一種帶約束條件的多面陣航攝儀平臺檢校方法與流程

本發明涉及航空攝影測量技術領域，尤其涉及一種帶約束條件的多面陣航攝儀平臺檢校方法。

背景技術：
航空相機已在世界范圍成功應用了幾十年，在過去的二十多年里，攝影測量的數據獲取手段逐漸向數碼相機的方向發展。從目前制造工藝和經濟因素兩方面考慮，單個數碼相機還無法取代傳統的膠片航空相機。為了采用更經濟的手段滿足大像幅航空攝影的需求，一些公司采用了多鏡頭組合相機。目前國際上主流的多鏡頭組合數碼航空相機產品主要包括UltraCam系列大像幅數碼航空相機，DMC大像幅數碼航空相機，國內則有SWDC-4和TOPDC-4大像幅數碼航空相機。多面陣航攝儀基于這種原理，通過在平臺上安裝四個數碼相機的方式，來獲取具有大范圍地面覆蓋度的拼接影像。多面陣航攝儀的平臺檢校就是準確獲取相機與虛擬投影面之間相對位置關系的過程，根據平臺檢校參數可以從子影像生成高精度的虛擬影像。平臺檢校是從子影像生成虛擬影像的關鍵步驟。只有準確知道了子影像與虛擬影像的相對外方位元素，才能根據投影變換公式，生成拼接后的虛擬影像。如果平臺檢校參數存在較大的誤差，那么虛擬影像中的地物點將不能正確反映該點的空間位置關系。平臺檢校可以精確計算出子影像到虛擬影像的相對外方位元素，使拼接后生成的虛擬影像等效于一張高精度的中心投影影像，保證了影像數據源的精度。現有技術中，多采用十字重疊區方式平臺檢校：這種平臺檢校方法可以采用同一時刻曝光的四張子影像，在十字形重疊區內匹配連接點，進行光束法平差。該方法利用重疊區的連接點進行計算，以其中1個相機為基準，計算其余3個相機與虛擬影像之間的相對外方位元素。現有技術的缺點：十字重疊區方式平臺檢校要求在四張子影像的重疊區有分布均勻的連接點，且數量不少于30～50個。當子影像重疊區范圍較小，或重疊區影像紋理貧乏，無法匹配出理想數量且分布均勻的連接點時，該方法無法準確計算出平臺檢校參數。

技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種帶約束條件的多面陣航攝儀平臺檢校方法，以解決上述問題。為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：一種帶約束條件的多面陣航攝儀平臺檢校方法，包括如下步驟：采用交叉飛行多個攝站曝光得到相鄰虛擬影像重疊度大于80%的多組子影像，并進行多張子影像的連接點匹配；利用地面檢校場的控制點，計算子相機的攝影中心距離及子相機線元素；在進行空中三角測量時，進行光束法區域網平差，根據控制點坐標、匹配后的子影像間的連接點，以及各子影像的外方位元素初值通過共線方程建立模型，將子相機的攝影中心距離作為已知值，即將子相機線元素常量作為約束條件，將平臺檢校參數作為一個整體進行解算，求解子影像外方位元素中角元素；其中，每個攝站上設置有四個相機，每個攝站同一時刻曝光四張子影像。與現有技術相比，本發明實施例的優點在于：本發明提供的一種帶約束條件的多面陣航攝儀平臺檢校方法，分析其原理可知：首先，采用多個攝站曝光得到相鄰虛擬影像重疊度大于80%的多組子影像，并進行多張子影像的連接點匹配；因為采取了大量子影像間的匹配，顯然多張子影像構成的重疊區域相對傳統的四張子影像構成十字形重疊區更大，重疊度更高，這樣擴大了連接點的匹配范圍，并可以匹配出大量分布均勻的連接點；然后利用地面檢校場的控制點，計算子相機的攝影中心距離及子相機線元素；當然，獲取攝影中心距離及子相機間的線元素等數據是實現檢校方法的第一個關鍵步驟。