CN105783875A - 一种集成非扫描激光雷达的航空摄影测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成非扫描激光雷达的航空摄影测量系统及方法，系统包括：非扫描激光雷达、CCD数码相机、定位定向POS模块和控制存储模块；方法步骤为：基于焦平面阵列的非扫描激光雷达对视场范围进行多激光束照射，以确定视场内若干采样点的距离；同时，利用定位定向POS模块提供的位姿数据，解算出各采样点大地三维坐标，作为后续航摄处理的地面控制信息；CCD数码相机采集同一视场的航摄像片，并根据激光雷达提供的地面控制点信息快速低成本地实现航测成图。本发明采用非扫描激光雷达三维成像代替传统的野外地面控制方法，可大幅缩短制图周期，降低成本，提高对地理环境恶劣地区的成图能力。
Description
技术领域
本发明涉及航空摄影测量领域，具体涉及一种集成非扫描激光雷达的航空摄影测量系统及方法。
背景技术
航空摄影测量是迅速获得地理信息数据，进而开展基础测绘、地质调查、国土资源开发等业务的重要技术手段，也是制作和更新地形图的最主要数据来源之一。航空摄影测量技术通过利用立体像对上同名像点的投影光束进行交会，由此获得对应地物点的空间三维坐标。为了恢复摄影影像上每一条投影光线在摄影曝光时刻的空间位置和姿态，需要通过定向技术获取航摄仪的内方位元素及摄影曝光时刻的外方位元素。内方位元素可在航摄仪检定时获得，外方位的获取则需要采用更复杂的技术途径。传统的航空摄影测量采用地面控制测量的方法，在野外布设像片控制点，并通过内业空三加密技术求解外方位元素。野外像片控制点的选定和测量耗费时间周期长，需要大量的人力、物力和财力配合，而且在自然条件恶劣区、自然灾害频发区、国界及争议区等人员无法涉足或不适宜进行地面控制的地区，难以获得有效的像片控制点。因此，传统的航空摄影测量普遍存在成图周期长、效率低、成本高且受地形限制的缺陷，无法有效满足国民经济建设和国家发展战略对地理信息数据获取的需求。
近年来，伴随差分GPS系统和惯性测量单元IMU性能的不断提高，集差分GPS技术和惯性测量单元IMU于一体的定位定向POS系统辅助航空摄影测量技术随之出现。IMU和差分GPS技术的组合应用使准确获取航摄仪曝光时刻的外方位元素成为可能，从而无需或仅需很少的像片控制点即可实现定向测图。实践表明，该技术的辅助应用可极大减少航摄外业控制作业时间，缩短成图周期，降低成本。目前POS辅助航空摄影测量的方法主要包括直接定向法（DirectGeoreferencing，DG）和POS辅助空中三角测量方法（IntegratedSensorOrientation，ISO）：直接定向法可在不依赖像片地面控制点的情况下，通过直接对POS测量数据进行处理和误差校正来获取航摄仪外方位元素，实现定向测图，但需要通过繁琐的手段修正航摄过程中GPS天线、IMU与航摄仪投影中心间存在的偏心分量及偏心角，否则会大大影响成图精度，即便如此，直接定向法航测精度仍无法满足大比例尺高精度成图的要求；POS辅助空中三角测量方法将根据IMU/DGPS测量校正获取的外方位元素作为区域网平差的带权观测值带入计算，可得到更高精度的航摄仪外方位元素，但为了提高测图精度，仍需引入少量地面控制点，一定程度增加了测图周期和成本。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中传统的航空摄影测量普遍存在成图周期长、效率低、成本高且受地形限制的缺陷，无法有效满足国民经济建设和国家发展战略对地理信息数据获取的需求，且复杂机械扫描单元的使用，使得结构复杂等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，满足测绘精度的前提下，为实现航摄成图快速低成本的需求，提供一种集成非扫描激光雷达的航空摄影测量系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种集成非扫描激光雷达的航空摄影测量系统及方法，包括非扫描激光雷达、CCD数码相机、定位定向POS模块、控制存储模块、第一指令传输线缆、第二指令传输线缆、第三指令传输线缆、第一数据传输线缆、第二数据传输线缆和第三数据传输线缆；
