機載多角度成像測高技術的製作方法
2023-12-09 22:00:31
專利名稱：機載多角度成像測高技術的製作方法
技術領域：
本發明屬於通過攝影測量技術進行地形測繪的領域，特別是涉及一種利用機載多角度成像系統輔以GPS/POS位置姿態測量裝置的攝影測量技術。
背景技術：
航空攝影測量是獲取基礎地理信息的主要手段，其成果既是測制和更新國家基本比例尺地形圖、建立和更新國家基礎地理信息系統資料庫等的主要數據源，也是一種重要基礎測繪成果形式。
航空攝影測量是利用機載成像裝置及其他傳感系統來獲取地形影像和地球及其環境的可靠信息，並對其進行記錄、量測、分析與表達的科學和技術。也即利用飛機對地面拍攝像片，再利用攝影測量學原理及立體測圖儀或計算機，將像片組成立體模型，以從事各種地圖測繪及地物判讀之工作。其主要內容是量測地物之空間關係，如坐標、高程、距離等，最後可得地形圖、平面圖、影像圖以及三維地面模型。
利用航空攝影測量手段獲取地形信息的必要條件，除機載成像裝置要獲得清晰影像外，還要得到每一曝光時刻機載成像裝置所處的位置及姿態，也即外方元素。傳統航空攝影測量中有一項必要的工序——空中三角測量，其目的是為測圖加密控制點，進而得到外方元素。加密需要一定數量的航測外業控制點，而航測外業控制測量通常是艱苦的，有時是困難的，工作量大，作業時間長，因此如何減少外業的工作量成為一個重要的研究課題。近年引用GPS/POS技術為解決這一課題開闢了廣闊的前景。
與機載成像裝置集成的GPS/POS裝置可以直接獲取傳感器成像時刻的外方位元素，能夠大大減少地面控制點甚至完全不使用地面控制點而直接進行遙感圖像的地理定位。因此，姿態測量系統的應用以及開發相應的算法，可以在很大程度上降低航空攝影測量的外業工作量，提高測圖效率，是航空攝影測量的發展方向。本發明迎合了這一技術發展需要，研究了機載多角度成像測高技術，開發了相應的集成GPS/POS的機載多角度成像裝置，並開發了後續的數據處理軟體，形成了一套完整的機載多角度成像測高系統。該系統可用於各種地形測繪及相關領域，提高測繪的技術含量及生產效率。
發明內容
本發明的目的在於克服傳統的攝影測量過程中需要利用地面控制點而帶來的工作量增加甚至在某些地區由於當地的特殊條件使得工作不能繼續的困難。將多角度技術同姿態測量技術相結合，利用機載遙感方式的多角度數據實時採集裝置，提供高解析度的地面目標多角度圖像，並且在硬體系統中採用曝光同步脈衝信號，實現圖像數據和POS數據配對，將兩者有機的結合在一起。在軟體的處理過程中，對硬體部分獲取的姿態數據進行完全脫離地面控制點的空中三角平差，求得每景圖像更加精確的姿態，最後獲得地面的數字表面模型(DSM)，達到測高的目的。還可以在這些數據的基礎上針對具體應用進行再次的開發，以獲得更多的產品。
本發明的技術解決方案如下根據本發明一種機載多角度測高技術，涉及到硬體和軟體兩套系統。
硬體系統由至少兩臺大面陣CCD相機、至少兩塊基於CameraLink標準的圖像採集卡、主控制計算機系統，以及高精度姿態測量裝置POS(地理坐標參數)系統所組成，其中CCD相機通過電纜與圖像採集卡MDR26接口一對一連接；採集卡固定於主控計算機底板PCI插槽內，主控計算機系統由ATX電源供電以提供採集卡工作必需的3.3V直流電壓；數據存儲介質大容量SCSI硬碟陣列安裝於主控計算機內部，通過專有68針的SCSI電纜和採集卡SCSI輸出埠連接，且每塊採集卡各自連接一組硬碟陣列，工作於Raid0模式下；姿態測量裝置POS系統輸出端RS232串口、輸入端事件觸發同軸電纜埠分別和主控制計算機串口和採集卡LVDS接口同步信號輸出針腳引線相連。