經過上述預處理操作，可以為建立數學模型提供數據基礎；然后，在進行空中三角測量時，進行光束法區域網平差，根據控制點坐標、匹配后的子影像間的連接點，以及各子影像的外方位元素初值和共線方程建立模型，將子相機的攝影中心距離作為已知值，即將所述子相機線元素常量作為約束條件，將平臺檢校參數作為一個整體進行解算，求解子影像外方位元素中角元素；這時需要計算的未知數是子相機的安裝角度，也就是子影像外方位元素中的角元素（即將子相機線元素常量作為約束條件，求解子影像外方位元素中角元素）。這樣，根據3個從相機的角元素（修正量）來調整各個相機到虛擬面的旋轉角，使得4個子影像到虛擬影像的旋轉角度對稱，進而完成檢校操作，這樣求解的各像片的外方位元素更加準確，檢校更符合相機安置的實際情況。因此，該平臺檢校方法適用于拼接方式組合的多面陣航攝儀。對比傳統十字重疊區平臺檢校方法，當子影像重疊區范圍較小，或重疊區影像紋理貧乏，無法匹配出理想數量且分布均勻的連接點時，無法準確計算出平臺檢校參數的缺點；利用該方法匹配出大量分布均勻的連接點并通過約束條件提高了平臺檢校參數的精度，保障生成的虛擬影像拼接精度更高，測圖精度更高。本發明所提供的平臺檢校方法其實質是，在利用光束法平差的基礎上增加了針對多面陣航攝儀特定結構的線元素限制條件，將子相機的平臺檢校參數作為一個整體進行解算，從而使平臺檢校參數更符合相機的實際安置情況。附圖說明圖1為本發明實施例提供的帶約束條件的多面陣航攝儀平臺檢校方法的流程示意圖；圖2為本發明實施例提供的帶約束條件的多面陣航攝儀平臺檢校方法中四個子影像與虛擬影像的投影關系示意圖；圖3為圖2中本發明實施例提供的帶約束條件的多面陣航攝儀平臺檢校方法中四個子影像的攝影中心與虛擬影像攝影中心的關系示意圖；圖4為圖2中本發明實施例提供的帶約束條件的多面陣航攝儀平臺檢校方法中攝影中心豎直方向線元素位移引起的像點誤差示意圖；圖5為本發明實施例提供的帶約束條件的多面陣航攝儀平臺檢校方法中子影像角元素不平衡引起的誤差示意圖。具體實施方式下面通過具體的實施例子并結合附圖對本發明做進一步的詳細描述。參見圖1，本發明實施例提供了一種帶約束條件的多面陣航攝儀平臺檢校方法，包括如下步驟：步驟S100、采用交叉飛行多個攝站曝光得到相鄰虛擬影像重疊度大于80%的多組子影像，并進行多張子影像的連接點匹配；步驟S200、利用地面檢校場的控制點，計算子相機的攝影中心距離及子相機線元素；步驟S300、在進行空中三角測量時，進行光束法區域網平差，根據控制點坐標、匹配后的子影像間的連接點，以及各子影像的外方位元素初值通過共線方程建立模型，將子相機的攝影中心距離作為已知值，即將所述子相機線元素常量作為約束條件，將平臺檢校參數作為一個整體進行解算，求解子影像外方位元素中角元素；其中，每個攝站上設置有四個相機，每個攝站同一時刻曝光四張子影像。在本發明實施例中，首先，采用多個攝站曝光得到相鄰虛擬影像重疊度大于80%的多張子影像，并進行多張子影像的連接點匹配；因為采取了大量多張子影像的匹配，顯然多張子影像構成的重疊區域相對傳統的四張子影像構成十字形重疊區更大，重疊度更高，這樣擴大了連接點的匹配范圍，并可以匹配出大量分布均勻的連接點；然后利用地面檢校場的控制點，計算子相機的攝影中心距離及子相機線元素；當然，獲取攝影中心距離及子相機間的線元素等數據是實現檢校方法的第一個關鍵步驟。經過上述預處理操作，可以為建立數學模型提供數據基礎；然后，在進行空中三角測量時，進行光束法區域網平差，根據控制點坐標、匹配后的子影像間的連接點，以及各子影像的外方位元素初值和共線方程建立模型，將子相機的攝影中心距離作為已知值，即將所述子相機線元素常量作為約束條件，將平臺檢校參數作為一個整體進行解算，求解子影像外方位元素中角元素；這時需要計算的未知數是子相機的安裝角度，也就是子影像外方位元素中的角元素（即將確定子相機線元素常量作為約束條件，求解子影像外方位元素中角元素）。