CN104660984B - 一种艇载多光谱高清对地观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于艇载多光谱高清对地观测装置，包括减震单元负责消除震动对获取图像的影响；多光谱成像单元负责地面多光谱图像的获取；高清成像单元负责大幅面图像的获取；高清相机触发单元利用从惯性测量单元接收到的秒脉冲信号触发高清相机进行拍摄并记录采集时的位姿信息；通过惯性导航系统获取装置空间六自由度的位姿参数；利用图像存储单元对获取的多光谱图像实时存储，同时记录存储每帧图像的位姿信息；供电单元负责给除减震单元外的其它单元供电；上位机单元负责惯性测量单元的对准、多光谱相机参数的设置、多光谱图像的采集工作及对所获取图像配准互校正。本发明克服了传统多光谱高清设备无位姿信息、多光谱图像配准后无法准确效果评价的问题。

Description

一种艇载多光谱高清对地观测装置

技术领域

本发明涉及一种艇载多光谱高清对地观测装置，通过对大面阵图象对多光谱配准图象进行校正，并提取出有用的观测信息，可满足牧场状况监测与变化检测、生态环境与生态灾害监测、数字化城市、水文环境、人居环境等多个侧面动态监测的需求，属于对地观测领域。

背景技术

传统的用于艇载的对地观测装置，只用一个数码相机，通过设定一定的时间间隔获取地面的序列图象，然后通过序列图象的配准生成大面积图象，这种方式只能满足简单测绘的要求，且对于图象配准的质量主要以人工评价为主。而对于有特殊要求如水质检测、牧草的病虫害检测、牧草的营养成分检测、牧草的长势检测等，通过简单的数码相机获取的图象无论从图象配准质量和需要监测的对象上都无法满足需求。迫切需要一种不仅能够获取植被、水的光谱信息，还能对多光谱图象配准质量进行检校的大面阵高清图象获取的艇载多光谱高清对地观测装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：面对传统艇载设备无法用于牧场状况监测与变化检测、生态环境与生态灾害监测、水文环境等多个侧面动态监测的难题，提出一种艇载多光谱高清对地观测装置。

本发明采用的技术方案为：一种艇载多光谱高清对地观测装置，该装置包括减震单元、多光谱成像单元、高清成像单元、高清相机触发单元、惯性测量单元、图像存储单元、供电转换单元和上位机单元；

所述减振单元是整个装置的对外连接和各单元的安装平台，包括带有用来安装除上位机单元外其它单元的安装底板、为降低因驱动系统振动而影响图像质量的减振器和承重底板；

所述多光谱成像单元负责地面多光谱图像的获取，包括用来固定四台相机的相机固定架、图象传感器和带有滤波片的镜头；

所述的高清成像单元负责大幅面图像的获取，包括用来固定哈苏相机的高清相机固定架、哈苏相机、镜头；

所述高清相机触发单元利用从惯性测量单元接收到的秒脉冲信号触发高清相机进行拍摄，并记录采集时的位姿信息；

所述惯性测量单元的负责位姿信息和PPS秒脉冲的提供，并通过输出PPS脉冲信号和NMEA协议数据传导给图像存储单元和高清相机触发单元，修正图像存储单元内部时钟，包括IMU、GPS天线；

所述图象存储单元为同时可以接收4路多光谱图象的无压缩存储器，并通过接收PPS秒脉冲，记录每帧图象的位姿信息；

所述供电单元，是给整个对地观测装置的用电模块供电，全部是DC/DC模块；供电单元通过不同接口给多光谱成像、高清成像单元、高清相机触发单元、惯性测量单元、图像存储单元、上位机单元供电；

所述上位机单元通过串口接收惯性测量单元的输出位置和姿态数据，并控制惯性测量单元和图象存储单元进行数据的采集和调试。

进一步的，所述的减振单元，安装底版由硬铝加工而成，并在其上加工了很多孔；减振器是钢丝绳减振器，在其上有四个螺栓孔，对外安装的螺纹孔间距是168mm，钢丝绳的直径是5mm，高度是60mm；承重底版由硬铝加工而成，四个对角的八个沉孔用来安装减振器。