軟體系統由數據預處理、圖像匹配及同名點搜索，空中三角測量平差，DSM數據生成幾個步驟構成。其中數據預處理是將硬體系統所獲得的數據進行初期的處理，把每個時刻的圖像以及姿態數據保存在一個文件中以利於後面作業處理。圖像匹配及同名點搜索過程中應儘量找到具有一定數目並且保證有一定精度的同名點，以便進行空中三角測量平差，在平差之後便可以獲得比較精確的圖像獲取時刻的姿態數據，利用這些數據便可以獲得地面數字表面模型。
根據同一構思，用上述硬體及軟體系統測高，包括下列步驟①CCD相機工作在外觸發模式之下，任選一塊圖像採集卡作為主卡，其餘作為副卡，由主卡採集卡集成的信號發生器作為CCD相機曝光、傳輸和姿態測量裝置POS事件數據採集記錄的唯一同步信號源，其由3M電纜包含的控制總線傳遞給CCD相機。
②把CCD相機採集的圖像分別傳輸至所連接的採集卡板載緩存之中，由採集卡統一的底層驅動引擎整合、分流，分別通過PCI總線和採集卡板載Ultra160控制埠傳送到顯存和SCSI硬碟陣列進行實時顯示和存儲。
③將採集卡底層採集引擎通過單獨的線程和姿態測量POS系統通訊，通過設定相同的串口參數來獲取CCD相機曝光時刻的事件數據，並存儲於主控制計算機系統內存中，當採集完畢後，自動整合到SCSI硬碟陣列中，且由採集引擎控制使其和相關的圖像數據一一對應。
④硬體所採集的數據為圖像數據文件以及POS紀錄的姿態數據文件，兩者通過相應的事件號聯繫。進入軟體系統之後，需要把這兩個文件進行拆分，並且把圖像以及相應的姿態數據保存在一個文件中以便於後面的處理。同一時刻獲取的多角度圖像會有重疊的部分，並且POS只能獲得一個時刻平臺的姿態，並無法獲得真正的多角度相機姿態。需要把同一時刻多角度圖像進行拼接，利用POS所記錄的姿態計算拼接後圖像對應虛擬相機的姿態。
⑤通過對拼接後的圖像進行圖像的匹配，獲取圖像上數量比較多並且其精度比較高的同名點，作為空中三角測量平差中的輸入。
⑥空中三角測量平差利用上一步驟得到的同名點信息以及每景圖像的姿態信息，進行平差計算。該平差過程利用到多張相片多個同名點信息，設計有針對性的稀疏矩陣算法加快運算速度。平差之後得到經過校正的像片姿態信息，作為下一步的輸入。
⑦利用經過校正的像片姿態再次進行圖像的匹配，得到同名點利用共線方程得到同名點的地面三維坐標，利用插值得到整個地區的DSM。
本發明的技術效果1.利用本發明的硬體裝置，將三臺CCD相機分別固定於包含三個不同對地指向的多角度平臺之上，獲取的多角度地物圖像質量高，系統運行流暢。採集圖像的同時獲取POS事件數據，對每一幀圖像都實現了地理定位。
2.軟體系統在通過對初始獲得的姿態信息進行空中三角平差運算，在不利用地面控制點的情況下，能夠將圖像獲取時的姿態精確到比較高的精度，最後做出的地面數字表面模型的精度也比較高。
圖1是本發明機載多角度測高技術系統的結構示意圖。
圖2是本發明硬體系統機載多角度多源數據的實時採集裝置的結構示意圖。
圖3是多角度多源數據實時採集的數據流程圖。
圖4是本發明軟體系統的處理流程圖。
具體實施例方式
根據圖1、圖2、圖3和圖4，提供一較好的實施例，硬體部分使用3隻CCD相機，三臺圖像採集卡和三組硬碟陣列作為數據採集源。在軟體部分，將整個處理流程劃分為1級以及2級數據處理過程。1級處理為數據預處理，2級處理為數據的矯正已及DSM的生成。
先請參閱圖1。圖1是本發明機載多角度測高技術系統的結構示意圖，整個系統分為硬體以及軟體兩個部分。在硬體部分，多角度成像儀以及姿態測量裝置都固定於剛性平臺之上，他們利用同步控制得到的同步脈衝來實現數據採集記錄的同步，圖像數據和姿態信息記錄通過數據採集及視頻開關進行實時機載監視以及數據的記錄。軟體部分則主要是利用硬體部分所記錄的數據，配以相關的先驗知識的輸入，例如地面的平均高程。輸入的數據先經過預處理，生成便於後期處理的數據文件。在經過初始的分析，包括三個角度圖像數據的角度以及亮度訂正，同一時刻多角度圖像的鑲嵌，圖像匹配以及同名點的查找，得到進行空中三角測量平差所必需的數據，並能夠產生初始的粗DSM，粗DSM可以作為最終產品的DSM的輸入。同名點信息以及每景圖像的姿態信息作為輸入進入姿態數據矯正的流程中，經過空中三角測量平差，可以對硬體部分直接得到的像片姿態信息做出精細的校正，以達到最後產品的精度要求的需要，最後，利用這些校正後的姿態信息以及圖像數據，再來生成最終的數字表面模型和正攝影像。
