一种提高多相机合成影像摄影测量精度的方法

摘要

本发明公开了一种提高多相机合成影像摄影测量精度的方法，所述方法利用多相机合成影像拼接时与单相机原始影像间严密的相互转换关系，将多相机合成影像在空三平差、三维量测及正射纠正等摄影测量处理中直接观测的像点坐标精确地转换到单相机原始影像上得到单相机原始影像上的像点，再将多相机合成影像的外方位元素与单相机在多相机系统内确定的定向元素结合，使单相机原始影像上的像点和单相机物镜中心与其对应的地面点严格满足摄影测量的几何共线条件，再进行严密的摄影测量处理从而达到提高多相机合成影像摄影测量精度的目的。

主权项

1.一种提高多相机合成影像摄影测量精度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)对多相机系统进行检校得到多相机系统中每个单相机内方位元素、物镜畸变及在多相机坐标系中确定的外方位元素的相机参数；(2)根据测量项目的要求在相机搭载平台上安装所述多相机系统以及配套的定位导航设备对所述测量项目所在地区内的目标进行摄影，并得到所述多相机系统中所有单相机的原始影像及定位导航数据；(3)根据测量项目的要求对项目所在地区的地面控制点进行观测；(4)根据所述多相机系统的类型选定多相机合成影像拼接所需的投影变换方法，并依据步骤(1)得到的相机参数建立单相机原始影像与多相机合成影像之间严密的影像坐标相互转换关系；(5)将步骤(2)得到的每个单相机原始影像，然后按步骤(4)得到的影像坐标相互转换关系进行拼接，得到每个多相机合成影像及其内方位元素，并在多相机合成影像上标出单相机原始影像所对应的区域；(6)根据测量项目的要求，利用步骤(2)得到的定位导航数据、步骤(5)得到的多相机合成影像及其内方位元素以及步骤(1)得到的单相机参数建立空三平差、三维量测及正射纠正用的摄影测量数据处理工程；(7)根据步骤(6)建立的摄影测量数据处理工程对步骤(5)得到的多相机合成影像进行加密点像点坐标的自动与手工观测(什么是手工观测)，对步骤(3)得到的地面控制点在多相机合成影像上的对应像点坐标进行手工观测，并将这两类点在多相机合成影像上的影像坐标按步骤(4)建立的影像坐标相互转换关系以及步骤(5)得到的多相机合成影像上标出的单相机原始影像所对应的区域变换到单相机原始影像上，得到单相机原始影像上的影像坐标；(8)结合步骤(2)得到的定位导航数据对步骤(7)得到的单相机原始影像上的像点、所述像点所在单相机原始影像投影中心与其对应的地面点根据航空摄影或地面摄影的模式分别建立对应共线方程式，航空摄影模式下的共线方程式为：$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{GPSO}}+X_{\mathrm{GPS}}\\ Y_{\mathrm{GPSO}}+Y_{\mathrm{GPS}}\\ Z_{\mathrm{GPSO}}+Z_{\mathrm{GPS}}\end{array}\right]+R_{\mathrm{IMUO}}·R_{\mathrm{IMU}}·R_{\mathrm{virt}}(\left[\begin{array}{c}\Delta X_{\mathrm{GPS}-\mathrm{virt}}\\ \Delta Y_{\mathrm{GPS}-\mathrm{virt}}\\ \Delta Z_{\mathrm{GPS}-\mathrm{virt}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{X}_S^{\mathrm{sub}}\\ Y_S^{\mathrm{sub}}\\ Z_S^{\mathrm{sub}}\end{array}\right]+\lambda M_{\mathrm{sub}}\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{sub}}-x_{\mathrm{sub}}^0+\Delta x_{\mathrm{sub}}\\ y_{\mathrm{sub}}-y_{\mathrm{sub}}^0+\Delta y_{\mathrm{sub}}\\ -f_{\mathrm{sub}}\end{array}\right])---\left(1\right)$其中，X，Y，Z为对应地面点在物空间测图坐标系内的三维坐标，X_GPS，Y_GPS，Z_GPS为步骤(2)中定位导航设备在物空间测图坐标系内取得的摄站的三维坐标，X_GPSO，Y_GPSO，Z_GPSO为X_GPS，Y_GPS，Z_GPS在物空间测图坐标系内的起算值，R_IMU为步骤2中定位导航设备在物空间测图坐标系内取得的摄站的姿态角，由滚动角ω、俯仰角φ与方位角κ构成的旋转矩阵，R_IMUO为摄站的姿态角在物空间测图坐标系内的起算值，由滚动角ω0、俯仰角φ0与方位角κ0构成的旋转矩阵，R_virt为多相机系统坐标系与步骤(1)中定位导航设备坐标系方向不一致量，由滚动角ωvirt、俯仰角φvirt与方位角κvirt构成的旋转矩阵，M_sub为单相机在多相机系统坐标系内确定的方向角元素，由滚动角ωsub、俯仰角φsub与方位角κsub构成的旋转矩阵，ΔX_GPS-virt，ΔY_GPS-virt，ΔZ_GPS-virt为GPS天线中心在多相机坐标系内确定的相对位置，为单相机物镜中心在多相机坐标系内确定的相对位置，x_sub，y_sub为步骤(7)得到的单相机原始影像上的像点影像坐标，为单相机的主点位置，f_sub为单相机的主距，Δx_sub，Δy_sub为x_sub，y_sub中由单相机影像变形及物镜畸变等引起的系统误差补偿；地面摄影模式下的共线方程式为：$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{GPSO}}+X_{\mathrm{GPS}}\\ Y_{\mathrm{GPSO}}+Y_{\mathrm{GPS}}\\ Z_{\mathrm{GPSO}}+Z_{\mathrm{GPS}}\end{array}\right]+R_{\mathrm{IMUO}}·R_{\mathrm{IMU}}·R_{\mathrm{virt}}(\left[\begin{array}{c}\Delta X_{\mathrm{GPS}-\mathrm{virt}}\\ \Delta Y_{\mathrm{GPS}-\mathrm{virt}}\\ \Delta Z_{\mathrm{GPS}-\mathrm{virt}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{X}_S^{\mathrm{sub}}\\ Y_S^{\mathrm{sub}}\\ Z_S^{\mathrm{sub}}\end{array}\right]+\lambda M_{\mathrm{sub}}\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{sub}}-x_{\mathrm{sub}}^0+\Delta x_{\mathrm{sub}}\\ f_{\mathrm{sub}}\\ y_{\mathrm{sub}}-y_{\mathrm{sub}}^0+\Delta y_{\mathrm{sub}}\end{array}\right])---\left(2\right)$其中，R_IMUO、R_IMU、R_virt及M_sub分别为根据地面摄影模式定义的角元素来组成的旋转矩阵，其它符号所代表的含义与式(1)相同；(9)对步骤(8)建立的航空摄影模式与地面摄影模式下的共线方程式均按同样的方式进行线性化得到下列形式相同的误差方程式：$\left\{\begin{array}{cccccccc}{V}_P=C_{\mathrm{GPSIMU}}{X}_{\mathrm{GPSIMU}}+C_G{X}_G+C_A{X}_A+C_{\mathrm{GPS}-\mathrm{virt}}{X}_{\mathrm{GPS}-\mathrm{virt}}+C_{\mathrm{IMU}-\mathrm{virt}}{X}_{\mathrm{IMU}-\mathrm{virt}}+C_{\mathrm{virt}-\mathrm{sub}}{X}_{\mathrm{virt}-\mathrm{sub}}& & & & & & -L_P& P_P\\ V_G=& E_G{X}_G& & & & & -L_G& P_G\\ V_A=& & E_A{X}_A& & & & -L_A& P_A\\ V_{\mathrm{GPSIMU}}=E_{\mathrm{GPSIMU}}{X}_{\mathrm{GPSIMU}}& & & & & & -L_{\mathrm{GPSIMU}}& P_{\mathrm{GPSIMU}}\\ V_{\mathrm{GPS}-\mathrm{virt}}=& & & E_{\mathrm{GPS}-\mathrm{virt}}{X}_{\mathrm{GPS}-\mathrm{virt}}& & & -L_{\mathrm{GPS}-\mathrm{virt}}& P_{\mathrm{GPS}-\mathrm{virt}}\\ V_{\mathrm{IMU}-\mathrm{virt}}=& & & & E_{\mathrm{IMU}-\mathrm{virt}}{X}_{\mathrm{IMU}-\mathrm{virt}}& & -L_{\mathrm{IMU}-\mathrm{virt}}& P_{\mathrm{IMU}-\mathrm{virt}}\\ V_{\mathrm{virt}-\mathrm{sub}}=& & & & & E_{\mathrm{virt}-\mathrm{sub}}{X}_{\mathrm{virt}-\mathrm{sub}}& -L_{\mathrm{virt}-\mathrm{sub}}& P_{\mathrm{virt}-\mathrm{sub}}\end{array}\right.---\left(3\right)$其中，VP，VG，VA，VGPS-IMU，VGPS-virt，VIMU-virt及Vvirt-sub分别为单相机原始影像坐标、地面点物空间三维坐标、自检校附加参数、GPS/IMU定位导航数据、GPS天线中心到多相机合成影像投影中心偏移量、多相机坐标系与IMU坐标系不一致、以及单相机在多相机坐标系内的定向元素的观测值改正向量，XG，XA，XGPS-IMU，XGPS-virt，XIMU-virt及Xvirt-sub分别为地面点物空间三维坐标、自检校附加参数、GPS/IMU定位导航数据、GPS天线中心到多相机合成影像投影中心偏移量、多相机坐标系与IMU坐标系不一致、以及单相机在多相机坐标系内的定向元素作为平差未知数的改正数向量，CG，CA，CGPS-IMU，CGPS-virt，CIMU-virt及Cvirt-sub分别为XG，XA，XGPS-IMU，XGPS-virt，XIMU-virt及Xvirt-sub对应的系数矩阵，EG，EA，EGPS-IMU，EGPS-virt，EIMU-virt及Evirt-sub分别为XG，XA，XGPS-IMU，XGPS-virt，XIMU-virt及Xvirt-sub对应的单位系数矩阵，LP，LG，LA，LGPS-IMU，LGPS-virt，LIMU-virt及Lvirt-sub分别为VP，VG，VA，VGPS-IMU，VGPS-virt，VIMU-virt及Vvi rt-sub对应的常数向量，PP，PG，PA，PGPS-IMU，PGPS-virt，PIMU-virt及Pvirt-sub分别为单相机原始影像坐标、地面点物空间三维坐标、自检校附加参数、GPS/IMU定位导航数据、GPS天线中心到多相机合成影像投影中心偏移量、多相机坐标系与IMU坐标系不一致、以及单相机在多相机坐标系内的定向元素的观测值对应的权矩阵，反映这些观测值的精度；(10)根据摄影测量中空三平差的方法，用最小二乘法对步骤(9)建立的误差方程式进行法化组成法方程，通过迭代运算求得误差方程式中的未知数，当解算满足预先设定的精度条件时完成多相机合成影像的空三平差处理，得到空三平差的最后结果；(11)根据得到的空三平差结果对多相机合成影像进行三维量测，将多相机合成影像上观测的像点坐标按步骤(7)所述的处理方式转换到单相机原始影像上，得到单相机原始影像上的影像坐标，再将得到的空三平差结果中的多相机系统的外方位元素与对应的单相机在多相机系统内的定向元素结合，得到单相机在地面测图坐标系中的外方位元素，然后按摄影测量中的前方交会方法计算出观测点对应的空间三维坐标；(12)根据得到的空三平差结果及DEM或DSM对步骤(6)拼接的多相机合成影像进行正射纠正制作正射影像图，将DEM或DSM上的点先投影到多相机合成影像上，确定落入哪一个单相机原始影像对应区，再将DEM或DSM点按步骤(8)建立的共线方程式投影到该单相机原始影像上，得到该单相机原始影像上复原的影像坐标，再根据步骤(4)建立的单相机原始影像与多相机合成影像间严密的数学相互转换关系确定在合成影像上的位置，对多相机合成影像进行灰度采集赋予正射影像上对应像素。