所述POS模块包括差分GPS模块和惯性测量单元，所述非扫描激光雷达包括发射系统和接收系统；
所述控制存储模块通过第一指令传输线缆将指令信号传输给POS模块，所述差分GPS模块通过第二指令传输线缆将同步时钟信号传输给非扫描激光雷达，所述差分GPS模块通过第三指令传输线缆将同步时钟信号传输给CCD数码相机，所述差分GPS模块通过第一数据传输线将所述CCD数码相机与非扫描激光雷达的位置数据传输给控制存储模块，所述惯性测量单元通过第一数据传输线将所述CCD数码相机与非扫描激光雷达的姿态角数据传输给控制存储模块，所述CCD数码相机通过第二数据线缆将航摄像片数据传输给控制存储模块，所述接收系统通过第三数据传输线将地面采样点的距离数据传输给控制存储模块；
进一步地，还包括搭载平台，所述CCD数码相机和非扫描激光雷达均刚性固联在搭载平台上，所述差分GPS模块包括位置坐标已知的GPS基准站和GPS移动站，所述GPS移动站位于搭载平台上；所述惯性测量单元包括用于感测搭载平台加速度和角速度的加速度计和陀螺，所述加速度计和陀螺均位于搭载平台上；
所述指令传输线缆和数据传输线缆均位于搭载平台上,所述指令传输线缆包括第一指令传输线缆、第二指令传输线缆和第三指令传输线缆，所述数据传输线缆包括第一数据传输线缆、第二数据传输线缆和第三数据传输线缆。
进一步地，所述发射系统包括微芯片脉冲激光器、激光准直扩束模块、衍射分光模块、分光镜和发射透镜；
所述接收系统包括接收透镜、定焦镜头、分束镜、窄带滤波器、工作在盖革模式的APD焦平面阵列和计时控制电路，所述计时控制电路集成在APD焦平面阵列上；
由微芯片脉冲激光器产生的1064nm脉冲激光经过衍射分光照射到地面数个采样点上，反射后的可见光及1064nm脉冲激光经过定焦镜头和分束镜后一路经过窄带滤波器滤除可见光后照射到APD焦平面阵列上，另一路进入可感应红外光谱的CCD数码相机。
进一步地，所述APD焦平面阵列像素数大于等于；
进一步地，集成非扫描激光雷达的系统的航空摄影测量方法，包括以下步骤：
a、控制存储模块向定位定向POS模块发送系统启动指令，POS模块中差分GPS系统接收该指令后，向非扫描激光雷达和CCD数码相机发送同步时钟信号，使各模块同步启动；
b、非扫描激光雷达的发射系统产生脉冲激光，经过衍射分光得到特定数量的子光束，所述子光束照射视场中采样点，接收系统中的APD焦平面阵列接收地面发射的回波光束，并由计时控制电路通过时间测量各子光束照射的地面个采样点的距离数据；同时CCD数码相机对同一视场摄影获得航摄像片得到地面影像数据；差分GPS系统和惯性测量单元IMU采集此时搭载平台的位置和姿态角数据；
c、控制存储模块存储非扫描激光雷达获取的地面采样点距离数据、CCD数码相机获取的地面影像数据以及定位定向POS模块采集的工作期间搭载平台的位置和姿态角测量数据；
d、利用非扫描雷达采集的地面采样点距离数据，并结合POS模块采集的搭载平台的位置和姿态角测量数据，根据几何原理解算出地面各激光采样点的大地三维坐标，作为后续航摄内业处理的地面控制点；
e、根据地面控制点，对影像数据进行航摄成图处理，生成航摄成品。