进一步的，所述的多光谱成像单元，四台相机固定架由硬铝加工而成，在四周有八个长孔，圆弧的直径是5mm，底面有12个直径4.5的孔；图象传感器为日立公司的KP-F120CL黑白图象传感器，分辨率为:1392*1040，CCD靶面2/3英寸，帧频30帧；镜头为腾龙镜头，定焦镜头，镜头结构C口，滤镜口径，M30.5P＝0.5mm，最大光圈22，最小光圈14，焦距16mm；Midwest滤镜，共有BP365-30.5，BP465-30.5，BP550-30.5，BP650-30.5。

进一步的，所述的高清成像单元，相机固定架由硬铝加工而成，总共八个零件，组装到一起，底面有12个直径4.5的孔；哈苏相机，是哈苏H3DII-39，传感器：44.2*33.1mm，有效像素：3900万；显示屏尺寸：3英寸；显示屏像素：TFT液晶屏；连拍速度：1.4张/秒；快门速度：32-1/800秒T门，B快门长时曝光；电池类型：1850mAh锂电池盒，包含3×CR-123锂电池；续航能力：约拍摄250幅；镜头为HC80/2.8镜头，该镜头是H系列的标准镜头，可确保极好的颜色校正，均匀的像场和低失真，大口径便于在弱光下拍摄。

进一步的，所述的高清相机触发单元，包含一个串口，一个SD卡槽，一个3.5mmTRS接口。

进一步的，所述的GPS为是一款双频双系统天线，型号为ANT-42GNSSA-TW，可接收GPS L1/L2/L5/L-band及GLONASS L1/L2，航空743标准，白色，TNC连接器。

进一步的，所述的IMU是SPAN-CPT，一体式封装的GPS+INS系统，内置NovAtel高性能GPS板卡和IMU，IMU由光纤陀螺(FOG)和微机电系统MEMS加速度计组成，SPAN-CPT可用的定位模式包括单点、SBAS、L-band(OmniSTAR和CDGPS)和RTK方式，支持零速修正ZUPT，可选多种定位模式(SBAS、L-band、RTK)，100Hz数据更新率，MTBF>10，000小时，接口一个串口，一个PPS秒脉冲接口。

进一步的，所述的图象存储单元是一种并行的四路图像存储系统，存储器的大小2048G，有四个CAMlink接口，授时接口；所述的供电单元输入DC24V，输出一路DC19V，5A；5路DC12V，2A；一路DC7.2V，2A。

进一步的，所述上位机为至少具有一个串口或是USB接口，3个ESATA接口，系统内存大于2GB，显卡内存大于256M，支持Windows XP操作系统的笔记本电脑。电脑中至少安装有惯性测量导航软件。

进一步的，上位机单元及控制软件实现过程如下：

步骤1)、首先给惯性测量单元、多光谱成像单元供电、高清成像单元、高清相机触发单元，和图象存储单元上电，然后再给上位机单元供电，这时图象存储单元的面板上给出设备工作是否正常的指示；

步骤2)、打开上位机惯性测量软件，看惯性测量单元是否快速对准成功；

步骤3)、打开Coreview软件，配置相机参数和授时的时钟源，开始采集图象；

步骤4)、当惯性测量单元对准成功后，pps秒脉冲信后会传给高清相机触发单元，这时会听到继电器吸合的声音，高清相快门的声音也会出现，表示高清成像单元工作正常；

步骤5)、上位机单元中的配准软件对采集的多光谱图像配准，配准的方法利用Opcv中已有的算法，并以高清同一位置的图象对多光谱配准的图象进行校正，以提高配准的精度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)解决了传统艇载的对地观测装置，只用一个数码相机，通过设定一定的时间间隔获取地面的序列图象生成大面积图象时，其配准效果的评价问题。

