CN102129713B - 一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统及其测试方法，涉及遥感立体成像模拟技术领域，本发明构建了具有机电一体化结构的异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统，实现对视场空间内三维形貌模型的扫描成像和仿真测试；通过制作标准地形地貌模板，实现CCD姿轨变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率影响的仿真测试；通过制作地形地貌标准分辨率模板，实现三维形貌起伏梯度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率影响的仿真测试，本发明具有良好的实用性，能有效地模拟异步推扫式遥感立体成像，获取到仿真遥感影像数据，为科学研究提供了技术和数据支持。

Description

一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及遥感立体成像模拟技术领域，特别涉及一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统及其测试方法。

背景技术

异步推扫式遥感立体成像是获取遥感数据的重要方式，在深空探测、国土勘察等领域具有广泛应用。与通常的双目、多目立体成像不同，异步推扫式遥感立体成像属于非同步成像，因此基线距离、轨道高度和相机位置姿态不固定，三维地形地貌的梯度矢量变化会造成推扫式立体成像数据中不同区域三维信息的缺失，对立体成像精度和分辨率产生影响，为构建高精度立体形貌影像带来困难。

当前涉及异步推扫式遥感立体成像的科学研究中，主要是从遥感数据存储节点申请遥感数据，如从我国探月中心申请“嫦娥一号”科学数据。该方法虽然能为异步推扫式遥感立体成像科学研究申请到遥感影像数据，但是具有局限性。主要体现在：首先，该方法虽然获取了真实的遥感影像数据，但是因权限等级限制，导致部分研究机构和个人难以得到所需要的遥感图像数据展开科学研究；其次，申请到的遥感影像是由星载或机载CCD(Charge Coupled Device，电荷藕合器件)相机拍摄得到，其数据获取方式的特殊性和高成本，导致科学研究中某些实验无法有效展开，如针对特定区域的多种轨道高度、多种姿态角状态下的遥感成像，即CCD姿轨六自由度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率的影响，或CCD相机固定姿轨状态下对具有不同梯度变化形貌区域遥感成像的比对研究，即地形地貌起伏梯度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率的影响。

因此寻找一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统及其测试方法，在获取高精度异步推扫式遥感立体成像仿真数据的基础上，又能实现CCD姿轨六自由度变化和地形地貌起伏梯度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率影响的仿真测试，具有重要的科学意义。

发明内容

为了能够实现获取高精度异步推扫式遥感立体成像仿真数据的基础上，又能实现CCD姿轨六自由度变化和地形地貌起伏梯度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率影响的仿真测试，满足实际工作中的需要，本发明提供了一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统及其测试方法，详见下文描述：

一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统，所述异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统包括：可编程数控模块、六自由度姿轨控制模块、磁性测量传感模块、摄影模块和气浮支撑框架，

所述可编程数控模块通过信号线与所述六自由度姿轨控制模块连接，发送设计的航线信号和控制指令以驱动所述摄影模块发生轨道和姿态变化，实现CCD姿轨六自由度变化，对视场内三维形貌模型的扫描成像和仿真测试；所述六自由度姿轨控制模块与所述气浮支撑框架机械固联；所述磁性测量传感模块与所述六自由度姿轨控制模块粘性连接，实现对飞行方向、推扫方向和轨道方向行程变化量的测量，获取测量值。

所述六自由度姿轨控制模块与所述气浮支撑框架机械固联具体为：由电动旋转台组成的三轴角度台以及伺服电机、丝杠和直线导轨组成的机电一体化结构。

所述可编程数控模块具体为：

基于工业单板机平台的人机交互数字化程控终端，具有PC/104计算机体系结构，包括：嵌入式单板机、电源、串口通信板、模拟I/O板及网络通讯。

所述磁性测量传感模块具体包括：

绝对测量工作模式和相对测量工作模式，在所述绝对测量工作模式下，所述测量值通过串口经信号转换反馈到所述可编程数控模块，所述异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统形成闭环控制系统。

一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试方法，所述方法包括以下步骤：

(1)异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统利用三轴直线导轨和三轴微型电动转台实现CCD姿轨六自由度变化，对视场内三维形貌模型的扫描成像和仿真测试；

(2)制作标准地形地貌模板；

(3)根据所述标准地形地貌模板来验证CCD姿轨六自由度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率的影响；