进一步地，步骤e具体为：当有效像片地面控制点较多时，直接进行空三加密及像片纠正；当有效像片地面控制点较少时，基于ISO方法将POS模块提供的传感器定向数据与非扫描激光雷达提供的地面控制点信息联合平差，实现高精度航摄成图。
本发明各实施例的集成非扫描激光雷达的航空摄影测量系统及方法，用非扫描激光雷达三维成像代替传统的野外地面控制方法，从而能减化工序，大幅缩短制图周期，降低成本，提高对地理环境恶劣地区和边境地区的成图能力，并且由于采用了基于焦平面的非扫描激光雷达，避免了复杂机械扫描单元的使用，具有结构简单，系统轻小，可靠性高的优点，通过与数字航摄仪一体化设计，能保证摄影测量系统的小型轻质。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明中集成非扫描激光雷达的航空摄影测量系统的结构框图；
图2为本发明中的集成非扫描激光雷达的航空摄影测量系统的工作原理图；
图3本发明中的集成非扫描激光雷达的航空摄影测量方法框图。
结合附图1，本发明实施例中附图标记如下：
1-控制存储模块；2-POS模块；3-CCD数码相机；4-非扫描激光雷达；5-第一指令传输线缆；6-第二指令传输线缆；7-第三指令传输线缆；8-第一数据传输线缆；9-第二数据传输线缆；10-第三数据传输线缆；21-差分GPS系统；22-惯性测量单元IMU；41-发射系统；42-接收系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
根据本发明实施例，如图1所示，提供了一种集成非扫描激光雷达的航空摄影测量系统。
参见图1，本实施例的集成非扫描激光雷达的航空摄影测量系统，具体如下：
包括非扫描激光雷达、CCD数码相机、定位定向POS模块、控制存储模块、第一指令传输线缆、第二指令传输线缆、第三指令传输线缆、第一数据传输线缆、第二数据传输线缆和第三数据传输线缆；
所述POS模块包括差分GPS模块和惯性测量单元，所述非扫描激光雷达包括发射系统和接收系统；
所述控制存储模块通过第一指令传输线缆将指令信号传输给POS模块，所述差分GPS模块通过第二指令传输线缆将同步时钟信号传输给非扫描激光雷达，所述差分GPS模块通过第三指令传输线缆将同步时钟信号传输给CCD数码相机，所述差分GPS模块通过第一数据传输线将所述CCD数码相机与非扫描激光雷达的位置数据传输给控制存储模块，所述惯性测量单元通过第一数据传输线将所述CCD数码相机与非扫描激光雷达的姿态角数据传输给控制存储模块，所述CCD数码相机通过第二数据线缆将航摄像片数据传输给控制存储模块，所述接收系统通过第三数据传输线将地面采样点的距离数据传输给控制存储模块；
还包括搭载平台，所述CCD数码相机和非扫描激光雷达均刚性固联在搭载平台上，所述差分GPS模块包括位置坐标已知的GPS基准站和GPS移动站，所述GPS移动站位于搭载平台上；
所述惯性测量单元包括用于感测搭载平台加速度和角速度的加速度计和陀螺，所述加速度计和陀螺均位于搭载平台上；
所述指令传输线缆和数据传输线缆均位于搭载平台上，所述指令传输线缆包括第一指令传输线缆、第二指令传输线缆和第三指令传输线缆，所述数据传输线缆包括第一数据传输线缆、第二数据传输线缆和第三数据传输线缆。控制存储模块1通过第一指令传输线缆5向定位定向POS模块2发送系统启停指令，控制系统工作开始和结束时间，并在每一工作周期存储定位定向POS模块2采集的载体位姿测量数据、CCD数码相机3获取的地面影像数据及非扫描激光雷达4获取的地面采样点距离数据；通过地面影像数据、采样点的距离数据、非扫描激光雷达和CCD数码相机的位姿数据融合处理，完成快速低成本航摄成图；
