像面設置有顯示圓心的圖案層，或設置有顯示圓心的結構。
4.如權利要求3所述的標校裝置，其特徵在於，所述標誌固定在垂直設置的標杆上，該標杆上端懸置，可周向自由擺動但無法圍繞標杆軸線轉動，標杆上端還設置有減震裝置，標杆下端懸掛重物並置於重油容器內，維持自然懸垂狀態。
5.如權利要求3所述的標校裝置，其特徵在於，在布設三維控制網的室內設置有照射所述標誌形成紅外成像的光源。
6.如權利要求3所述的標校裝置，其特徵在於，所述標誌的材料採用鋁合金，設置成漫反射光線的表面。
專利摘要本實用新型公開了一種多波段成像遙感器標校裝置，包括在室內建立的三維控制網，該三維控制網內設置有若干已知空間坐標的標誌以構成多波段成像遙感器的成像參數測試點，遙感器從室內拍攝三維控制網內的標誌，標誌之間互相不遮擋地在遙感器內成像。所述三維控制網內的標誌呈三維陣列布置，空間坐標可調，配合標誌三維陣列區設置兩個可測量和複查標誌坐標值的觀測墩。該標校裝置精度高，穩定性良好，可以進行長時間多次定標，監測遙感器系統性能的變化。
文檔編號G01C25/00GK202599425SQ20122017281
公開日2012年12月12日 申請日期2012年4月20日 優先權日2012年4月20日
發明者顧行發, 餘濤, 鄭逢傑, 孟慶巖, 李家國, 高海亮 申請人:中國科學院遙感應用研究所