(4)制作地形地貌标准分辨率模板；

(5)根据所述地形地貌标准分辨率模板来验证成像视场内地形地貌起伏梯度矢量变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率的影响。

步骤(2)中的所述制作标准地形地貌模板具体为：

通过真实DEM数据经三维成型方法转为IGS格式或DXF格式或STL格式数据后，用三维机加工方法制作的。

步骤(4)中的所述制作地形地貌标准分辨率模板具体为：

以光栅加工方法制作所述地形地貌标准分辨率模板。

所述地形地貌标准分辨率模板具体为直线栅纹光栅板。

步骤(3)中的所述根据所述标准地形地貌模板来验证CCD姿轨六自由度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率的影响具体为：

CCD在所述异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统的带动下，以不同的姿轨参数对所述标准地形地貌模板扫描成像，利用图像处理实现CCD姿轨六自由度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率影响的仿真测试。

步骤(5)中的所述根据地形地貌标准分辨率模板来验证成像视场内地形地貌起伏梯度矢量变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率的影响具体为：

所述异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统利用所述地形地貌标准分辨率模板摆放成具有不同坡度坡向的组合，CCD保持固定的姿轨状态对所述地形地貌标准分辨率模板扫描成像，利用图像处理实现地形地貌起伏梯度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率影响的仿真测试。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统及其测试方法，本发明构建了具有机电一体化结构的异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统，实现对视场空间内三维形貌模型的扫描成像和仿真测试；通过制作地形地貌模板，实现CCD姿轨变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率影响的仿真测试；通过制作地形地貌标准分辨率模板，实现三维形貌起伏梯度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率影响的仿真测试，本发明具有良好的实用性，能有效地模拟异步推扫式遥感立体成像，获取到仿真遥感影像数据，为科学研究提供了技术和数据支持。

附图说明

图1为本发明提供的异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统的结构示意图；

图2为本发明提供的异步推扫式遥感立体成像仿真测试的示意图；

图3为本发明提供的异步推扫式遥感立体成像仿真测试方法的流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统；   2：标准地形地貌模板；

3：地形地貌标准分辨率模板；               4：可编程数控模块；

5：六自由度姿轨控制模块；                 6：磁性测量传感模块；

7：摄影模块；                             8：气浮支撑框架。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了能够实现获取高精度异步推扫式遥感立体成像仿真数据的基础上，又能实现CCD姿轨六自由度变化和地形地貌起伏梯度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率影响的仿真测试，满足实际工作中的需要，本发明实施例提供了一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统及其测试方法，参见图1、图2和图3，详见下文描述：

一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统包括：可编程数控模块4、六自由度姿轨控制模块5、磁性测量传感模块6、摄影模块7和气浮支撑框架8，

可编程数控模块4通过信号线与六自由度姿轨控制模块5连接，发送设计的航线信号和控制指令以驱动摄影模块7发生轨道和姿态变化，实现CCD姿轨六自由度变化，对视场内三维形貌模型的扫描成像和仿真测试；六自由度姿轨控制模块5与气浮支撑框架8机械固联；磁性测量传感模块6与六自由度姿轨控制模块5粘性连接，实现对飞行方向、推扫方向和轨道方向行程变化量的测量，获取测量值。

其中，X轴轨道为飞行方向，Y轴轨道为推扫方向，Z轴为轨道方向，具体实现时，也可以为其他的设定，本发明实施例对此不做限制。

其中，气浮支撑框架8用以保证整个异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统1的平稳，减少地面震动对异步推扫式遥感立体成像仿真过程的影响。

进一步地，六自由度姿轨控制模块5与气浮支撑框架8机械固联具体为：由电动旋转台组成的三轴角度台以及伺服电机、丝杠和直线导轨组成的机电一体化结构。

进一步地，可编程数控模块4是基于工业单板机平台的人机交互数字化程控终端，具有PC/104计算机体系结构，包括：嵌入式单板机、电源、串口通信板、模拟I/O板及网络通讯，具有组态模块化、结构紧凑、接口可扩展性强等优点，可以选择“自动”和“手动”两种工作模式。

进一步地，磁性测量传感模块6具体包括：绝对测量工作模式和相对测量工作模式，在绝对测量工作模式下，测量值通过串口经信号转换反馈到可编程数控模块4，异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统1形成闭环控制系统。