定位定向POS模块2包括差分GPS系统21和惯性测量单元IMU22，差分GPS系统21接到该指令后，通过第二指令传输线缆6和第三指令传输线缆7向CCD数码相机3和非扫描激光雷达4发送同步时钟信号，保证各模块同步启动；同时，差分GPS系统21采集CCD数码相机3和非扫描激光雷达4工作时刻的位置数据，惯性测量单元IMU22采集CCD数码相机3和非扫描激光雷达4工作时刻的姿态角数据，并通过第一数据传输线缆8传输给控制存储模块1；
CCD数码相机3获取视场的航摄像片，并通过第二数据传输线缆9传输给控制存储模块1；
结合图2，发射系统包括微芯片脉冲激光器、激光准直扩束模块、衍射分光模块、分光镜和发射透镜；
接收系统包括接收透镜、定焦镜头、分束镜、窄带滤波器、工作在盖革模式的APD焦平面阵列和计时控制电路，所述计时控制电路集成在APD焦平面阵列上；
在附图中，只描述了脉冲激光器、定焦镜头、窄带滤波器和APD，其他部件结合本方案可以知道发射系统（分光部分）的主要组成内容，另外控制电路可根据具体需求进行设计。
由微芯片脉冲激光器产生的1064nm脉冲激光经过分光系统照射到地面数个采样点上，反射后的可见光及1064nm脉冲激光经过定焦镜头和分束镜后一路经过窄带滤波器滤出可见光后照射到APD焦平面阵列上，另一路照射到可感应红外光谱的CCD阵列。
所述APD焦平面阵列像素数大于等于。
非扫描激光雷达4包括发射系统41和接收系统42，发射系统41产生特定数量的激光束（光束数由APD阵列的像素数决定），并照射视场中若干采样点，地面反射的回波光束被接收系统42接收后，通过时间测量获得各光束照射的地面个采样点的距离数据，并通过第三数据传输线缆10传输给控制存储模块1。
参见图3，集成非扫描激光雷达的系统的航空摄影测量方法，包括以下步骤：
a、控制存储模块向定位定向POS模块发送系统启动指令，POS模块中差分GPS系统接收该指令后，向非扫描激光雷达和CCD数码相机发送同步时钟信号，使各模块同步启动；
b、非扫描激光雷达由发射系统产生脉冲激光，经过衍射分光得到特定数量的子光束，照射视场中采样点，地面反射的回波光束经接收系统中的APD焦平面阵列接收，并由计时控制电路通过时间测量各子光束照射的地面个采样点的距离数据；同时CCD数码相机对同一视场摄影获得航摄像片得到地面影像数据；差分GPS系统和惯性测量单元IMU采集此时搭载平台的位置和姿态角数据；
c、控制存储模块存储非扫描激光雷达获取的地面采样点距离数据、CCD数码相机获取的地面影像数据以及定位定向POS模块采集的工作期间搭载平台的位置和姿态角测量数据；
d、利用非扫描雷达采集的地面采样点距离数据，并结合POS模块采集的搭载平台的位置和姿态角测量数据，根据几何原理解算出地面各激光采样点的大地三维坐标，作为后续航摄内业处理的地面控制点；
e、根据地面控制点，对影像数据进行航摄成图处理，生成航摄成品。
步骤e具体为：当有效像片地面控制点较多时，直接进行空三加密及像片纠正；当有效像片地面控制点较少时，基于ISO方法将POS模块提供的传感器定向数据与非扫描激光雷达提供的地面控制点信息联合平差，实现高精度航摄成图。所述航摄产品为数字正射影像图DOM产品。即测量方法具体如下：
1）、控制存储模块向定位定向POS模块发送系统启动指令，POS模块中差分GPS系统接到该指令后，向非扫描激光雷达和CCD数码相机发送同步时钟信号，保证各模块同步启动；
2）、非扫描激光雷达获取地面采样点的距离数据，CCD数码相机对同一视场摄影获得航摄像片；差分GPS系统和惯性测量单元IMU采集工作期间搭载平台的位姿数据；
3）、利用非扫描雷达获取的地面采样点距离数据，结合POS模块采集的载体位姿测量数据，经校准并根据几何原理可解算出地面各激光采样点的大地三维坐标，作为后续航摄内业处理的地面控制点；