這樣，根據3個從相機的角元素（修正量）來調整各個相機到虛擬面的旋轉角，使得4個子影像到虛擬影像的旋轉角度對稱，進而完成檢校操作，這樣求解的各像片的外方位元素更加準確，檢校更符合相機安置的實際情況。因此，由于增加了子相機線元素作為限制條件直接計算子影像的外方位元素，以此推算出的平臺檢校參數更加精確，能真實反映子相機間的實際位置關系，進而保障生成的虛擬影像拼接精度更高，測圖精度更高。同時，本發明實施例提供的帶約束條件的多面陣航攝儀平臺檢校方法對檢校場范圍要求較小，可在地面檢校場進行，減少了飛行檢校所需的成本。下面對本發明實施例在具體實施時的上述各步驟進行詳細說明：進一步地，在步驟100之前（即所述采用交叉飛行多個攝站曝光得到相鄰虛擬影像重疊度大于80%的多組子影像，并進行多張子影像的連接點匹配之前），還包括如下步驟：步驟R100、將每個攝站上設置的四個子相機采用高強度支架緊固在平臺上，四個子相機間的距離固定，將四個子相機作為一個整體。較佳地，在步驟S200中，所述利用地面檢校場的控制點，計算子相機的攝影中心距離及子相機線元素，包括如下步驟：步驟S201、利用地面檢校場的控制點，通過空間后方交會方法計算得出子相機的攝影中心距離及子相機間的線元素平均值；步驟S202、將多次計算的子相機間的線元素平均值作為子相機線元素。光束法區域網平差以一幅航攝圖像的光線束作為平差單元的區域網空中三角測量方法；空中三角測量利用航攝像片與所攝目標之間的空間幾何關系，根據少量像片控制點，計算待求點的像片外方位元素；需要說明的是：獲取攝影中心距離及子相機間的線元素等數據是實現檢校方法的第一個關鍵步驟。經過上述預處理操作，可以為后續光束法平差及建立數學模型提供數據基礎。需要說明的是：由于子相機安裝到平臺時采用高強度支架緊固，子相機間的距離幾乎不會發生變化，可以看作一個整體，參見圖2。子相機的攝影中心距離可以利用地面檢校場的控制點，通過空間后方交會方法計算得出。通過地面檢校場后方交會計算子相機的外方位元素時，會出現角元素解不夠穩定的現象，直接生成的拼接影像中能發現影像的接縫。但由于地面控制點距離攝站的距離僅約40m，相對于空中攝影700m的航高而言，同一攝站子相機間的地面攝影基高比變為空中攝影的約17.5倍。從實驗數據中分析，子相機間的線元素差異趨于相對穩定，且接近設計值，取多次測量的平均值作為子相機線元素。由于空三解算時線元素與角元素存在相關性，線元素的微小偏差可以通過角元素進行補償，綜合考慮相機的物理結構，可以將子相機的攝影中心距離作為已知值，將平臺檢校參數作為一個整體進行解算，更符合相機安置的實際情況。這時需要計算的未知數是子相機的安裝角度，也就是子影像外方位元素中的角元素。具體地，如圖3所示，根據相機安置的物理結構，過四個子影像的攝影中心擬合一個平面M(參見圖3)，四個攝影中心的重心O可作為虛擬影像的攝影中心，由于相機攝影中心位置相對穩定，以過O點平行于S1S3連線方向作為Y軸，以過O點平行于S4S3連線方向作為X軸，建立空間直角坐標系O-XYZ（即右手坐標系O-XYZ），O-XYZ是一個建立四個子相機攝影中心線元素關系的一個輔助坐標系。四個攝影中心在O-XYZ中的平面坐標為已知值(Dai,Dbi)。攝影時4臺子相機同步曝光，且攝影中心間距很小，可以認為四個攝影中心在O-XYZ中的Z坐標相等。實際上，由于機械安裝及硬件自身結構的影響，子相機的攝影中心到平面M存在最大不超過10mm的距離。