硬體系統的總體結構請參閱圖2。相機1主要包括CCD相機11、CCD相機12、CCD相機13，實現不同對地指向的多角度成像；固定於主控制計算機2(PCI)插槽內的圖像採集卡31、圖像採集卡32和圖像採集卡33分別通過3M電纜21、3M電纜22和3M電纜23與CCD相機11、CCD相機12和CCD相機13連接；三塊採集卡31、32、33板載的SCSI接口通過SCSI電纜41、SCSI電纜42、SCSI電纜43分別和同樣安裝在主控制計算機2內的硬碟陣列51、硬碟陣列52、硬碟陣列53連接，構成多源數據的存儲模塊；三塊採集卡31、32、33上的同步連接頭由兩兩交叉的採集卡同步交叉連接線連接；三塊採集卡31、32、33的LDVS接口由扁平電纜連接，其引出的事件觸發信號線連接姿態測量裝置POS主控計算機3的事件輸入埠；姿態測量裝置POS主控計算機的串口由與主控制計算機的串口根據RS232連接線20連接；主控制計算機2視頻埠由專用視頻線30連接液晶顯示器4，作為整個發明裝置實時圖像顯示，流程監控的窗口。本發明裝置的工作過程如下A.CCD相機11-13所成的像經由3M電纜21-23分別傳輸給圖像採集卡31-33。
B.圖像採集卡31-33分別將暫存於各自板載緩存中的圖像傳輸到與其相連的硬碟陣列51-53進行存儲；同時統一的底層採集引擎將緩存中的圖像進行整合併通過主控制計算機(PCI)2總線傳輸給系統顯存，在液晶顯示器4上進行顯示。
C.姿態測量裝置POS主控計算機3將事件數據傳輸給主控制汁算機2，主控制計算機2將事件數據存儲於系統內存中，在採集完成之後統一整合到硬碟陣列51-53中。
D.利用本發明機載多角度多源數據的實時採集系統對圖像數據和POS數據進行同步採集的方法，包括下列步驟設置CCD相機11-13工作在外觸發模式之下；採集卡31-33任選一塊作為主卡，其餘兩塊作為副卡，由主卡採集卡集成的信號發生器產生一定頻率、佔空比的脈衝信號通過主卡LVDS接口TTLOUT0腳輸出，經扁平電纜分別傳輸到主卡和兩塊副卡的LVDS接口TTLIN0腳，作為三臺CCD相機11、12、13曝光、傳輸和姿態測量裝置POS事件數據採集記錄的唯一同步信號源，其由3M電纜21-23包含的控制總線傳遞給CCD相機11-13。
採集卡同步交叉連接線分別連接採集卡31-33的同步連接埠。
扁平SCSI電纜連接採集卡31-33的包含外同步觸發信號的LVDS接口，且引出觸發脈衝線10連接POS事件輸入埠。
CCD相機11-13採集的圖像分別傳輸至所連接的採集卡31-33板載緩存之中，由採集卡31、32、33統一的底層驅動引擎整合、分流，分別通過PCI總線和採集卡31、32、33板載Ultra160控制埠傳送到液晶顯示器4和硬碟陣列51-53進行實時顯示和存儲。
採集卡31、32、33底層採集引擎通過單獨的線程和姿態測量裝置POS主控計算機系統3通訊，通過設定相同的串口參數來獲取CCD相機曝光時刻的事件數據，並存儲於主控制計算機系統2內存中，當採集完畢後，自動整合到硬碟陣列51-53中，且由採集引擎控制使其和相關的圖像數據一一對應。
