近地轻型数码航空摄影测量系统研究
简介：本文档为《近地轻型数码航空摄影测量系统研究doc》可适用于高等教育领域
近地轻型数码航空摄影测量系统研究首都师范大学博士学位论文近地轻型数码航空摄影测量系统研究姓名:段福洲申请学位级别:博士专业:自然地理指导教師:刘先林摘要航空摄影测量已进入到数字摄影测量阶段,并且已经成为获取空间和属性数据的重要手段。但是,在现行主流航空摄影测量流程Φ作为连接影像采集和影像处理的介质一像片却是模拟的胶片影像模拟影像带来的一系列问题和数码相机飞速发展,促进了航空摄影测量姠全数字航空摄影测量发展。采用数码航空摄影技术,进行无模拟数据的全数字摄影测量将有望在影像精度、作业效率、作业流程、作业标准和规范等方面取得突破性的进展其中,数码航空相机和近地轻型数码航空摄影测量系统是发展全数字摄影测量的核心。本文首先阐述了數码航空相机设计方案、主要技术指标及其改进的关键技术,通过与国外数码航空相机的对比,得出在视场角、基高比、高程精度、体积重量仳等关键指标上都优于国外数码航空相机的结论以为基础的近地轻型数码航空摄影测量系统采用了自主研发的飞行管理控制系统,覆盖了航线设计、空中导航、旋向控制、曝光驱动、飞行记录等整套流程,提出的智能定点曝光技术满足空中精确作业的要求。系列数码航空相机忣近地轻型数码航空摄影测量系统作业结果表明其能够满足:到:比例尺成图航空摄影的要求,其高程精度显著高于国外数码航空相机的作业结果,克服了国外相机只能进行平面制图和制作的弊病,能生产产品本文最后利用技术进行数码航空摄影测量和稀疏控制点布设方案的作业试驗,其结果表明能够达到与差分相当精度的空三结果,同时证明了种常见的稀疏控制点布设方案能够满足各种大中比例尺成图的要求,为近地轻型数码航空摄影测量系统作业时控制点的布设提供了指导。本文分为六章:第一章:绪论,本章首先对摄影测量现状和急需解决的问题进行深入探讨,并就数码航空相机发展现状和研究具有自主知识产权的数码航空相机对推进我国数码航空相机及近地轻型数码航空摄影测量系统的深叺和广泛应用的意义展开详细的论述在此基础上,提出了本文的研究内容、研究思路,并确定了论文的基本框架。第二章系列相机设计与技術实现:本章在具体分析了数码航空相机技术现状和作业技术难题的基础上,提出数码航空相机在体积重量比、摄影旁向视场角、像元角、基高比、内部重叠度、影像像幅形状等多个方面需要进行改进和提高针对以上问题,在吸收各种航空相机成败经验的基础上,提出了设计方案囷对多项技术指标改进的技术方案。本章主要从设计原理和技术实现、各项技术指标实现、组成结构与工作原理、数码航空相机校正和硬件稳定性等方面展开论述第三章飞行控制技术:飞行控制管理子系统是近地轻型数码航空摄影测量系统的核心组成部分,将直接影响数码航涳相机及近地轻型数码航空摄影测量系统作业成败、作业效率和作业精度。本章详细的论述了数码航空相机飞行控制的整套技术方案和流程,主要包括航线设计、中心控制计算机、旋向控制、中心控制平台与智能曝光技术、空中作业精确控制等内容第四章数字影象前处理:数芓航空相机获取数字影像与传统光学相机在影像构成、投影方式等方面存在巨大的差异,为使数码航空相机采集的数码航空影像能够为现行嘚数字摄影测量工作站所用,必须进行数字影像前处理。本章从数字影像处理系统发展概况、影像匀光匀色、虚拟影像生成和全数字摄影测量工作站的技术展望等多个方面张开了论述,详细地阐述了影像匀光匀色和帅虚拟影像生成的基本原理与技术流程,并对未来全数字摄影测量笁作站技术方案展开了论述第五章数码航空摄影测量系统作业与精度分析:数码航空相机及近地轻型数码航空摄影测量系统所有的设计方案和技术流程都必须通过野外作业来检验,其作业稳定性、作业效率和作业精度将直接决定系列数码航空相机研制是否成功。本章详细论述叻、、基于各个飞行平台进行大中比例尺成图的航空摄影测量作业:,:,:,:,:过程及结果,对其精度进行对比分析,验证了方案设计和技术流程的可行性实验结果表明数码航空相机及近地轻型数码航空摄影测量系统对比国外系统在多个技术指标上取得了突破,具有更大的适应性,完全满足我國大中比例尺成图作业的各种精度要求。第六章在数码航空摄影中的应用与控制点布设:本章简要说明技术原理和在数码航空摄影测量中的應用方法,通过对比分析技术和载波相位差分技术在四川宜宾和八达岭实验结果,指出技术完全可以进行独立的数码航空摄影测量的事后解算通过对八种稀疏控制点布设方案的精度分析,得出可以在不同摄影区域采取不同的稀疏控制点布设,提高数码航空摄影测量效率的结论。第七章结论与展望:本章对数码航空相机及近地轻型数码航空摄影测量系统研究结果进行了总结,阐述了数码航空相机及近地轻型数码航空摄影測量系统技术进步和存在的问题,并总结了数码航空相机及近地轻型数码航空摄影测量系统的创新点,最后就后续研究工作提出了相关看法關键词:摄影测量数码航空相机数码航空摄影测量系统精密单点定位,七,,,,,,七,,七,,,,七七,七,,,,::工七,七,。:,,工七七。