將傾斜影像糾正為水平影像，理論上不會產生糾正誤差。下面以水平影像為例，來分析攝影中心Z方向取近似值帶來的影響。舉例說明，如圖4所示，相機焦距為f，航高為H，攝影中心為S，A為地面點。長度為P的地面線段MA在像平面的投影長度為l1，當S沿豎直方向平移dS至S’時，地面線MA在像平面的投影長度變為l2，可以計算dS引起的像點誤差dlV。P為A點到攝影中心在地面投影M的距離，四拼相機視場角約為96°*74°，則沿長邊方向P的最大值為1.11H，沿寬邊方向P的最大值為0.75H。當f=47mm，H=700m時，攝影中心豎直方向10mm的誤差在長邊方向引起的像點誤差約為0.52um，在寬邊方向引起的像點誤差約為0.35um，四角的像點誤差最大值約為0.63um，即最大像點誤差不足0.1個像素，且越靠近影像中心這個值越小。因此，子相機攝影中心到M的偏差對拼接影像的結果影響非常小，可以忽略不計，可以認為四個攝影中心在O-XYZ中的Z坐標相等，即Dz1=Dz2=Dz3=Dz4=0。所以通過上述分析可知，子相機攝影中心到M的偏差對拼接影像的結果影響非常小。因此，將子相機的攝影中心距離作為已知值，雖然存在偏差，但是該偏差對拼接影像的結果影響非常小，可以忽略不計，這樣將平臺檢校參數作為一個整體進行解算，精度會更高。具體各個步驟如下：較佳地，在步驟S300中，所述在進行空中三角測量時，進行光束法區域網平差，根據控制點坐標、匹配后的子影像間的連接點，以及各子影像的外方位元素初值通過共線方程建立模型，將子相機的攝影中心距離作為已知值，即將所述子相機線元素常量作為約束條件，將平臺檢校參數作為一個整體進行解算，求解子影像外方位元素中角元素，包括如下步驟：步驟S301、根據相機安置的物理結構，過四個子影像的攝影中心擬合一個平面M，四個攝影中心的重心O可作為虛擬影像的攝影中心，相機攝影中心位置相對穩定，以過O點平行于S1S3連線方向作為Y軸，建立右手坐標系O-XYZ，O-XYZ是一個建立四個子相機攝影中心線元素關系的一個輔助坐標系（參見圖3）；四個子相機攝影中心在O-XYZ中的平面坐標為(Dai,Dbi,0)，其中Dai,Dbi為已知值，設子影像在虛擬影像坐標系中的旋轉角為其中為已知值，則子相機的攝影中心坐標(Xsc,Ysc,Zsc)為：其中：其中：R為旋轉矩陣，為虛擬影像的角元素，(XS,YS,ZS)為虛擬影像攝影中心線元素；步驟S302、建立共線方程的數學模型；其中，子影像對應的旋轉矩陣為Rc=R*Ri且取值則共線方程為：步驟S303、將Xsc,Ysc,Zsc用XS,YS,ZS的函數表示，對上式線性化后得出誤差方程式為：其中，上式中各系數分別對應為：步驟S304、對于1號相機為已知，相應的角元素偏導項為零，用矩陣符號表示的誤差方程式為：v=At+Bu+Cs-l其中：C=0，為1號子相機相對虛擬影像的旋轉角初始值；為2號子相機相對虛擬影像的旋轉角初始值；為3號子相機相對虛擬影像的旋轉角初始值；為4號子相機相對虛擬影像的旋轉角初始值；步驟S305、對于控制點，對應的ΔXΔYΔZ項為零；每組四個子影像對應一組系數矩陣A和未知數t，每個物方點對應一組u，每個子相機對應一組將虛擬影像外方位元素A、物方點坐標B、子相機相對虛擬影像的旋轉角C參數的初始值、以及每個觀測點的像點坐標(xi,yi)代入所述誤差方程迭代計算，直到計算結果收斂到閾值；在解算后根據2、3、4號子相機旋轉角度的修正值調整1號子相機至虛擬面的旋轉角，以使得虛擬影像與4個子影像的旋轉角度對稱；其中：矩陣s中有9個未知數；在矩陣s中Δω2Δκ2為2號子相機相對虛擬相機角元素的修正值；Δω3Δκ3為3號子相機相對虛擬相機角元素的修正值；Δω4Δκ4為4號子相機相對虛擬相機角元素的修正值。