本發明裝置多源數據採集的流程如圖3所示。主要由三部分組成1.數據採集記錄的同步系統運行時由應用程式驅動統一的控制命令，採集卡31-33通過Camera Link標準集成的控制總線向相機11-13傳遞外同步脈衝信號，其工作原理為當相機11-13捕獲到外同步信號的下降沿的同時觸發自身的電子快門，電子快門脈衝的下降沿清空CCD感光區域的電荷而後開始曝光，曝光時間的長短則由相機API命令事先設定好，曝光完成即開始傳輸圖像，且圖像的傳輸在嚴格的時序控制之下進行。底層驅動視三塊採集卡11-13為一個整體，嚴格的進行統一的操作由相機配置文件進行事先設定，底層著色引擎將分別存儲於3組硬碟陣列上但同時曝光的圖像整合在一起，按照上、中、下排列格式組合成一幀圖像進行顯示或導出，方便了後續圖像處理時對同時曝光的圖像的確認和查找。
2.POS數據的實時採集為了使採集的每一幀圖像都有唯一的POS數據對應，採用如下的協同方式工作(1)用專用串口線連接POS計算機PCS3串口COM1和主控計算機2串口COM1。
(2)引出採集卡LVDS接口TTLOUT0腳與POS事件觸發EVENT1接頭連接。
在POS這一端，採集卡TTLOUT0腳引出的相機外同步信號電平下降沿觸發與之連接的POS事件EVENT1，使其按照和相機外同步信號頻率一樣的頻率開始計數。同時我們設置PCS主控計算機串口，使其更新頻率與相機外同步信號一致，這是因為相機外同步信號頻率就等於圖像採集的速率，頻率一致就嚴格保證了他們之間的同步。串口的事件數據流設置為波特率9600，非極性，每字節有8bit且僅跟1位停止位。POS主控計算機3串口發出的數據格式為$EVT1，------.------，G，++++++++*##其中每個字符代表一個bit，$EVT1為事件標記頭，------.------表示當前時刻距離周日凌晨開始所經歷的秒數，G代表格林威治時間，++++++++代表事件號，*##部分為校驗碼。
由於POS系統在IMU初始化且GPS接收到足夠多的衛星使其狀態穩定之後開始正常工作，記錄當前的GPS信息及姿態數據，存儲於PCS內部硬碟和插入的PCMCIA存儲卡中，而收到的事件信號驅使其向串口發送和存儲於PCS內部一樣的EVENT數據，且該事件數據和同步存儲與PCS內部的經過處理的GPS信息和姿態信息唯一對應，即每一個事件數據都有唯一的GPS及姿態數據和其對應，所以，PCS串口發出的事件信息就和當前的POS各項數據嚴格保持同步。事後讀取存儲於硬碟陣列內和圖像一一對應的事件數據來對應記錄於PCS內部的GPS及姿態數據，從而確定每一幀圖像的GPS數據和飛行姿態數據，從而做到圖像的地理定位。
在主控計算機2這一端，同樣設置和PCS一樣的串口參數。由應用程式驅動統一的控制命令，採集一幀圖像的同時訪問串口獲取當前的事件數據，並把獲取的事件數據存儲於內存中，在採集完成之後統一按照先後的順序整合到SCSI硬碟陣列中去，且和每一幀圖像一一對應。串口的訪問僅延遲在幾十毫秒，保證在下一幀圖像到來之前完成通訊過程，對圖像數據的匹配不造成任何影響，且能更好地和PCS發出的串口事件數據同步起來。
3.圖像數據的定位開啟兩個單獨的線程，一個記錄每一楨圖像的編號及該幀圖像對應的讀取的串口POS事件數據；另一個線程則負責記錄每一楨圖像採集時刻的計算機時間，精確到毫秒。
具體工作流程如下(1)定義存儲每一幀圖像對應的附加信息的內存字節。
(2)記錄每一幀圖像的圖像編號。
(3)記錄PCS發送過來的串口事件數據。
(4)記錄當前圖像採集時刻，精確到毫秒。
(5)採集完畢，採集卡核心驅動自動將底層動態連結庫記錄的相關數據整合到SCSI硬碟陣列中去。且嚴格保持一一對應。導出相關數據到主系統硬碟中，便於圖像數據和POS本身記錄的數據的匹配。
(6)數據匹配定位的後處理。