(2)通过获得的多光谱、高清图像可以满足水质检测、牧草的病虫害检测、牧草的营养成分检测、牧草的长势检测等问题。

附图说明

图1为本发明一种艇载多光谱高清对地观测装置的系统结构图；

其中，图1，1-减振单元、2-多光谱成像单元、3-高清成像单元、4-高清相机触发单元、5-惯性测量单元、6-图像存储单元、7-供电转换单元及8-上位机单元。

图2为本发明一种艇载多光谱高清对地观测装置获取的多光谱图象；

其中，(a)单波段蓝色：450nm，(b)单波段绿色：550nm，(c)单波段红色：650nm，(d)单波段红外：800nm；

图3为本发明一种艇载多光谱高清对地观测装置获取的合成结果；

图4为本发明一种艇载多光谱高清对地观测装置获取的多光谱图象配准结果；

图5为本发明一种艇载多光谱高清对地观测装置利用高清图象对多光谱图象的校准结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种艇载多光谱高清对地观测装置该装置，包括减震单元1、多光谱成像单元2、高清成像单元3、高清相机触发单元4、惯性测量单元5、图像存储单元6、供电转换单元7和上位机单元8，其中：

减振单元1是整个装置的对外连接和各单元的安装平台，包括带有用来安装除上位机单元8外其它单元的安装底板、为降低因驱动系统振动而影响图像质量的减振器和承重底板。安装底版由硬铝加工而成，并在其上加工了很多安装孔。减振器是钢丝绳减振器，在其上有四个螺栓孔，对外安装的螺纹孔间距是168mm，钢丝绳的直径是5mm，高度是60mm。承重底版由硬铝加工而成，四个对角的八个沉孔用来安装减振器。

多光谱成像单元2主要进行地面多光谱图像的获取，包括用来固定四台相机的相机固定架、图象传感器和带有滤波片的镜头。四台相机固定架由硬铝加工而成，四周有16个长孔，圆弧的直径是5mm，用来固定相机，底面有12个直径4.5的孔，用来将四台相机的固定架固定在安装底板上。图象传感器为日立公司的KP-F120CL黑白图象传感器，分辨率为:1392*1040，CCD靶面2/3英寸，帧频30帧。镜头为腾龙镜头，定焦镜头，镜头结构C口，滤镜口径，M30.5P＝0.5mm，最大光圈22，最小光圈14，焦距16mm。Midwest滤镜，共有BP365-30.5，BP465-30.5，BP550-30.5，BP650-30.5。

高清成像单元3主要负责大幅面高清图像的获取，包括用来固定哈苏相机的高清相机固定架、哈苏相机、镜头。高清相机固定架由硬铝加工而成，总共八个零件，组装到一起，底面有12个直径4.5的孔，侧面的孔两个孔用来固定哈苏相机。相机是哈苏H3DII-39，传感器尺寸：44.2*33.1mm，有效像素：3900万，显示屏：3英寸，TFT液晶屏，连拍速度：每秒1.4张，快门速度：32-1/800秒T门，B快门长时曝光，电池类型：1850mAh锂电池盒(3×CR-123锂电池)；续航能力：约拍摄250幅。镜头为HC80/2.8镜头。该镜头是H系列的标准镜头，可确保极好的颜色校正，均匀的像场和低失真，大口径便于在弱光下拍摄。

高清相机触发单元4利用从惯性测量单元接收到的秒脉冲信号触发高清相机进行拍摄并记录采集时的位姿信息，包含一个串口，一个SD卡槽，一个3.5mmTRS接口。

惯性测量单元5的主要负责位姿信息和PPS秒脉冲的提供，并通过输出PPS脉冲信号和NMEA协议数据传导给图像存储单元6和高清相机触发单元4，修正图像存储单元内部时钟。GPS为是一款双频双系统天线，型号为ANT-42GNSSA-TW，可接收GPS L1/L2/L5/L-band及GLONASS L1/L2，航空743标准，白色，TNC连接器。IMU是SPAN-CPT。一体式封装的GPS+INS系统，内置NovAtel高性能GPS板卡和IMU，IMU由光纤陀螺(FOG)和微机电系统MEMS加速度计组成。SPAN-CPT可用的定位模式包括单点、SBAS、L-band(OmniSTAR和CDGPS)和RTK方式。支持零速修正ZUPT，可选多种定位模式(SBAS、L-band、RTK)，100Hz数据更新率，MTBF>10，000小时。接口一个串口，一个PPS秒脉冲接口。

图像存储单元6为同时可以接收4路多光谱图象的无压缩存储器，并通过接收PPS秒脉冲，记录每帧图象的位姿信息。图象存储单元是一种并行的四路图像存储系统，存储器的大小2048G，有四个CAMlink接口，一个ESATA接口，一个授时接口。