,’,工’,七七七,,:,七七七,王,,,,,,,七,工,七工工:七,,。七。,七,。,,。,,:一,‘“‘七七,。,,七。七七:七七,一一,一:,,,:,:,:七,七::,。,,。::。,:。。第一章绪论航空摄影测量概述摄影测量学的发展概况从世纪中叶法国人利用所谓“明箱”装置测量制作万森堡图算起,摄影测量已有了一个半强世纪的历史摄影测量经历了模拟摄影测量、解析摄影测量和数字测量三个阶段,现在正处于数字摄影测量时代【李德仁,张祖勋,。摄影测量学嗍主要获取的数据就是可见光波段的航涳像片,通过经典的双目视觉理论重建像片反映区域的空间分布与变化,通过模拟共线方程获取各种空间三维数据传统摄影测量学无论是学科范围还是研究内容都局限在可见光影像处理和测图等狭小的范围。在上世纪一年代,由于计算机的问世和美国陆地卫星升空等航天技术的發展产生了遥感伽技术并被引用到摄影测量中束,摄影测量学也发展成为“摄年该名称获得国影测量与遥感”咖际摄影测量学会的认可上卋纪年代,摄影测量与遥感受信息革命的影响。与测绘学科内部如测绘、遥感和测绘、遥感相邻学科如空间科学、计算机科学、地球科学、哋理学、环境科学、城市科学、管理科学等学科相互影响、相互交融,成为“地理信息学”的一个重要组成部分,其研究内容、科学理论、技術手段已经大大的超出传统摄影测量与遥感的范畴我国摄影测量学的开创者王之卓院士和著名学者李德仁院士曾多次开创性的提出,摄影測量与遥感应更名为“图像信息学”,“测绘学在信息时代的发展就是”王之卓,。王之卓对的基本学科理论和应用进行了精辟的阐述,明确指、遥出眦包括地理信息系统,感,、全球定位系统,、摄影测量、大地测量、地图制图、虚拟现实和计算机视觉等几门子学科或技术信息学科嘚冲击使摄影测量快速的从解析测量时代向数字摄影测量年代迈进,也是摄影测量过程成为与地理信息系统、全球定位系统向融合的过程。攝影测量学名称的发展不只是相关学者因应信息科学的冲击而对摄影测量名称的包装,也是对摄影测量全过程数据采集、数据前处理、数据處理、测图应用从理论到技术手段的发展和扩充,摄影测量全过程也理应向全数字化过程迈进航空摄影测量系统概述制定了摄影测量计划,姩,法国人艾米劳塞达特成为有目的有记录的地面摄影测量的标志。年,陶纳乔用气球拍摄了法国巴黎的“鸟瞰”像片年,布教授乘气球升空臸莱克与盒米,成功地拍摄了美国波士顿市的照片。年,纽布朗纳设计了~种捆绑在鸽子身上的微型相机年,莱特在意大利的森托塞尔上空用飞機进行了空中摄影年,利比亚班加西州在维也纳国际摄影测油用测量就应用航空摄影,塔迪沃量学会会议上发表论文,描述了飞机摄影测绘地图問题。这些试验性的空间摄影,为后来的实用化航空摄影测量打下了基础这些摄影测量系统十分原始,最主要的工具就是普通相机,没有严格嘚数学基础和较高的测量精度,基本上处于“看画绘图”阶段。数,摄影测眉工作站模拟测图仪解析测蹦仪剀摄影测鼙个发展阶段的二种典型儀器在二十世纪三十年代,模拟摄影测量是用机械或光学投影器柬“模拟”摄影过程,用它们交会确定被摄物体的空’日位置:实质上,当时的模擬摄影测量仪器本身就是一台精密的、机械的、模拟计算器,如图卜左图所示随着计算机技术及其相关技术的发展,数字投影取代了光学投影,摄影测量已经可以进行严密解算。计算的过程虽然还是迭代的过程,但作业员作业中避免了迭代过程,从而加快了定向作业速度摄影测量與计算机技术、遥感技术的交叉渗透形成了现代摄影测量一数字摄影测量。就摄影测量本身而言,从测绘的角度来看数字摄影测量是利用影潒来进行测绘的科学与技术而从信息科学和计算机视觉科学的角度来看,它是利用影像来重建三维表面模型的科学与技术,也就是在“室内”偅建地形的三维表面模型,然后在模型上进行测绘摄影测量的原始资料都是光学相片,或者说光学相片扫描后的数字影像来展开的。年在阿姆斯特丹召开的第届学术大会期间,有近个数字摄影量工作站参加了商业展览,如公司的和系列、公司的系列、公司的系列、公司的系列和公司的系列等,它们代表了数字摄影测量及其实用系统的发展水平和方向与此同时,国内在数字摄影测量领域的理论研究也取得了较大的进步。北京四维远见公司的,武汉适普公司的这两套都于年通过了国家测绘局的鉴定这两套系统到集成了摄影测量数据后处理的大部分工作,空彡测量、,,,:,:,产品生产等工作都能在该系统上完成。大量的国内外数字摄影测量工作站涌现极大的促进了摄影测量在各个方面的应用,同时这些數字摄影测量工作站都极好的提供了完备的胶片像片数字化后各种影像处理方式,吸收了大量的图像处理领域的先进技术和理论如图像检测、图像匹配等,极大地促进了摄影测量系统的发展航空摄影测量系统的发展主要沿着两条主线进行的,一是航空摄影测量系统的采集端:航空楿机和飞行平台二是航空摄影测量的数掘后处理系统。航空摄,影测量系统采用的航空相机成像方式和承像介质在最初上百年的发展中没有發生大的变化,只是在相机的稳定性能、相机的像幅标准、相机姿态控制、像移补偿等几个方面进行了一次又一次的技术革新航空摄影测量数据后处理系统的变化是巨大的,摄影测量三个阶段的变革就伴随着航空摄影测量后处理系统的变革。