4）、根据非扫描激光雷达在实际光照、地形地貌特征情况下获取的有效像片控制点数目，选择不同的处理流程：当有效像片控制点较多时，直接进行空三加密及像片纠正，生成数字正射影像图DOM等产品；当有效控制点较少时，基于ISO方法将校准后的CCD数码相机定向数据与非扫描激光雷达提供的地面控制点信息联合平差，以生成高精度航摄产品。
非扫描激光雷达为基于焦平面阵列的非扫描激光雷达，由微芯片激光器产生的脉冲激光经发射光学系统分光后得到多个子光束，照射视场中若干采样点；场景反射的激光经接收光学系统由工作在盖革模式的APD焦平面阵列接收，每个探测像元均对目标进行时间测量以得到对应的距离值；通过非扫描激光雷达得到的采样点距离数据，结合POS模块提供的位姿测量数据，可以联合解算出采样点的大地三维坐标并作为航摄内业的地面控制信息；
所述CCD数码相机拍摄航摄像片，提供影像数据；
所述的定位定向POS模块由差分GPS系统和惯性测量单元IMU组成：差分GPS系统由位置坐标已知的GPS基准站和搭载平台上的GPS移动站组成，GPS基准站接收来自GPS卫星的定位数据并将差分信息传至GPS移动站，综合两站的观测数据进行联合解算，可得到搭载平台的位置信息，因CCD数码相机、非扫描激光雷达均刚性固联在搭载平台上，经校准其测量的位置可表征CCD数码相机和非扫描激光雷达的空间位置坐标；所述惯性测量单元IMU利用陀螺、加速度计等来感测搭载平台的加速度和角速度，经过积分等运算，得到载体的姿态信息，因CCD数码相机、非扫描激光雷达均刚性固联在搭载平台上，经校准其测量的姿态角可表征CCD数码相机和非扫描激光雷达的姿态角信息；
所述控制存储模块与非扫描激光雷达、CCD数码相机、定位定向POS模块电连接，实时存储地面影像数据、采样点的距离数据、非扫描激光雷达和CCD数码相机的位姿数据；通过地面影像数据、采样点的距离数据、非扫描激光雷达和CCD数码相机的位姿数据融合处理，可完成快速低成本航摄成图；
依照航摄内业对像片控制点的布设要求，综合考虑激光雷达子光束分布、不同场景地形地貌特征等因素，当非扫描激光雷达APD阵列像素数大于等于时，即可满足航摄成图对像片控制点数量的需求。
非扫描激光雷达产生的1064nm脉冲激光束经分光系统形成多个子光束（光束数等于APD阵列像素数）照射地面数个采样点，为准确定位这些采样点在航摄像片中的位置，由场景反射的可见光及1064nm红外光进入同一光路系统，经定焦镜头、分束镜后光路分为两路：一路经窄带滤波器滤除可见光谱后，仅有1064nm激光束到达非扫描激光雷达APD阵列上，通过与APD集成的计时控制电路可测出光束达到时间，结合POS模块采集的位姿测量数据，可求解出各子光束所对应地面点的三维坐标，作为后续航摄处理的像片控制点；另一路进入可感应红外光谱的CCD阵列成像得到航摄像片，通过滤除航摄像片中的可见光，仅保留波长为1064nm的光谱信息，可正确标示出像控点在像片中的位置。接下来，根据像片反映的测绘区实际地貌，筛选出测量结果有效的像控点用于后续测图，当有效像控点较多时，直接进行空三加密及定向；当有效控制点较少时，将POS模块提供的传感器定向数据与非扫描激光雷达提供的地面控制点信息联合平差，以实现高精度航摄成图。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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)
1.一种集成非扫描激光雷达的航空摄影测量系统，其特征在于，包括非扫描激光雷达、CCD数码相机、POS模块、控制存储模块、第一指令传输线缆、第二指令传输线缆、第三指令传输线缆、第一数据传输线缆、第二数据传输线缆和第三数据传输线缆；
所述POS模块包括差分GPS模块和惯性测量单元，所述非扫描激光雷达包括发射系统和接收系统；
