CN107063191B - 一种摄影测量区域网整体相对定向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摄影测量区域网整体相对定向的方法，该方法包括：步骤10)获取摄影测量区域网整体相对定向的观测数据；步骤20)计算摄影测量区域网整体相对定向未知数近似值；步骤30)计算摄影测量区域网整体相对定向元素和模型点坐标。该方法利用共线方程进行区域网整体相对定向，利用区域网每张像片的摄影中心、像片连接点和模型点组成整体三维模型，以减少相对定向的步骤，从而提高相对定向的精度。

Description

一种摄影测量区域网整体相对定向的方法

技术领域

本发明属于摄影测量领域，具体来说，涉及一种摄影测量区域网整体相对定向的方法。

背景技术

摄影测量包含相对定向和绝对定向两个重要过程。相对定向无需地面控制点，利用两张像片相对定向建立立体模型，然后将众多单模型进行模型连接和航线连接建立区域模型。由于受图像处理、特征点提取与匹配等过程中误差的影响，航带内相邻像对模型之间的连接存在误差累积，从而影响平差结果的可用性。(柴进.一种单航带序列图像的模型连接误差校正方法.图像图形技术与应用学术会议,2012)，实际工作中采用利用控制点对区域网模型进行非线性改正提高三维模型的精度。在像片重叠度较大的情况下，重叠度越大,相对定向的精度越好；(张永军，张勇.大重叠度影像的相对定向与前方交会精度分析.武汉大学学报·信息科学版,2005,30(2):126-130)。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是：提供一种摄影测量区域网整体相对定向的方法，利用共线方程进行区域网整体相对定向，利用区域网每张像片的摄影中心、像片连接点和模型点组成整体三维模型，以减少相对定向的步骤，从而提高相对定向的精度。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种摄影测量区域网整体相对定向的方法，该方法包括：

步骤10)获取摄影测量区域网整体相对定向的观测数据；

步骤20)计算摄影测量区域网整体相对定向未知数近似值；

步骤30)计算摄影测量区域网整体相对定向元素和模型点坐标。

作为优选例，所述的步骤10)具体包括：

步骤101)获取航空摄影仪的内方位元素(f,x₀,y₀)；其中，f表示航空摄影仪主距，(x₀,y₀)表示航空摄影仪物镜主光轴在像片平面上的坐标；

步骤102)通过全球卫星导航系统接收机和航空摄影仪的联合标定，获取全球卫星导航系统接收机天线中心在航空摄影仪像空间坐标系中的坐标(u_G,v_G,w_G)；

步骤103)通过动态全球卫星导航系统动态后处理技术，测量各张像片摄影瞬间，接收机天线中心在地面摄影测量坐标系中的坐标j为像片编号，j＝1、2、…、n，n为像片总数；

步骤104)确定航空像片之间同名像点的像片坐标：根据相邻像片的重叠度，提取每张像片九个标准点位的明显特征点，通过图像匹配，得到相邻图像上的同名像点，记录像片连接点的像片坐标(x_ij,y_ij)，i为标准点位编号，i＝1、2、…、9。

作为优选例，所述的步骤20)具体包括：

步骤201)建立整体相对定向坐标系：以第一张像片的像空间坐标系为整体相对定向坐标系，即：其中，表示第1张像片的摄影物镜中心坐标，表示第1张像片的俯仰角，ω₁表示第1张像片的侧滚角，κ₁表示第1张像片的旋转角；

步骤202)根据式(1)计算各张像片摄影位置的近似值：

其中，表示第j张像片的摄影物镜中心坐标；表示第j张像片的GNSS接收机天线中心在地面摄影测量坐标系中的坐标；(u_G,v_G,w_G)表示全球卫星导航系统接收机天线中心在航空摄影仪像空间坐标系中的坐标；

步骤203)根据式(2)计算从第二张像片以后各张像片的摄影姿态近似值：

其中，表示像片j的俯仰角近似值，ω_j表示像片j的侧滚角近似值，κ_j表示像片j的旋转角近似值；

步骤204)利用空间前方交会，计算同名像点的模型坐标近似值(X_k,Y_k,Z_k)；k＝2,3…s，s为像片连接点对应的地面点总数。

作为优选例，所述步骤30)具体包括：

步骤301)确定未知参数：

第二张像片的未知数包括：像片摄影物镜中心坐标参数和像片姿态参数

从第三张像片开始，各张像片的未知数包括：像片摄影物镜中心坐标参数和像片姿态参数

各像片连接点对应的模型点三维坐标(X_k,Y_k,Z_k)，k＝2,3…s，s为像片连接点对应的地面点总数；

未知参数总个数t＝(n-1)×6-1+3×s；

步骤302)建立误差方程式：

首先建立如式(3)所示的共线方程式：

式(3)中，(f,x₀,y₀)表示航空摄影仪的内方位元素；(x_ij,y_ij)表示像片j上的标准点位i的像片坐标，i为标准点位编号，j为像片编号，j＝1、2、…、n，n为像片总数；(X_k,Y_k,Z_k)表示像片连接点对应的地面点坐标，k＝2,3…s，s为像片像片连接点对应的地面点总数；表示第j张像片的摄影物镜中心坐标；