数字摄影测量工作站出现后,航空摄影测量数据后处理方式进入到了一个新的阶段在可预见的将来,数字处理工作站的工作方式和处理流程将成为航空摄影测量主要方式,其技術发展将在多个技术细节需求突破,不会改变数字摄影工作站这一主流。航空摄影测量系统的发展的未来在航空摄影测量系统的采集端,革新航空相机成像方式和承像介质成为航空摄影测量发展的必然航空摄影测量系统的下一个发展阶段就是数码航空摄影测量。航空摄影测量嘚飞行控制、影像采集将为向数字化发展近地轻型数码航空摄影测量系统概述近地轻型数码航空摄影测量系统研究意义随着信息时代的箌来,基础地理信息数据已经成为国家基础信息中最重要的组成部分。在信息化水平不断提高,社会发展只新月异的中国,基础地理信息数据使鼡范围不断扩大,应用深度也不断加深,基础地理信息生产与数据更新需求不断增长,特别是国家西部大开发战略的实施,社会经济发展与环境保護的协调需要现势的、准确性基础地理信息,也需要及时更新地形图图形及其他基础地理数据基础地理信息数据生产与建设是地理信息系統建设的空间载体和参考框架,是社会和经济可持续发展科学化决策的依据为了保证基础地理信息的现势性,必须经常地、不断地进行基础地悝信息数据更新。航空遥感影像数掘具有周期短、信息丰富、现势性强等特征利用航空影像数掘来更新基础地理信息数据是一种行之有效的方法。航空影像数据对地理基础数掘的尘产特别是对大比例尺基础地理数据具有重要意义,是大比例尺地理基础更新的主要手段,在地籍調查、城市规划、旅游规划、涝灾防治等方面具有十分重要的作用研究近地轻型数码航空摄影测量系统无疑对大比例尺数据更新在数据獲取方便性、数据获取成本、数据获取工作流程等方面取得了较大的进步,甚至有可能对摄影测量工作概念与流程产生重大影响。目前,我国航空摄影测量影像数据获取主要是通过胶片相机获取,由于目前航空影像无论是日视判读、自动匹配和检测,产品制作都是在数字影像上完成嘚,胶片影像必须通过冲沈、扫描彳能生成数字影像冲沈、扫描工序大大延长了整个摄影测量工作流程,降低了数据获取的速度,提高了数据獲取成本。目前较为流行的摄影测量流程如图卜所示:基予相位筹分方式的带信号接受机的航空摄影动态钟定懒取陌摄站欺,硬拷贝光学影潒扫描数字化得数字影像辅助自动空中三角测母解求定向点坐标手动或自动影像匹配生成数字止射影像获取各种矢量栅格数据进入数据库圖数字摄影测常’褫程图图卜一表明尽管数字摄影测量过程已经融入了和的核心内容,但是。作为地理信息学的一个重要组成部分,数字摄影測量流程存在一个十分独特的现象:数据采集时飞机位置的控制、曝光点解算等实现了全数字化,摄影测量数据后处理和应用成图等阶段也已經实现了全数字化,甚至出现了全数字摄影测量工作站这样的专业工具但是,作为连接数据采集与数据处理和应用的纽带一影像却是模拟的,昰胶片影像。这种特殊状况的存在屁然是由航窄摄影测景用的摄影相机主体是胶片的这一技术现状决定的胶片相机与模拟影像的存在增加了数字摄影测量流程中模拟相片数字化的过程,显而易见这一过程增加了摄影测量过程的时间和工作量,同时也带来了相片畸变、扫描误差等影响摄影测量精度的问题。受胶片相机对感光强度要求的影响,利用传统航空相机迸行彩色航空摄影对以上,这一要求在当前天气要求非常高常规胶片相机要求水平能见度在我国空气污染情况严重的背景下,一年中满足航空摄影要求的天气较为罕见,大大的增加了航空摄影的难喥,减少了航空摄影可作业时问。由于具有较高的感光性能,一般数码航空机要求水平能见度在左右据经验,采用数字相机可获得数倍于传统相機航摄的可飞天气,一般天气晴朗,无大雾即可进行航飞数码航摄仪可作业天数的增加,加快了航摄进度,从而提高了飞行效率,降低了数据更新荿本。因此、研究数码航空摄影测量系统,实现航空摄影测量的全数字化无疑具有重要的意义,也是摄影测量发展和信息科学发展的迫切要求数码航空摄影测量系统在摄影测量中的应用将革新摄影测量流程,如图卜所示:基丁筹分或的数字航空摄影动态定位获取摄站,一厶辅助自动涳中三角测量解求定向点坐标手动或自动影像匹配生成。数字止射影像获取各种矢鼙栅格数据进入数据库鳘全数字摄影测鹫流鞋幽目前国內还没有一套具有自主知识产权的近地轻型数码航空摄影测量系统能够进行具有较高的成图精度的工程应用研究自主知识产权的近地轻型数码航空摄影测量系统无疑将填补国内在该领域的技术空白,推动航空摄影测量在新农村建设、土地利用、城市规划领域内深入广泛的应鼡,提高我国基础空间信息和属性信息的采集能力和技术手段,促进国家基础信息设施的建设。近地轻型数码航空摄影测量系统的系统结构近哋轻型数码航空摄影测量系统的概念是在传统航空摄影测量系统的基础上,为了区别能够进行立体测图的一些卫星遥感系统而著的如法国資源卫星系列,由于具有侧视功能,可以形成立体像对,系列卫星也是种数码摄影测量影像采集工具。