其中，本发明实施例中的单板机为PENTIUM IV处理器，1G内存、电源为AC/DC，12/24V、串口通信板为RS232/485、模拟I/O板为MM-32及网络通讯为RJ45，具体实现时，还可以选择其他型号的器件，本发明实施例对此不做限制。

其中，本发明实施例中的伺服电机为23HS2442-05-A，24VDC；丝杠为RM1605FK，P5精度；直线导轨为MR15WNSS2V0N，具体实现时，还可以选择其他型号的器件，本发明实施例对此不做限制。

一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试方法，该方法包括以下步骤：

101：异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统1利用三轴直线导轨和三轴微型电动转台实现CCD姿轨六自由度变化，对视场内三维形貌模型的扫描成像和仿真测试；

其中，X轴、Y轴和Z轴三轴直线导轨变化仿真异步推扫式遥感立体成像过程CCD载台的平移自由度变化，偏摆、俯仰和滚转三轴角度变化仿真CCD载台姿态自由度变化，CCD沿着预设航线前进，在异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统1带动下实现六自由度姿轨变化，完成对视场内三维形貌模型的扫描成像和仿真测试。

102：制作标准地形地貌模板2；

其中，标准地形地貌模板2是通过真实DEM数据经三维成型方法转为IGS格式或DXF格式或STL格式数据后，用三维机加工方法制作的，来模拟推扫成像视场内的真实三维地貌。

103：根据标准地形地貌模板2来验证CCD姿轨六自由度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率的影响；

其中，该步骤具体为CCD在异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统1的带动下，以不同的姿轨参数对标准地形地貌模板2扫描成像，利用图像处理实现CCD姿轨六自由度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率影响的仿真测试。

104：制作地形地貌标准分辨率模板3；

其中，以光栅加工方法制作地形地貌标准分辨率模板3，该模板具体为直线栅纹光栅板，其中，光栅分辨率可以是一维一致或渐变的，也可以是二维一致的，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

105：根据地形地貌标准分辨率模板3来验证成像视场内地形地貌起伏梯度矢量变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率的影响。

其中，该步骤具体为异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统1利用地形地貌标准分辨率模板3摆放成具有不同坡度坡向的组合，CCD保持固定的姿轨状态对地形地貌标准分辨率模板3扫描成像，利用图像处理实现地形地貌起伏梯度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率影响的仿真测试。

下面，本发明实施例以一个试验来验证本发明实施例的可行性，详见下文描述：

以我国“嫦娥一号”绕月探测为例，星载三线阵CCD以异步推扫式遥感立体成像方式获取月面的遥感影像信息，星载CCD轨道高度200Km，前视、后视与下视成像夹角均为16.7°，月面地元分辨率120m，单轨月面成像宽度60km，以1∶100000比例仿真该过程(轨道高度2m，地元分辨率1.2mm，成像宽度0.6m)，异步推扫式遥感立体成像仿真实验系统选用GigE UI-6250SE系列千兆网面阵CCD相机，分辨率为1600×1200，帧频为12fps，选取其中的第1、第512和1024行三条线阵列，则本方法可通过如下方式实现：

(a)仿真CCD姿轨变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率的影响：基于CE-12B级LAM数据，利用三维快速成型方法加工精度为0.01mm、尺度为100×100mm²的标准地形地貌模板2，按照预设的轨道高度和姿态角度组合对该标准地形地貌模板2重复成像，获取不同姿轨参数下同一地貌的异步推扫式遥感立体仿真影像，利用图像处理的方法，分析CCD姿轨变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率和成像尺度的影响；

(b)仿真地形地貌起伏梯度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率的影响：以一维固定分辨率光栅板为例，制作规格为80×80mm²，光栅条纹间距(即分辨率)为1mm的一维光栅板，以360°旋转台和±15°倾角台组成支撑座，按照预定的坡度坡向组合摆放，模拟具有不同坡度坡向变化和地形地貌标准分辨率模板3。CCD以固定姿轨对按照预定坡度坡向摆放的地形地貌标准分辨率模板3推扫成像，利用图像处理的方法分析地形地貌起伏梯度矢量变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率和成像尺度的影响；