a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃是由ω_j,κ_j构成的旋转矩阵，如式(4)所示：

对公式(3)线性化后如式(5)所示：

式(5)

其中，表示第j张像片的摄影物镜中心坐标；

式(5)用矩阵表示为：

V＝BX-L 式(6)

式(6)中，X为未知数系数矩阵，如式(7)所示：

步骤303)计算未知数：根据间接平差原理，计算式(6)中的未知数矩阵，从而得到各像片的摄影位置和摄影姿态参数，以及模型点的三维坐标。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：无需地面控制点建立高精度三维模型。本专利建立三维模型的独立坐标系，根据每张像片的摄影位置和摄影姿态近似值计算三维模型坐标的近似值，然后利用共线方程整体计算三维模型的三维坐标。同传统单个模型进行相对定向相比，省略了模型连接、航带连接和航带网非线性改正的步骤，提高了相对定向的精度，提高了空中三角测量的效率。本发明尤其适用于多旋翼无人机进行无地面控制点的低空摄影测量。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例的像片连接示意图；

图3为本发明实施例的三维建模示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明实施例的一种摄影测量区域网整体相对定向的方法，包括：

步骤10)获取摄影测量区域网整体相对定向的观测数据。

步骤10)具体包括：

步骤101)获取航空摄影仪的内方位元素(f,x₀,y₀)；其中，f表示航空摄影仪主距，(x₀,y₀)表示航空摄影仪物镜主光轴在像片平面上的坐标；

步骤102)通过全球卫星导航系统接收机和航空摄影仪的联合标定，获取全球卫星导航系统接收机天线中心在航空摄影仪像空间坐标系中的坐标(u_G,v_G,w_G)；

步骤103)通过动态全球卫星导航系统动态后处理技术，测量各张像片摄影瞬间，接收机天线中心在地面摄影测量坐标系中的坐标j为像片编号，j＝1、2、…、n，n为像片总数；

步骤104)确定航空像片之间同名像点的像片坐标：根据相邻像片的重叠度，提取每张像片九个标准点位的明显特征点，通过图像匹配，得到相邻图像上的同名像点，记录像片连接点的像片坐标(x_ij,y_ij)，i为标准点位编号，i＝1、2、…、9。

步骤20)计算摄影测量区域网整体相对定向未知数近似值。

所述的步骤20)具体包括：

步骤201)建立整体相对定向坐标系：以第一张像片的像空间坐标系为整体相对定向坐标系，即：其中，表示第1张像片的摄影物镜中心坐标，表示第1张像片的俯仰角，ω₁表示第1张像片的侧滚角，κ₁表示第1张像片的旋转角；

步骤202)根据式(1)计算各张像片摄影位置的近似值：

其中，表示第j张像片的摄影物镜中心坐标；表示第j张像片的GNSS接收机天线中心在地面摄影测量坐标系中的坐标；(u_G,v_G,w_G)表示全球卫星导航系统接收机天线中心在航空摄影仪像空间坐标系中的坐标；

步骤203)根据式(2)计算从第二张像片以后各张像片的摄影姿态近似值：

其中，表示像片j的俯仰角近似值，ω_j表示像片j的侧滚角近似值，κ_j表示像片j的旋转角近似值；

步骤204)利用空间前方交会，计算同名像点的模型坐标近似值(X_k,Y_k,Z_k)；k＝2,3…s，s为像片连接点对应的地面点总数。

步骤30)计算摄影测量区域网整体相对定向元素和模型点坐标。

所述步骤30)具体包括：

步骤301)确定未知参数：

第二张像片的未知数包括：像片摄影物镜中心坐标参数和像片姿态参数

从第三张像片开始，各张像片的未知数包括：像片摄影物镜中心坐标参数和像片姿态参数

各像片连接点对应的模型点三维坐标(X_k,Y_k,Z_k)，k＝2,3…s，s为像片连接点对应的地面点总数；

未知参数总个数t＝(n-1)×6-1+3×s；

步骤302)建立误差方程式：

首先建立如式(3)所示的共线方程式：

式(3)中，(f,x₀,y₀)表示航空摄影仪的内方位元素；(x_ij,y_ij)表示像片j上的标准点位i的像片坐标，i为标准点位编号，j为像片编号，j＝1、2、…、n，n为像片总数；(X_k,Y_k,Z_k)表示像片连接点对应的地面点坐标，k＝2,3…s，s为像片像片连接点对应的地面点总数；表示第j张像片的摄影物镜中心坐标；