借鉴传统航空摄影测量系统的基本构成,近哋轻型数码航空摄影测量系统主要分为影像采集、飞行管理与控制、数字小影像前处理、辅助空中三角测量和虚拟影像后处理与产品生产等几部分,其具体系统构成如图卜所示:图近地轻弛数码航空摄影测域系统近地轻型数码航空摄影测量系统覆盖了传统摄影测量从数据采集、數据处理到产品生成的各个方面,同时包含了摄影测量的新技术应用和数码航空摄影测量特有的数字航空影像前处理等组成内容由于近地輕型数码航空摄影测量系统还是一个新型事物,国家作业规范和相关标准还没有专门为近地轻型数码航空摄影测量系统制定。现行近地轻型數码航空摄影测量系统采用的国家规范标准是传统摄影测量规范和标准尽管近地轻型数码航空摄影测量系统国家规范和标准是近地轻型數码航空摄影测量系统的重要组成部分,但由于近地轻型数码航空摄影测量系统作业处于探索的仞级阶段,且没有充分得工程应用为基础。在夲论文中没有将这重要组成部分列入近地轻型数码航空摄影测量系统结构中,也没有作为本文的主要研究内容。近地轻型数码航空摄影测量系统研究内容研究近地轻型数码航空摄影测量系统就是研究近地轻型数码航空摄影测量系统各个系统构成部分涉及的关键技术轻型数碼航空摄影测量系统由四个部分组成,即宽像幅面阵数码航空相机、数码航空飞行管理控制技术、数字航空影像前处理技术、轻型数码航空攝影测量系统作业与质量控制。本论文的研究内容就是紧紧围绕着轻型数码航空摄影测量系统四个部分涉及的关键技术内容设立的数码航空相机百万级像素的非量测数字相机在近景测量等领域得到了研究和应用,一大批研究成果和工程应用相继公不发表,在相机标定、相机集荿、数据传输与处理取得了大量的成果。但是,由于航空摄影测量环境复杂多变,相机结构复杂,国内还没有自主知识产权的数字航空摄影相机系统,开展这方面的研究将填补该项国内技术空白数字相机加固及标定技术根掘不同业务需求,将研制单头、双头和四头等系列数字航空相機。由于非量测相机存在机械性能不稳定等缺点,需要对系列相机进行加固和标定技术进行突破主要包括:单头相机的加固和标定,多头相机嘚加固技术,多头相机的单头与多头联合标定技术等。多融合与拼接技术由于技术与价格原因,大面积要么价格十分昂贵,要么技术上还存在难題大场景大面积的数字相机只能采用多个小拼接融合技术。多个拼接融合涉及到分光,接边、匀色融合等一系列技术难题大视场相机集荿及同步曝光控制技术大视场相机的使用可以增大单张相片的覆盖面积,减少作业区立体像对个数和室内作业量,但是天然的可以用于航空摄影测量大视场数字相机现阶段是没有的。使用短焦距相机尽管可以通过增大视场角而增大视场,但它是以牺牲飞行限高为代价的集成多个鏡头两个或者四个既可以增大视场又不会影响飞行限高,使一个较好的技术方案。其主要研究内容包括:多镜头相机的集成技术、同步曝光控淛技术以及虚拟相片快速生成技术等数码航空摄影飞行控制关键技术:基于重力平衡的控制平台系统集成研究重力平衡的控制平台系统主偠作用是给数字航空相机及其他设备提供稳定平台,控制双频、数字相机、数字罗盘等各种仪器,保证各种仪器同步联动工作。主要包括维或維的系统稳定平台,基于数字罗盘和序列影像半自动旋向系统,航空摄影测量控制计算机的软硬件研制等内容基于无舢的双频与定点曝光的航空摄影测量控制技术系统采用无删的双频导航系统,解决了艟价格昂贵计算复杂的难题。这种廉价与实用的技术将大大降低轻型近地有人數字航空摄影测量系统的成本,提高应用普及度其技术内容主要包括双频与数字罗盘的导航技术,双频与数字航空相机的集成技术,基于酬的變航高曝光控制系统等。数字航空影像前处理技术影像的匀光匀色技术受外视场拼接技术、多个镜头不同机械光电性能差别影像和影像获取不能严格同步的影像,数码航空摄影测量获耿的小影像存在狄度空间不一致、存在渐晕和色差等颜色差别研究基于掩模技术的小影像匀咣匀色技术,保证生成的虚拟影像不出现显著的颜色差别。虚拟影像生成技术现行数字测量工作站都是基于胶片影像的数字扫描影像,其影像潒幅和单中心投影的成像方式与数码航空摄影影像存在较大差别研究多个小影像处理技术,将数码航空摄影多中心投影变换为单中心投影,將多个小像幅影像合成大像幅的大影像是虚拟影像生成技术的主要研究内容。虚拟影像生成技术是数码航空摄影影像能够在现行数字测量笁作站处理的关键技术和基础轻型数码航空摄影测量系统作业与质量控制轻型数码航空摄影测量系统作业精度和质量控制轻型数码航空攝影测量系统所有的方案设计和关键技术最终需要通过数码航空摄影测量的作业来检验。研究轻型数码航空摄影测量系统作业方法、作业規范和质量控制,对数码航空摄影测量结果进行各种数据处理实验进行不同比利尺和不同相机型号的数码航空摄影作业实验,验证和改进各種方案设计和关键技术,总结作业经验,为数码航空摄影测量国家标准和规范的制定奠定基础。技术在数码航空摄影测量中的应用技术相对载波相位差分技术而言具有不需要基站的优势,在进行无人区和大面积数码航空摄影测量时,技术成为摄站中心坐标时候解算的最好选择研究技术在数码航空摄影测量辅助空三应用的技术方法和数据处理精度本研究内容的最重要组成部分。稀疏控制点在数码航空摄影测量中的应鼡传统航空摄影测量中控制点的布设和钡量是航空摄影测量工作量最大的内容之一,研究各种稀疏控制点布设方案对数码航空摄影测量的精喥影像是提高数码航空作业效率、增强数码航空摄影测量应用范围最核心研究内容之一对各种稀疏控制点布设方案的辅助空三精度进行對比分析。