所述控制存储模块通过第一指令传输线缆将指令信号传输给POS模块，所述差分GPS模块通过第二指令传输线缆将同步时钟信号传输给非扫描激光雷达，所述差分GPS模块通过第三指令传输线缆将同步时钟信号传输给CCD数码相机，所述差分GPS模块通过第一数据传输线缆将所述CCD数码相机与非扫描激光雷达的位置数据传输给控制存储模块，所述惯性测量单元通过第一数据传输线将所述CCD数码相机与非扫描激光雷达的姿态角数据传输给控制存储模块，所述CCD数码相机通过第二数据线缆将航摄像片数据传输给控制存储模块，所述接收系统通过第三数据传输线缆将地面采样点的距离数据传输给控制存储模块。
2.根据权利要求1所述的集成非扫描激光雷达的航空摄影测量系统，其特征在于，还包括搭载平台，所述CCD数码相机和非扫描激光雷达均刚性固联在搭载平台上，所述差分GPS模块包括位置坐标已知的GPS基准站和GPS移动站，所述GPS移动站位于搭载平台上；
所述惯性测量单元包括用于感测搭载平台加速度和角速度的加速度计和陀螺，所述加速度计和陀螺均位于搭载平台上；
所述指令传输线缆和数据传输线缆均位于搭载平台上,所述指令传输线缆包括第一指令传输线缆、第二指令传输线缆和第三指令传输线缆，所述数据传输线缆包括第一数据传输线缆、第二数据传输线缆和第三数据传输线缆。
3.根据权利要求2所述的集成非扫描激光雷达的航空摄影测量系统，其特征在于，所述发射系统包括微芯片脉冲激光器、激光准直扩束模块、衍射分光模块、分光镜和发射透镜；
所述接收系统包括接收透镜、定焦镜头、分束镜、窄带滤波器、工作在盖革模式的APD焦平面阵列和计时控制电路，所述计时控制电路集成在APD焦平面阵列上；
由微芯片脉冲激光器产生的1064nm脉冲激光经过衍射分光照射到地面数个采样点上，反射后的可见光及1064nm脉冲激光经过定焦镜头和分束镜后一路经过窄带滤波器滤除可见光后照射到APD焦平面阵列上，另一路进入可感应红外光谱的CCD数码相机。
4.根据权利要求3所述的集成非扫描激光雷达的航空摄影测量系统，其特征在于，所述APD焦平面阵列像素数大于等于。
5.一种基于权利1所述集成非扫描激光雷达的系统的航空摄影测量方法，其特征在于包括以下步骤：
a、控制存储模块向定位定向POS模块发送系统启动指令，POS模块中差分GPS系统接收该指令后，向非扫描激光雷达和CCD数码相机发送同步时钟信号，使各模块同步启动；
b、非扫描激光雷达的发射系统产生脉冲激光，经过衍射分光得到特定数量的子光束，所述子光束照射视场中采样点，接收系统中的APD焦平面阵列接收地面发射的回波光束，并由计时控制电路通过时间测量各子光束照射的地面个采样点的距离数据；同时CCD数码相机对同一视场摄影获得航摄像片得到地面影像数据；差分GPS系统和惯性测量单元IMU采集此时搭载平台的位置和姿态角数据；
c、控制存储模块存储非扫描激光雷达获取的地面采样点距离数据、CCD数码相机获取的地面影像数据以及POS模块采集的工作期间搭载平台的位置和姿态角测量数据；
d、利用非扫描雷达采集的地面采样点距离数据，并结合POS模块采集的搭载平台的位置和姿态角测量数据，根据几何原理解算出地面各激光采样点的大地三维坐标，作为后续航摄内业处理的地面控制点；
e、根据地面控制点，对影像数据进行航摄成图处理，生成航摄产品。
6.根据权利要求5所述的基于集成非扫描激光雷达的系统的航空摄影测量方法，其特征在于，所述步骤e具体为：当有效像片地面控制点较多时，直接进行空三加密及像片纠正；当有效像片地面控制点较少时，基于ISO方法将POS模块提供的传感器定向数据与非扫描激光雷达提供的地面控制点信息联合平差，实现高精度航摄成图。
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