本發明軟體部分的處理流程如圖4所示數據處理主要分為1級數據處理以及2級數據處理。每個大級別中又分別分出下一層次的級別，便於數據處理。在處理過程中以HDF文件作為級別之間數據傳遞的標準文件格式，其中有一些級別的輸出以及輸入文件中利用文本文件做數據傳遞。1級為數據的預處理，利用POS、GPS所給出的姿態信息對數據作初步的處理。下面又分為1A，1B，1C，1D4個級別。2級為數據的精細處理，利用1級數據的輸出結果進行空中三角測量平差得到精確的相片姿態信息，然後再得到一個精確度比較高的DSM。下面又分為2B，2C兩個級別。
1.1A數據處理模塊1A數據處理模塊的功能是基於原始圖像、Pos_eo數據(處理後)、相機文件等生成的1AHDF文件。其輸入是硬體採集系統所給出的原始圖像數據，Pos_eo數據，相機基本信息以及1A基本信息。最後輸出為1AHDF文件，該文件把每一個時刻的三個角度的圖像以及其姿態信息放在一個文件中，以供後面的處理用。這個模塊涉及到了後方交彙算法以及POS數據處理算法。
後方交會算法。
輸入相機焦距f，初始x，初始y，初始z，初始p，初始w，初始k，像點數量num，控制點坐標XYZlist，像點坐標xylist。
用三個角元素的初始值計算各方向餘弦並組成旋轉矩陣R。
用所取未知數的初始值和控制點的地面坐標，帶入共線方程逐點計算像點坐標的近似值(x)、(y)。
用每個像點的觀測值計算的近似值，計算每個點的常數項lxly。
按逐點計算誤差方程式的係數組成誤差方程式。
按組成法方程係數矩陣ATA與常數項ATL。
用法方程求解的方法，解求未知數的改正數dXs，dYs，dZs，dp，dw，dk。
用前次迭代取得的近似值，加本次迭代取得的改正數，計算外方位元素的新值。K表示迭代次數Xsk＝Xsk-1+dXskYsk＝Ysk-1+dYskZsk＝Zsk-1+dZskPk＝Pk-1+dPkWk＝Wk-1+dWkKk＝Kk-1+dKk將求得的外方位元素的改正數與規定的限差比較，若小於限差時，則迭代計算完成，否則用未知數的新值作為近似值，重複(2)-(8)步驟計算，知道滿足要求為止。
POS數據處理算法。
慣性導航系統(INS)具有能夠不依賴外界信息，完全獨立自主地提供多種較高精度的導航參數(位置、速度、姿態)的優點。具有抗電子輻射幹擾、大機動飛行、隱蔽性好的特點。然而，它的系統精度主要取決於慣性測量器件(陀螺儀和加速度計)，導航參數的誤差(尤其是位置誤差)隨時間積累，不適合長時間的單獨導航。GPS的明顯優點是能夠全球、全天候和實時的導航，其定位誤差與時間無關，且有較市制定位和測時精度。但是，GPS在作高動態的運動時常使GPS接收機不易跟蹤和捕獲到衛星載波信號，甚至產生所謂「周跳」現象。另外GPS接收信號的輸出頻率較低(一般為1～2Hz)，有時不能滿足載體的飛行控制對導航信號更新頻率的要求。
GPS和INS具有優勢互補的特點。以適當的方法將兩者組合起來成為一個組合系統，必定可以提高系統的整體精度和整體導航性能，而且使INS具有空中再對準能力。GPS接收機在INS位置和速度的信息的輔助下，也將大大改善捕獲、跟蹤和再捕獲的能力。並且在衛星分布條件或可見星少的情況下，不致嚴重影響導航精度。
實現GPS和慣導系統(INS)的組合方案很多，不同的組合方案，可以滿足使用者的綜合性能要求或特殊要求。現代控制理論的成就，尤其是最優估計理論的數據處理方法，為組合導航系統提供了理論基礎。卡爾曼濾波器(Kalman filter)在組合導航系統中有著卓有成效的應用。卡爾曼濾波的應用是指在導航系統的某些輸出量的基礎上，利用卡爾曼濾波去估計系統的各種誤差狀態，並用誤差狀態的估計值去校正系統，以達到系統組合的目的。
GPS/INS組合卡爾曼濾波器。採用GPS接收機和INS輸出的位置、速度信息的差值作為量測信息，經組合卡爾曼濾波器估計慣導系統的誤差，然後對慣導系統進行校正。根據對INS校正的不同，卡爾曼濾波器分為兩種形式，一是開環校正(輸出校正)，二是閉環校正(反饋校正)。