供电转换单元7，是给整个对地观测装置的用电模块供电，全部是DC/DC模块；供电单元通过不同接口给多光谱成像单元2、高清成像单元3、高清相机触发单元4、惯性测量单元5、图像存储单元6、上位机单元8供电。供单元输入DC24V，输出一路DC19V，5A；5路DC12V，2A；一路DC7.2V，2A。

上位机单元8通过串口接收惯性测量单元的姿态数据，并控制惯性测量单元和图象存储单元进行数据的采集和调试。上位机为至少具有一个串口或是USB接口，1个ESATA接口，系统内存大于2GB，显卡内存大于256M，支持Windows XP操作系统的笔记本电脑。电脑中至少安装有惯性测量导航软件。

整个装放置具体工作过程如下：

1)首先给惯性测量单元5、多光谱成像单元供2、高清成像单元3、高清相机触发单元4，和图象存储单元6上电，然后再给上位机单元8供电，这时图象存储单元的面板上给出设备工作是否正常的指示；

2)打开上位机惯性测量软件，看惯性测量单元是否快速对准成功；

3)打开Coreview软件，配置相机参数和授时的时钟源，开始采集图象；

4)当惯性测量单元5对准成功后，pps秒脉冲信后会传给高清相机触发单元4，这时会听到继电器吸合的声音，高清相快门的声音也会出现，表示高清成像单元3工作正常；

5)上位机单元8中的配准软件对采集的多光谱图像配准，并以同一位置的高清图象对多光谱配准的图象进行校正，以提高配准的精度。具体配准校正过程如下：

(1)首先采用SIFT算法在尺度空间下对同一时刻采集的多光谱的图像进行特征提取和匹配，对提取的特征点采用欧式距离度量点对的相似性，利用最近邻法搜索策略进行特征匹配，并通过缩小搜索范围提高特征粗匹配效率。应用RANSAC算法估计基础矩阵，消除误匹配点对计算基础矩阵精度和稳定性的影响，并根据基础矩阵求解极线，利用对极几何约束关系剔除误匹配，使匹配的鲁棒性和精度得到很大提高。

(2)利用同一位置的高清大面阵图象，采用步骤一的方法，进行大面阵高清图象和多光谱配准图象后的配准，从而对步骤一配准的效果进行验证和评价。

(3)再次对步骤一的配准效果进行评价，其方法是，根据四个像机的位置关系从理论上对同一时刻获取的多光谱图象进行配准。

(4)综合步骤二、三，取最优的配准效果作为后期整个数据合成的基础。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种艇载多光谱高清对地观测装置，其特征在于：该装置包括减震单元(1)、多光谱成像单元(2)、高清成像单元(3)、高清相机触发单元(4)、惯性测量单元(5)、图像存储单元(6)、供电转换单元(7)和上位机单元(8)；

所述减震单元(1)是整个装置的对外连接和各单元的安装平台，包括带有用来安装除上位机单元外其它单元的安装底板(20)、为降低因驱动系统振动而影响图像质量的减振器(18)和承重底板(19)；

所述多光谱成像单元(2)负责地面多光谱图像的获取，包括用来固定四台相机的相机固定架(12)、图像传感器(13)和带有滤波片的镜头(14)；

所述的高清成像单元(3)负责大幅面图像的获取，包括用来固定哈苏相机的高清相机固定架(9)、哈苏相机(10)、镜头(11)；

所述高清相机触发单元(4)利用从惯性测量单元(5)接收到的秒脉冲信号触发高清相机进行拍摄，并记录采集时的位姿信息；

所述惯性测量单元(5)负责位姿信息和PPS秒脉冲的提供，并通过输出PPS脉冲信号和NMEA协议数据传导给图像存储单元(6)和高清相机触发单元(4)，修正图像存储单元(6)内部时钟，包括IMU(16)时钟、GPS天线(15)时钟；

所述图像存储单元(6)为同时接收4路多光谱图像的无压缩存储器，并通过接收PPS秒脉冲，记录每帧图像的位姿信息；

所述供电转换单元(7)，是给整个对地观测装置的用电模块供电，全部是DC/DC模块；供电转换单元(7)通过不同接口给多光谱成像单元(2)、高清成像单元(3)、高清相机触发单元(4)、惯性测量单元(5)、图像存储单元(6)、上位机单元(8)供电；