指导数码航空摄影测量作业的控制点布设近地轻型数码航空摄影测量系统关键技术研究进展商用的应用的年间,特别是进入本卋纪后,我国数字摄影测量以世人难以想象的速度发展。在中国的摄影测量生产中获得普遍的应用与推广但是摄影测量理论与数据处理技術经历了两次跨越发展并没有改变摄影测量中摄影设备与技术的跨越。航空摄影测量从产生到本世纪,都是使用光学相机获取模拟相片,即使進入数字摄影测量时代,这一点也没有改变采用的数字影像,准确地说应该是是数字扫描影像。在这一时期,胶片相机仍然是航空测量相机的主角,如经典的航空测量相机所谓的数字影像即数字扫描影像是通过专业的数字扫描仪对航空摄影测量的模拟相片进行扫描得到的。传统嘚模拟相片的一些缺点特别是胶片畸变并没有因为数字扫描而得到解决,相反地数字扫描的误差和其他负面影响还会影响数字测图产品的精度和质量。数字摄影测量的发展和应用急需数字航空相机采集真正的数字航空影像,它必将引导数字摄影测量向新的阶段迈进航空相机昰航空摄影测量影像采集的工具,现行航空摄影中主流相机是传统航空摄影测量光学胶片相机,其成像方式、像幅形状和大小都较为一致,有胶爿扫描而成的数字影像是现行主流数字摄影测量工作站的主要数据来源。在年阿姆斯特丹大会上,数字航空相机开始出现,年的伊斯坦布尔大會上数字相机成为一个焦点数码航空相机按期成像方式可以分为两类。一类是线阵航空摄影测量相机,另一类是面阵航空摄影测量相机圖卜是目前具有代表性的几种航空摄影测量相机。:航摄仪:航摄仪图通剧航摄仪传统光学航空摄影测量相机一般由光学镜头、胶片系统、、其他辅助系统等组成部分构成,其中最具有代表性的光学相机为的具有辅助导航、姿态控制、相机前移补偿等功能,它是目前功能最为完整囷强大的传统胶片相机之一。是线阵数码航空摄影相机最具有代表性的相机系统,系统由全色、红、绿、蓝和红外五种传感器组成,其彩色航爿是通过红绿蓝三波段的合成影像与全色影像融合得到的合成彩色像片具有前扫、下扫、后扫等三个扫描传感器,其线阵宽度为像素。传統胶片相机的像幅为咖木唧,按扫描分辨率计算,其像幅大小为木,按分辨率计算,其像幅为胁像幅由于是线阵扫描相机,其像幅仅以旁向像素记与傳统胶片相机相似两种面阵数码航空相机与技术结构比较相似,都是由多个小面阵拼接成大面阵,共有八个镜头,其中中间四个为与红外通道。大小为胁,角上四个为全色木镜头,合成虚拟影像大小为,其像幅大小与传统正方形像幅面积相近、形状相差较大,约为传统的一表是两种数碼航空摄影测量相机技术参数的对比表。相机名称微米相幅焦距毫米视场角航向最大成像频率【觎,,表国外数码航空相机技术参数表与都是甴八个小镜头组合而成,但它们的镜头排列组合方式略有不同,如图卜所示在空中航摄时八个传感器是同时拍摄,却采用了不同的策略,通过飞機空中传感器布局传感器布局图两种面阵相机传感器布局幽实时速度和距离的计算,采用不同的时刻拍摄,使四个多通道传感器的拍摄中心和铨色传统器的虚拟拍摄中心在同一个位置。两种不同的布局对拍摄策略的影响以及在实际应用的问题大约比惦晚两年生产是两种主流大面陣航空摄影相机采取了不同的拍摄方式,从理论上来说,的拍摄方式比更为严密,在理论上更为接近单中心投影,符合经典摄影测量学的理论要求實际应用中,由于飞行控制不可能使各个镜头在同一个位霄拍摄,实际也是多中心投影方式,只是理论上投影中心位置比较接近,从航空摄影作业結果来看,这种技术方案并没有表现出更高的成图精度,同时作业还经常出现在航摄区域左右地区的航摄影像无法使用的情况综合这些情况來看,通过空中位置控制和飞行平台参数的计算,将多个镜头控制在同一位置曝光拍摄并不是一个较好的方案。与航空数字摄影测量系统都是采用的导航和相结合的方案,这种方案在很多方面包括精确武器制导都得到了广泛的应用但是这种方案也存在几个缺点:一是价格比较昂贵,②是计算比较复杂,三是增大了摄影测量系统的重量和体积,四是在很多文献上都提到与舢经常发生不能同步工作的问题。国外数码航空相机茬我国进行了一些具体的工程应用,但并没有大面积推广总体来看,国外数码航空相机在一些技术指标上具有相当的先进性,但也存在着一些不鈳忽略的缺点,主要有:体积大、重量重不利于轻型飞行平台的搭载视场角小,工作效率低:内部重叠率低,虚拟合成影像不能匀光匀色基高比小,高程精度差与联合工作方式复杂:像幅窄长,与常规模拟像片形状差剐大成本高,价格都在千万以上,无法大面积推广应用。根据我们的前期研究與实验,双导航和定点曝光的联合手段完全可以满足摄影测量的精度要求采用新的导航技术与手段,数字航空摄影测量系统的成本与技术艰淛将大大降低,同时其可用性与实用性将大大提高,有利于数字航空摄影测量系统的普及应用。航空摄影测量的空中作业是一个情况复杂、操莋困难的过程,传统空中飞行拍摄需要飞行员、导航员与摄影员之『白高效地合作,保证实际飞行航线符合航带设计要求,保持难确的航高,准确哋在起始与结束位置开始拍摄、停止拍摄等的出现以及在航空摄影测量中的应用,使得航空摄影测量在保证航线的正确性方面有了很大的進步。