2.1B數據處理模塊。
1B數據處理模塊的功能是利用原始影像和外方位元素生成角度訂正、輻射訂正並鑲嵌後的1B HDF格式數據。主要用途為糾正前向和後向像機到接近垂直的觀測角度，三個角度的圖像拼接後成為一個寬幅面的虛擬像機，減少後續數據處理的複雜性。其輸入項為1A數據的HDF文件以及基礎地理數據(DEM)的先驗知識。可以輸入一個固定值，也可以輸入一個柵格化的1:5萬DEM文件，然後系統自動從文件中讀取相應位置的DEM數值。其輸出為1BHDF文件，文件件的主體數據為將前、中、後三個像機圖像旋轉、鑲嵌後的圖像數據。其它附屬數據主要是本算法以及後續算法處理中用到的一些參數，如鑲嵌的接縫位置、虛擬像機的內外方位元素、地表高程先驗知識等等，都以圖像數據的屬性項的形式給出。這個模塊主要涉及到了角度圖像的鑲嵌算法。
首先建立一個虛擬像機，其內方位元素幅寬剛好包含三像機所覆蓋的視場，解析度與中間像機一樣，主點大致對準中間像機的主點，沒有鏡頭畸變；外方位與中間像機一樣。假設地表高程等於常數(先驗值)，根據共線方程可計算虛擬像機每一個像元所對應的地表三維坐標。在已知前、中、後三個像機的外方位元素的基礎上，將這些三維坐標點投影到前、中、後三個像機的行列號坐標，如果投影結果的坐標在其中一個像片範圍內，則將相應位置的灰度值賦值給虛擬像機的相應像元，如果三個像機都沒有看到該點，則將該點灰度賦值為0。對虛擬相機的所有像元重複上述操作，就得到了鑲嵌圖像。
鑲嵌效果由三像機相對方位元素的精度及地表高程先驗估計的合理性共同決定，相對方位元素的精度佔主導地位，地表高程先驗估計為不敏感參數，理論分析表明，地表高程先驗估計誤差10米時引起鑲嵌圖像的變化約有1個像素。
3.1C數據處理模塊1C數據處理模塊的功能是利用POS提供的外方位元素和地表高程的先驗知識，對每相鄰3景影像相互匹配產生的同名點，生成粗DSM。用途為可以直接提供給顯示部分，也可以作為較為準確的DSM初值代入後續模塊，經過同名特徵點匹配、空三平差、精匹配等進一步處理，最終得到細化的、具有地理坐標的測區DSM和正射影像。其輸入項為1BHDF格式文件以及地表起伏和地表不均一性的先驗知識，這需要另外給出。其輸出為1CHDF文件，包括1B圖像的感興趣區域(基本上是3經相鄰圖像的重疊區域)的同名點列表、對應於圖像坐標系的光滑DSM、DSM的上下不確定範圍。其它附屬數據包括對DSM的一些描述參數以及對本處理算法的描述，使用的1B圖像的文件名等等，都是以圖像數據的屬性項的形式給出。
該模塊的處理主要有流程如下(1)確定影像匹配的初始模板大小和模板中心位置；(2)預測模板中心在另兩景影像中的位置及其不確定範圍；(3)進行空間解析度由粗到細的逐級金字塔式匹配，最後得到大量的模板，以及這些模板中心在另兩景影像中的對應位置；(4)根據匹配結果和三景影像的傳感器姿態位置參數生成模板中心的高度，然後按照合適的解析度進行光滑插值得到地表光滑包絡的粗DSM；(5)根據插值殘差計算DSM的不確定性；(6)將同名點匹配的結果、粗DSM及DSM不確定範圍數據寫入HDF數據，同時寫入這一步處理使用的關鍵方法和參數。
4.1D數據處理模塊。
1D數據處理模塊的功能為利用1C處理得到的粗DSM作為初始條件和約束條件，在觀測角度小的圖像中提取特徵點，尋找同一個特徵點在所有可能出現的影像中的圖像坐標位置。其用途為多角度圖像中獲得同名點集，作為空三及2C數據的基礎。其輸入為1CHDF文件，包括了可能重疊的1B圖像和他們對應的外方為元素和粗DSM。其輸出為一個測區的同名特徵點集，所有點按照其三維坐標估計值在測區內統一編號，每一個點在多幅圖像中都有對應位置。輸出為文本文件。