(c)数据分析：每次仿真实验后，都会生成遥感影像数据，以“时间_成像视角”方式命名并保存在数据终端，其中“成像视角”包括“前视”、“后视”、“下视”，并分别以“F”、“B”、“N”表示。如“20110223_233400_B”表示2011年2月23日22:35时刻获取的后视图像。获得的异步推扫式遥感立体成像仿真数据经融合拼接等处理后，进行比对分析，根据仿真测试的科学目的，研究异步推扫式遥感立体成像过程中，CCD载台姿轨变化及地形地貌起伏梯度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率的影响。

综上所述，本发明实施例提供了一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统及其测试方法，本发明实施例构建了具有机电一体化结构的异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统，实现对视场空间内三维形貌模型的扫描成像和仿真测试；通过制作标准地形地貌模板，实现CCD姿轨变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率影响的仿真测试；通过制作地形地貌标准分辨率模板，实现三维形貌起伏梯度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率影响的仿真测试，本发明实施例具有良好的实用性，能有效地模拟异步推扫式遥感立体成像，获取到仿真遥感影像数据，为科学研究提供了技术和数据支持。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统，其特征在于，所述异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统包括：可编程数控模块、六自由度姿轨控制模块、磁性测量传感模块、摄影模块和气浮支撑框架，

所述可编程数控模块通过信号线与所述六自由度姿轨控制模块连接，发送设计的航线信号和控制指令以驱动所述摄影模块发生轨道和姿态变化，实现CCD姿轨六自由度变化，对视场内三维形貌模型的扫描成像和仿真测试；所述六自由度姿轨控制模块与所述气浮支撑框架机械固联；所述磁性测量传感模块与所述六自由度姿轨控制模块粘性连接，实现对飞行方向、推扫方向和轨道方向行程变化量的测量，获取测量值；

其中，所述异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统测试时包括以下步骤：

(1)所述异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统利用三轴直线导轨和三轴微型电动转台实现CCD姿轨六自由度变化，对视场内三维形貌模型的扫描成像和仿真测试；

(2)制作标准地形地貌模板；

(3)根据所述标准地形地貌模板来验证CCD姿轨六自由度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率的影响；

(4)制作地形地貌标准分辨率模板；

(5)根据所述地形地貌标准分辨率模板来验证成像视场内地形地貌起伏梯度矢量变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率的影响；

其中，步骤(4)中的所述制作地形地貌标准分辨率模板具体为：

以光栅加工方法制作所述地形地貌标准分辨率模板；

其中，步骤(3)中的所述根据所述标准地形地貌模板来验证CCD姿轨六自由度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率的影响具体为：

CCD在所述异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统的带动下，以不同的姿轨参数对所述标准地形地貌模板扫描成像，利用图像处理实现CCD姿轨六自由度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率影响的仿真测试；

其中，步骤(5)中的所述根据地形地貌标准分辨率模板来验证成像视场内地形地貌起伏梯度矢量变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率的影响具体为：

所述异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统利用所述地形地貌标准分辨率模板摆放成具有不同坡度坡向的组合，CCD保持固定的姿轨状态对所述地形地貌标准分辨率模板扫描成像，利用图像处理实现地形地貌起伏梯度变化对异步推扫式遥感立体成像分辨率影响的仿真测试。

2.根据权利要求1所述的一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统，其特征在于，所述六自由度姿轨控制模块与所述气浮支撑框架机械固联具体为：由电动旋转台组成的三轴角度台以及伺服电机、丝杠和直线导轨组成的机电一体化结构。

3.根据权利要求1所述的一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统，其特征在于，所述可编程数控模块具体为：

基于工业单板机平台的人机交互数字化程控终端，具有PC/104计算机体系结构，包括：嵌入式单板机、电源、串口通信板、模拟I/O板及网络通讯。

4.根据权利要求1所述的一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统，其特征在于，所述磁性测量传感模块具体包括：

绝对测量工作模式和相对测量工作模式，在所述绝对测量工作模式下，所述测量值通过串口经信号转换反馈到所述可编程数控模块，所述异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统形成闭环控制系统。

5.根据权利要求1所述的一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统，其特征在于，步骤(2)中的所述制作标准地形地貌模板具体为：

通过真实DEM数据经三维成型方法转为IGS格式或DXF格式或STL格式数据后，用三维机加工方法制作的。

6.根据权利要求1所述的一种异步推扫式遥感立体成像仿真测试系统，其特征在于，所述地形地貌标准分辨率模板具体为直线栅纹光栅板。

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