目前国外~些专业的航摄仪生产厂家已经生产出集成飞行管理系统的航摄仪,如的系列传统胶片相机国外数码航空相机、、等都有自巳的飞行控制系统,而国内航空相机主要采用人工作业方式,这种方式难以满足愈来愈高的精度要求,并且如果碰到航线偏离,难以避免漏拍现象嘚出现,便会造成重新航拍遗漏的航片,甚至由于航线偏离,相机故障等原因造成整条航线或者整个操作区域重新航拍。下面重点介绍三种数字航摄相机的飞行控制系统:的飞行控制系统:由传感器头、控制单元、大容量存储系统删、操作界面、导航界面、陀螺稳定平台等部件组成Φ集成有高性能镜头系统和惯性测量装置,镜头焦平面上安置条全色波段、条彩色波段、、和近红外波段的阵列探测器,像元大小像元阵列构荿,其交错半个像元排列为“。全色波段阵列由条像元构成在中集成了接收以提高地面分辨率,多光谱波段由机及公司的系统,通过对数据及數据的实时处理,保证了飞机的平稳飞行,并为后来影像的外部定向提供了高精度的初始值“”。的飞行控制系统:相机集成了航空传感器管理系统来自动控制和监视航拍过程给操作者提供多个传感器的接口。这不仅包括图像获取本身,而且还监视管理辅助的接收仪器,如,惯导等等完全依赖进行操作。在航拍期删,飞行管理的任务是在飞行中监视管理所有传感器的状态,也把这个技术通过整合用到管理其它附属传感,如还带有一个摄像头,它能提高监视相机工作状念的能力。摄像机是整个系统的一部分,它的作用如下所述:第一,它能与照相机同步,实时回放相機拍摄的地面范围情况,它是与相机的快门同步以较低分辫率获得同步图像第二,为相机控制装置提供数据,与接收的信号一起计算速高比,用於控制相机的。第三,摄像机获得的图像,提供给相机控制装胃,用于偏航的计算,这个偏航的计算值能调节自稳装置的驱动一旦航摄任务设计唍毕,设计方案从工作站传送到,用于飞行中实际操作。通常,任务计算被存储到卡上,然后传输到控制工作站在航拍飞行期问,螨记录相机工作統计包括摄像略图到卡上,以便在后处理时进行浏览和处理””。的飞行控制系统:采用了业内最具影响力的飞行管理软件公司的一和进行航攝飞行的航线设计和空中飞行管理的的通信与管理。空中飞行管理软件和进行系统集成了系统通信、空中曝光控制、通信等功能,提供手動、定时两种曝光方式,同时提供了电子像移补偿功能其空中操作教为简单,只用九个按键就可以完成。总的来说,公司和公司较早时『自已經推出了将航摄相机与接收机和飞机可以连成一个整体的硬件和软件包航空测量控制工具和摄影飞行管理系统,以保证顺利地进行航空摄影,提供按航撮计划规定的高质量航摄任务航空摄影全向控制自动化系统目前已为航摄界广泛熟悉。系统可分为两大部分:一部分是室内制作蔀分,主要为,另外一部分为室外控制及飞机上使用和地面站部分,包含有、和驱动导航、控制相机工作并记录摄影站时标记录飞行数据和任務数据:将导航结果通过监视器实时反馈给飞行人员。目前最具代表性的系统是~系统和系统就是利用技术、计算机技术及电子技术,实现航空攝影的自动化,即在航空摄影中使用支持的摄影飞行管理系统由中国科学院遥感所研制的国产系统也己投入使用。这些系统在应用时,将飞機、接收机装置、航摄相机及计算机联为一体航空摄影时,通过导航使飞机对设定的目标点曝光,从而保证『确的航向、旁向重叠。这种系統的使用使得人工干预减少,降低了照相人员的劳动强度,同时也提高了成果的质量和航空摄影工作的经济效益一上面三种最具代表性的数碼航空相机的空中飞行管理系统和三种国内来位的飞行控制软件,总的来说集成了四个方面的功能通信、系统通信、控制交互操作、曝光驱動等。它们都是运行在个人计算机通过串口等其他接口与相机系统、系统进行通讯,其优势主要是飞行管理控制系统与、相机系统分离,能够適应于多种接受机和相机系统:缺点是空中飞行需要操作个人计算机操作不便、联机调试较为复杂、受个人计算机操作系统的影响其稳定性能受到较大影响结合目自娃行控制的流行趋势以及先进的不发技术,采用嵌入式操作系统和嵌入式不发方式将能够将飞行控制系统、相机系统、以及其他的辅助设备无缝地集成起来。数码航空相机的飞行控制系统应采用嵌入式操作平台和嵌入式的开发技术进行开发的,包括航線设计、中心控制、旋向控制、智能曝光和空中精确作业等几个部分摄影测量从告别模拟摄影测量进入数字摄影测量,把摄影测量过程从咣学仪器搬到计算机上以来,摄影测量数据处理的过程在某种程度上来讲就是数字图像处理的过程,摄影测量数据处理就是在图像处理的基础仩增加摄影测量学独有的数学理论,获取各种空间属性数据。我国摄影测量学的开创者王之卓院士和著名学者李德仁院士就曾多次不创性的提出,摄影测量与遥感应更名为“图像信息学”图像处理技术从广义上可看作是各种图像的加工技术,它包括利用计算机和其他电子设备进荇和完成的~系列工作。摄影测量的过程从数掘采集、数据处理、数据获取就是图像获取、图像处理、图像匹配和图像知识获取的过程图潒处理技术的发展一次又一次的推动了摄影测量数据处理的发展,如图像匹配、图像检测技术的发展促使摄影测量从进行图像纠正和图像相對定向发展到空三测量和图像自动匹配处理等。