其算法流程為先在測區內分圖幅，每一個圖像的像塊在其最接近垂直的觀測圖像中提取特徵點，根據POS提供的外方位元素和1C中的粗DSM可計算該特徵點的大致三維坐標。然後在所有看到此特徵點的圖像中預測該特徵點位置，並在該位置的一定不確定範圍內搜索，找到特徵點的同名點。
5.2B數據處理模塊2B數據處理模塊的主要功能為空中三角測量平差，機載相機系統在每個拍攝瞬時(攝站)的三維位置和姿態(外方位元素)都是通過POS系統的直接測量經過少量的轉換和軟體處理獲得的。直接使用處理後的外方位元素進行前方交會獲得的地面目標的三維坐標不能滿足測量的需要。因此，該模塊任務就是利用大量的同名點和少量(甚至沒有)地面控制點進行空中三角測量平差，將直接測量處理得到的外方位元素以及地面控制點的測量轉換結果作為觀測值參與平差，目的就是使平差後的外方位元素能夠提高精度。由於該模塊涉及到精度的評價工作，因此有一個用戶界面，在該界面下，用戶可以看到每次平差之後的結果及精度評價。程序內部已經初始設定好了平差迭代的步驟以及去除粗差點的閾值，用戶也可以自定義這些數值。該模塊的輸入為1D文件，該文件包含同名點信息，主要用於平差，1BHDF文件，包含了圖像以及其姿態信息，用於平差和顯示圖像以及同名點在圖像上的位置。輸出項為平差後的外方位元素以及平差使用的同名點的三維坐標，以2BHDF文件的格式輸出。
其基本的處理流程(1)用戶輸入需要進行平差的區域、平差的迭代次數，去除粗差點的閾值這幾個必要的初始數據。
(2)讀入平差需要的原始數據。如果有控制點或者人工找到的同名點也可以輸入參加平差。
(3)調用平差程序進行平差，並根據用戶指定的平差步驟、迭代次數、剔除粗差閾值等運算。在平差過程中注意有些數據平差後會改變，但是在此平差還需要使用原數據，因此應該作相應的保留。
(4)平差結果顯示，用戶根據平差精度判斷，當精度達到要求時保存文件。
該模塊還包括多片前方交會算法。在已知像片內外方位元素的情況下，利用多張像片計算同名目標點的過程稱為多片前方交會。使用該算法計算某目標點的三維坐標，至少需要兩個同名像點，這種情況下計算結果不具有判別錯誤的能力。有三個同名像點時可以檢查計算輸入是否有誤，三個以上同名點時具有一定的魯棒性。
6.2C數據處理模塊2C數據處理模塊的功能為利用1C處理得到的粗DSM以及2B得到的空三平差修正後的外方位元素作為初始條件和約束條件，對整個測區分塊後重新生成具有地理坐標系的DSM以及相應的正射影像，為了增加數據處理流程的靈活性，本模塊具有快速和慢速兩種選項(1)作為快速產生結果的一個選項，可直接用POS提供的外方位元素和1B處理生成的同名點列表(或者粗DSM)連接生成具有地理坐標的測區DSM及正射影像圖；(2)利用2B處理(聯合平差)糾正後的準確外方位元素，以核線匹配結果作為先驗知識，重新進行多角度圖像的匹配，提取更多的同名點，計算它們的高程，並插值生成具有地理坐標的測區DSM及正射影像圖。主要用途為生成區域DSM及正射影像，其結果是測區瀏覽及高度預警等後續算法的基礎。輸入項(1)如果使用快速處理選項，需要輸入整個測區所有的1B產品和測區基本信息；(2)如果不使用快速處理選項，可獲得更好的DSM，但是還必須輸入空三平差修正後的外方位元素(即2B產品)。輸出項為具有地理坐標的測區DSM、DSM的不確定範圍及正射影像圖。這些輸出空間解析度為0.05m，按15m*15m分幅。每個測區定義投影方式和坐標起始點，每一個測區對應一個HDF文件，這個HDF文件包含測區的所有(有數據的)圖幅，通過一個索引表記錄這些圖幅的相對位置。