所述上位机单元(8)通过串口接收惯性测量单元(5)的输出位置和姿态数据，并控制惯性测量单元(5)和图像存储单元(6)进行数据的采集和调试；

所述的减震单元，安装底板(20)由硬铝加工而成，并在其上加工了很多孔；减振器(18)是钢丝绳减振器，在其上有四个螺栓孔，对外安装的螺纹孔间距是168mm，钢丝绳的直径是5mm，高度是60mm；承重底板(19)由硬铝加工而成，四个对角的八个沉孔用来安装减振器；

所述的多光谱成像单元，四台相机固定架(12)由硬铝加工而成，在四周有八个长孔，圆弧的直径是5mm，底面有12个孔；图像传感器(13)为日立公司的KP-F120CL黑白图像传感器，分辨率为：1392*1040，CCD靶面2/3英寸，帧频30帧；镜头(14)为腾龙镜头，定焦镜头，镜头结构C口，滤镜口径，M30.5P＝0.5mm，最大光圈22，最小光圈14，焦距16mm；Midwest滤镜，共有BP365-30.5，BP465-30.5，BP550-30.5，BP650-30.5；

所述的高清成像单元，相机固定架(9)由硬铝加工而成，总共八个零件，组装到一起，底面有12个孔；哈苏相机(10)，是哈苏H3DII-39，传感器：44.2*33.1mm，有效像素：3900万；显示屏尺寸：3英寸；显示屏为TFT液晶屏；连拍速度：1.4张/秒；快门速度：32-1/800秒T门，B快门长时曝光；电池类型：1850mAh锂电池盒，包含3×CR-123锂电池；续航能力：拍摄250幅；镜头(11)为HC80/2.8镜头，该镜头是H系列的标准镜头，可确保极好的颜色校正，均匀的像场和低失真，大口径便于在弱光下拍摄；

所述的高清相机触发单元，包含一个串口，一个SD卡槽，一个3.5mmTRS接口；

所述的GPS天线(15)为一款双频双系统天线，型号为ANT-42GNSSA-TW，可接收GPS L1/L2/L5/L-band及GLONASS L1/L2，航空743标准，白色，TNC连接器；

所述的IMU(16)是SPAN-CPT，一体式封装的GPS+INS系统，内置NovAtel高性能GPS板卡和IMU，IMU由光纤陀螺(FOG)和微机电系统MEMS加速度计组成，SPAN-CPT可用的定位模式包括单点、SBAS、L-band和RTK方式，支持零速修正ZUPT，可选多种定位模式即SBAS、L-band、RTK，100Hz数据更新率，MTBF>10，000小时，接口包括一个串口以及一个PPS秒脉冲接口；

所述的图像存储单元(6)是一种并行的四路图像存储系统，存储器的大小2048G，有四个CAMlink接口，一个授时接口；所述的供电转换单元(7)输入DC24V，输出一路DC19V，5A，5路DC12V，2A，一路DC7.2V，2A；

所述上位机(8)为至少具有一个串口或是USB接口，3个ESATA接口，系统内存大于2GB，显卡内存大于256M，支持Windows XP操作系统的笔记本电脑，电脑中至少安装有惯性测量导航软件；

上位机单元(8)及控制软件实现过程如下：

步骤1)、首先给惯性测量单元(5)、多光谱成像单元(2)、高清成像单元(3)、高清相机触发单元(4)，和图像存储单元(6)上电，然后再给上位机单元(8)供电，这时图像存储单元的面板上给出设备工作是否正常的指示；

步骤2)、打开上位机惯性测量软件，看惯性测量单元是否快速对准成功；

步骤3)、打开Coreview软件，配置相机参数和授时的时钟源，开始采集图像；

步骤4)、当惯性测量单元(5)对准成功后，pps秒脉冲信后会传给高清相机触发单元(4)，这时会听到继电器吸合的声音，高清相机快门的声音也会出现，表示高清成像单元(3)工作正常；

步骤5)、上位机单元(8)中的配准软件对采集的多光谱图像配准，配准的方法利用Opcv中已有的算法，并以高清同一位置的图像对多光谱配准的图像进行校正，以提高配准的精度。