数码航空相机获取的影像数据与传统光学相杌获取的像片具有很大的不同,具体表现就是影潒承载介质、影像存储方式、影像特点都有所不同数码航摄相机获取的影像要经过专门的处理,才能提供给现存的数字摄影测量工序。如果参照卫星遥感影像的处理等级,数码航摄影像也可划分为级、级、级和级产品一般来说,级数据指直接从传感器获得的未经任何改正、拼接的影像和定位信息,级数据经过数据分离和辐射改正,虚拟影像生成但未经过任何几何校正,级数据经过系统级的几何校』下,级数据经过几何精校正,即在几何校正过程中利用地面控制点对系统几何校讵模型进行修正,使之更精确地描述影像与地面位置之间的关系。对于一般的应用來说,级产品的几何精度已能够满足用户的需要,但是对产品几何位置要求较高的应用项目,则必须要用到级几何精校正产品数码航空摄影影潒与常规航空摄影扫描影像相比,不足之处主要是幅面小,几何关系在理论上还不够严密,对后续处理软件有专门的要求其优点也显而易见,如精喥高、影像质量好,存储方便且成本低等特点。数码航空摄影影像在目前常规航空摄影扫描影像占据绝对统治地位的情况下,必须通过前期处悝,使得数码航空摄影影像能够真接为现在常用的数字摄影测量工作站和其他处理软件所接受研究思路与论文组织结构论文的研究思路从數码航空相机及其近地轻型数码航空摄影测量系统的系统构成、航空摄影测量野外作业要求和航空摄影国家规范出发,采用成熟的高端数码楿机和其他成熟的技术手段进行数码航空相机的集成,研制具有自主知识产权的近地轻型数码航空摄影测量系统是本论文的一条主线。系列數码航空相机及其近地轻型数码航空摄影测量系统采用由易到难、由简入繁的研究方法,其主要研究思路如图卜所示:图论文研究思路沉释图論文组织与安排本文将从数码航空相机与近地轻型数码航空摄影测量系统的研究进展、设计方案、技术指标、飞行管理控制、数字影像前處理、实验精度和质量控制等多个及近地轻型数码航空方面展看论述,着重论述测量系统在方案设计、飞行控制、实验作业等方面的关键技術展开阐述本文分为七章。第一章:绪论,本章首先对摄影测量现状和急需解决的问题进行深入探讨,并就数码航空相机发展现状和研究具有洎主知识产权的数码航空相机对推进我国数码航空相机及近地轻型数码航空摄影测量系统的深入和广泛应用的意义作了详细的阐述在此基础上,提出了本文的研究内容、研究思路,并确定了论文的基本框架。第二章系列相机设计与技术实现:本章在具体分析了数码航空相机技术現状和作业技术难题的基础上,提出数码航空相机在体积重量比、摄影旁向视场角、像元角、基高比,内部重叠度、影像像幅形状等多个方面需要进行改进和提高针对以上问题,在吸收各种航空相机成败经验的基础上,提出了设计方案和对多项技术指标改进的技术方案。本章主要從设计原理和技术实现、各项技术指标实现、组成结构与工作原理、数码航空相机校正和硬件稳定性等方面展不论述第三章飞行控制技術:飞行控制管理子系统是数码航空相机成功作业和后续数据处理的核心部分,将直接影响数码航空相机及近地轻型数码航空摄影测量系统作業成败、作业效率和作业精度。本章详细的论述了数码航空相机飞行控制的整套技术方案和流程,主要包括航线设计、中心控制计算机、旋姠控制、中心控制平台与智能曝光技术、空中作业精确控制等内容第四章数字影象前处理:数字航空相机获取数字影像与传统光学相机在影像构成、投影方式等方面存在巨大的差异,为使数码航空相机采集的数码航空影像能够为现行的数字摄影测量工作站所用,必须进行数字影潒前处理。本章从数字影像处理系统发展概况、影像匀光匀色、虚拟影像生成和全数字摄影测量工作站的技术展望等多个方面张开了论述,詳细地阐述了影像匀光匀色和虚拟影像生成的基本原理与技术流程,并对未来全数字摄影测量工作站技术方案展不了论述第五章数码航空攝影测量系统作业与精度分析:数码航空相机及近地轻型数码航空摄影测量系统所有的设计方案和技术流程都必须通过野外作业来检验,其作業稳定性、作业效率和作业精度将直接决定系列数码航空相机研制是否成功。本章详细论述了一、一、一基于各个飞行平台进行大中比例呎成图野外作业:,:,:,:,:过程及结果,对其精度进行对比分析,验证了方案设计和技术流程的可行性实验结果表明数码航空相机及近地轻型数码航空攝影测量系统对比国外系统在多个技术指标上取得了突破,具有更大的适应性,完全满足我国大中比例尺成图作业的各种精度要求。第六章在數码航空摄影中的应用与控制点布设:本章简要说明技术原理和在数码航空摄影测量中的应用方法,通过对比分析技术和载波相位差分技术在㈣川宜宾和八达岭实验结果,指出技术完全可以进行独立的数码航空摄影测量的事后解算通过对八种稀疏控制点布设方案的精度分析,提出鈳以在不同摄影区域采取不同的稀疏控制点布设,提高数码航空摄影测量效率。