算法流程主要為(1)如果使用快速處理選項，則直接對1C處理產生的粗DSM進行連接和投影變換，之後對1B數據進行正射校正；(2)如果不使用快速處理選項，則先在測區內分圖幅，每一個圖像塊選擇一個1B數據作為基準圖像，在基準圖像上提取邊緣點，預測這些邊緣點在其它角度的1B圖像中的位置，進行邊緣點的匹配，成功匹配的同名點前方交會計算三維坐標，用光滑樣條對同名點高程插值得到DSM，利用共線方程做正射校正。
權利要求
1.一種利用機載多角度成像系統輔以GPS/POS位置姿態測量裝置的攝影測量地形測繪技術，包括硬體裝置和相應的數據處理軟體系統。其特徵是硬體系統具有穩定的機械結構，保證相機始終垂直向下拍攝；具有相當的加工和裝配精度，圖像採集部件和姿態測量部件均牢固安裝在穩定平臺上，並要以相當的精度確定二者之間的位置姿態關係；硬體裝置保證連續、可靠的採集圖像和記錄GPS/POS測量的曝光時刻相機位置和姿態；軟體系統包括圖像拼接、影像與姿態對應、同名點搜索、空中三角測量平差以及前方交會等處理，可以準確的獲得地表數字模型(DSM)，並可做進一步的量測。
2.根據權利要求1所述的機載多角度成像測高技術，其特徵是通過機載測高系統對所獲取影像和GPS/POS獲得的圖像外方元素等信息的處理，得到準確的DSM，可脫離地面控制點的約束，極大減小外業工作量。
3.根據權利要求1所述的機載多角度成像測高技術，其特徵是硬體系統為適應機載條件，保證重量輕、體積小的同時具有相當的剛性；為滿足拍攝條件，硬體系統要有相當的穩定性。
4.根據權利要求2所述的機載多角度成像測高硬體系統，其特徵是具有姿態測量和控制功能的剛性平臺，能夠保證安裝其上的成像系統可以始終保持垂直拍攝。
5.根據權利要求2所述的機載多角度成像測高硬體系統，其特徵是利用高性能數位照相機快速可靠的採集圖像，並且連續記錄GPS/POS測量的相應圖像採集時刻的方位元素。
6.根據權利要求1所述的機載多角度成像測高技術，其特徵是軟體部分自定義多級HDF文件數據記錄格式，每級文件對應於不同的處理步驟及有關的輸入數出數據。
7.根據權利要求1所述的機載多角度成像測高技術，其特徵是根據待測地區地表高程的先驗知識，將前向、天頂和後向三個角度的圖像拼接後成為一個寬幅面的虛擬像機影像，增大影像重合度，滿足航空攝影測量對航向重疊的需要。
8.根據權利要求1所述的機載多角度成像測高技術，其特徵是在空中三角測量聯合平差模塊，設計具有針對性的稀疏矩陣算法加快平差運算速度；用戶自定義方式設定平差步驟及參數，提高平差過程的自動化程度。
9.根據權利要求1所述的機載多角度成像測高技術，其特徵是結合空間解析度由粗到細的逐級金字塔式匹配和核線匹配，準確在多張影像內尋找同名點；通過前方交會匹配同名點獲得地面三維坐標，並照合適的解析度進行樣條函數光滑得到DSM。
全文摘要
一種利用機載多角度成像系統輔以GPS/POS裝置的攝影測量地形測繪技術。硬體系統包括3個高性能數字相機、平臺、姿態測量系統(POS)、全球定位系統(GPS)、數據採集記錄系統(DCRS)以及中央控制單元(MCU)。軟體系統採用如下流程，首先對硬體部分採集的圖像進行預處理，包括獲得每景圖像拍照時刻的外方位元素，圖像的幾何畸變糾正以及圖像配準，而後經過空中三角測量平差得到修正後的圖像的外方位元素，由此外方位元素計算準確的數字地面模型(DSM)並進行相應的高度測量。本發明能夠大大減少地面控制點甚至完全不使用地面控制點而直接進行遙感圖像的地理定位，可以在很大程度上降低航空攝影測量的外業工作量，提高測圖效率，符合航空攝影測量的發展方向。
文檔編號G01C11/34GK1959343SQ20051011686
公開日2007年5月9日 申請日期2005年10月31日 優先權日2005年10月31日
發明者閻廣建, 汪駿發, 劉強, 蘇林, 王鵬新, 張吳明, 劉峻明, 肖志強 申請人:北京師範大學, 中國科學院上海技術物理研究所, 中國科學院遙感應用研究所, 中國農業大學