需要說明的是：若設有m組虛擬影像，n個觀測點，p個物方點，q個控制點，則根據觀測值可以列出2n個方程，其中有6m+3(p-q)+9個未知數，相對于傳統的光束法平差增加了9個平臺檢校參數未知數，且在共線方程中引入了子相機的線元素常量和1號相機到虛擬影像的角元素常量作為約束條件，這樣解出的平臺檢校參數更符合子相機安裝的實際情況；從以上的分析可以看出，這里的約束條件并不直接表現為增加條件方程，而是表現為已知量的代入，以及共線方程線性化中偏導系數的變化。需要說明的是：共線方程（即物點、像點與攝影中心位于一條直線上）是整個建模的關鍵；進一步地，在步驟S300之后（即所述求解子影像外方位元素中角元素之后），還包括如下步驟：步驟S400、選擇47mm作為虛擬影像的焦距；步驟S500、將平行于M并通過虛擬影像攝影中心所建立的坐標系作為虛擬影像的像空間輔助坐標系；步驟S600、計算四個子相機的角元素時，選擇一個子相機作為主相機，選擇其它子相機作為從相機，分別計算從相機到所述主相機的旋轉角度；步驟S700、選擇主相機為基準確定虛擬面的旋轉角，并確定和調整子影像到虛擬面的旋轉關系。較佳地，在步驟S600中，所述計算四個子相機的角元素時，選擇一個子相機作為主相機，選擇其它子相機作為從相機，分別計算從相機到所述主相機的旋轉角度，包括如下步驟：步驟S601、選擇1號子相機作為主相機，選擇2、3、4號子相機作為從相機，將1號子相機到虛擬面的旋轉角設為一個初始的固定值，根據角元素的傳遞關系，從相機相對于主相機的旋轉角可以轉換為從相機相對于虛擬面的旋轉角，這樣待求的平臺檢校參數實際為3個從相機的9個角元素。較佳地，在步驟S700中，所述選擇主相機為基準確定虛擬面的旋轉角，并確定和調整子影像到虛擬面的旋轉關系，包括如下步驟：步驟S701、選擇1號子相機作為主相機；步驟S702、取四個子相機主光軸方向的幾何平均方向作為虛擬相機的主光軸方向，根據3個從相機的角元素修正量來調整主相機到虛擬面的旋轉角固定值，使得4個子影像到虛擬影像的旋轉角度對稱。為了避免不同子相機與M平面的夾角差異較大，引起投影到虛擬影像后像元采樣比例不平衡(圖5，虛線為對稱分布的子影像投影范圍，實線為不對稱分布的子影像投影范圍)，取四個子相機主光軸方向的幾何平均作為虛擬相機的主光軸方向，計算時可以根據3個從相機的角元素修正量來調整主相機到虛擬面的旋轉角固定值，使得4個子影像到虛擬影像的旋轉角度盡可能對稱。現有技術中，由于影像地面覆蓋范圍大，地面檢校場無法滿足該方法的要求，十字重疊區方式平臺檢校只能通過空中飛行獲取的數據進行，檢校實驗的成本較高。但是本發明實施例所提供的檢校方法對檢校場范圍要求較小，可在地面檢校場進行，減少了飛行檢校所需的成本。本領域技術人員應該可以理解，本發明實施例提供檢校方法，基本原理是光束法區域網空中三角測量，該方法以每張像片所組成的一束光線作為平差計算基本單元，以共線方程作為平差的基礎方程，通過各個光束在空間的旋轉和平移，使模型之間公共點的光線實現最佳的交會，并使整個區域納入到已知的控制點坐標系統中去。所以要建立全區域統一的誤差方程式，解求得各像片的外方位元素和加密點的地面坐標。顯然在約束了子相機線元素后，求解的各像片的外方位元素和加密點的地面坐標更加準確，對于檢校參數的精度設計具有更重要的意義。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。