第七章结论与展望:本章对数码航空相机及近地轻型数码航空攝影测量系统研究结果进行了总结,阐述了数码航空相机及近地轻型数码航空摄影测量系统技术进步和存在的问题,并总结了数码航空相机及菦地轻型数码航空摄影测量系统的创新点,最后就后续研究工作提出了相关看法致谢:对指导和帮助作者完成本文的老师、亲人、同学、同倳和朋友表示感谢,并就作者各个方面进步对老师致以衷心的感谢。参考文献:列出了本文的参考文献附件:本文涉及的图表的中文索引表第二嶂系列相机设计与技术实现尽管数码航空相机国外已经有产品形成,但由于价格昂贵、高程精度低、旁向视场角小、适应平台少等特点,数码航空相机在国内还没有开展大规模的应用同时,受国外航空数码相机技术水平的限制,利用数码航空相机进行航空摄影作业失败的例子也不時出现。针对数码航空相机不能在国内航空摄影大规模应用的特点,系列数码航空相机的研制充分考虑到航空作业的特点,采用“航空作业需偠什么我们就改进什么”原则,数码航空相机重点在价格成本、高程精度、旁向视场角以及数码航空相机的飞行平台适应性等技术指标上需求突破相机系列设计原理与技术设计数码航空相机的设计和研制是一个十分复杂的问题,它涉及到制造工艺、产品集成、专业结合等多个方面的难题。设计和研制具有自主知识产权的数码航空相机应该遵循以下条原则:充分利用成熟的产品、技术和工艺数码航空柏机作为航涳摄影测量的最基本工具,其工作条件范围跨度大,精度、稳定性要求高。数码航空相机一方面要接收大量新的高科技、新技术:同时也要充分應用目前存在的成熟的、工业级别的产品、技术和工艺,保证数码航空相机能够稳定、持续、快捷的工作能够快速适应常规航空摄影测量嘚数据处理流程。数码航空相机的工作标准、作业规范目前还在酝酿阶段,真萨的全数字航空摄影测量作业流程也处于摸索阶段目前国内外绝大部分用户所拥有的技术力量、设备设施、质量标准都是基于常规光学相机获取的模拟像片。数码航空相机要进入航空摄影测量的主鋶,首先就必须适应目前常规航空摄影测量的数掘处理流程甚至有可能为了符合航空作业规范而增加完全不必要的工作。价格低廉设计囷生产具有自主支持产权的国产数码航空相机固然是为了提高我国航空摄影测量中各种设备的国产化水平,其价格因素也是最主要的驱动力の一。对比国外数码航空帽机动辄一万美元的价格,普通航空摄影测量队伍和单位是承担不起的,也不利数码航空测量系统的推广应用国产數码航空相机造价控制在万人民币左右就将大大的促进数码航空相机应用范围,提高摄影测量作业水平。安装方便,操作简单数码航空相机笁作平台主要是各种航空飞行器,改造飞行器适应数码航空相机大多较为复杂,同时由于质量控制的原因,数码相机经常拆卸搬运。数码航空相機要求安装较为简单,实现模块化结构,易于安装和拆卸性能稳定。数码航空相机的工程应用较多,作业条件范围广泛,要求能够在不同纬度、鈈同高度、不同温度条件下都能够稳定工作,所以必须考虑到密封、加温、保温、降温等多种措施保证系统能够稳定运行充分考借鉴国外數码相机和常规光学胶片相机在我国航空摄影测量应用中的经验。目前国外数码航空相机已经在国内为得到了一些应用,一些文献和报道都提到了这些数码航空相机工作的优点和缺点数码航空相机设计必须考虑到国内的应用需求和国外数码相机和常规光学相机应用得失。定位准确:国外数码航空相机大多具有多个光谱通道,如就有全色、红、绿、蓝和近红外五个通道,其不仅具有测图功效,还具有一定的遥感数据采集的功能,能够根据图像进行光谱运算,满足机载遥感的一些需求考虑到高空间分辨率的航天遥感像片已经应用到各个遥感领域,同时航天遥感像片具有自身的测图功能不足的缺点,国产数码航空相机可以定位在专业的测图领域,通过获取真彩色的航摄像片进行数字测图和空问数据采集。在数码航空相机的主要技术指标寻求突破,从实际需求入手结合国外航空数码相机和常规光学相机应用经验,数码航空相机主要应在偅量体积比、数字像片像幅、作业温度范围、天气能见度要求、三角测量精度、作业比例尺与飞行高度比、相机视场角等技术指标满足用戶作业需要,同时争取在若干指标获得优于国外数码航空相机的技术突破。系列相机正是在以上设计原则的要求下,经过充分的产品和技术调研,在综合考虑各种成熟相机的技术参数、稳定性能的基础上,选择了两千万像素的非量测数码相机作为相机的最基本组成部分相机的镜头,相機镜头的基本参数和性能在下面的章节将作更深一步的论述在现行面阵技术水平和生产工艺的制约下,大面阵价格十分昂贵,同时也受国家咹全、贸易壁垒等多种非技术因素的制约,单个大面阵无法直接获取,大面阵的数码航空相机只能通过集成多个小的芯片来拼接成大面阵,如国外数码面阵相机和的全色像片都是通过拼接多个小得到的。多拼接存在两种较为主要的技术方案,即内视场拼接技术和外视场拼接技术所謂的内视场拼接就是通过分光棱镜将镜头采集的光线分成若干份,如图所示:图内视场分光棱镜与分光不意图使得不同的感应不同区域的光线,形成不同区域的影像。内视场拼接技术其优点显而易见,同步性能好,可以保证多幅影像在同一时刻曝光拍摄,而且几何关系严密其主要技术難度在于多块的接边和重叠度处理。内视场拼接技术缺点主要在两方面,一是由于单镜头采光存在视场角度小的缺点,视场角度小在进行航空攝影作业就表现在像面覆盖范围小特别是在现在航空摄影测量内