a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃是由ω_j,κ_j构成的旋转矩阵，如式(4)所示：

对公式(3)线性化后如式(5)所示：

式(5)

其中，表示第j张像片的摄影物镜中心坐标；

式(5)用矩阵表示为：

V＝BX-L 式(6)

式(6)中，X为未知数系数矩阵，如式(7)所示：

步骤303)计算未知数：根据间接平差原理，计算式(6)中的未知数矩阵，从而得到各像片的摄影位置和摄影姿态参数，以及模型点的三维坐标。模型点是指像片连接点对应的地面点坐标。

本发明省略了传统单个模型相对定向后续的模型连接、航带连接和航带网非线性改正的步骤，提高了相对定向的精度，提高了空中三角测量的效率。

下面例举一实施例。

实施例包含两条航线，每条航线选取两张像片，共四张像片进行计算，图2是实施例的像片连接示意图。图2中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示像片的编号，0、1、2、3、5、6、7、8、9、10、11表示像片的编号表示像片连接点编号。图3是实施例相对定向三维模型示意图。图3为测量区域的三维模型情况，0、1、2、3、5、6、7、8、9、10、11表示像片连接点对应的三维模型点编号。计算和实施的过程如下：

1、已知数据：航摄仪的内方位元素GNSS接收机天线中心在航空摄影仪像空间坐标系中的坐标

2、采用GNSS PPK技术得到的GNSS接收机天线中心的坐标见下表：

3、像片连接点平面坐标见下表：

4、解算方程式的联立：

利用式(6)建立误差方程式。本实施例情况下，各矩阵的大小见式(8)。

5、外方位元素近似值及计算结果见下表：

连接点的地面坐标近似值及计算结果见下表：

各像片的摄影位置和摄影姿态参数就是上面的外方位元素。模型点的三维坐标就是像片连接点的地面坐标。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种摄影测量区域网整体相对定向的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤10)获取摄影测量区域网整体相对定向的观测数据；所述的步骤10)具体包括：

步骤101)获取航空摄影仪的内方位元素(f,x₀,y₀)；其中，f表示航空摄影仪主距，(x₀,y₀)表示航空摄影仪物镜主光轴在像片平面上的坐标；

步骤102)通过全球卫星导航系统接收机和航空摄影仪的联合标定，获取全球卫星导航系统接收机天线中心在航空摄影仪像空间坐标系中的坐标(u_G,v_G,w_G)；

步骤103)通过动态全球卫星导航系统动态后处理技术，测量各张像片摄影瞬间，接收机天线中心在地面摄影测量坐标系中的坐标j为像片编号，j＝1、2、…、n，n为像片总数；

步骤104)确定航空像片之间同名像点的像片坐标：根据相邻像片的重叠度，提取每张像片九个标准点位的明显特征点，通过图像匹配，得到相邻图像上的同名像点，记录像片连接点的像片坐标(x_ij,y_ij)，i为标准点位编号，i＝1、2、…、9；

步骤20)计算摄影测量区域网整体相对定向未知数近似值；

步骤30)计算摄影测量区域网整体相对定向元素和模型点坐标。

2.按照权利要求1所述的摄影测量区域网整体相对定向的方法，其特征在于，所述的步骤20)具体包括：

步骤201)建立整体相对定向坐标系：以第一张像片的像空间坐标系为整体相对定向坐标系，即：其中，表示第1张像片的摄影物镜中心坐标，表示第1张像片的俯仰角，ω₁表示第1张像片的侧滚角，κ₁表示第1张像片的旋转角；

步骤202)根据式(1)计算各张像片摄影位置的近似值：

其中，表示第j张像片的摄影物镜中心坐标；表示第j张像片的GNSS接收机天线中心在地面摄影测量坐标系中的坐标；(u_G,v_G,w_G)表示全球卫星导航系统接收机天线中心在航空摄影仪像空间坐标系中的坐标；

步骤203)根据式(2)计算从第二张像片以后各张像片的摄影姿态近似值：

其中，表示像片j的俯仰角近似值，ω_j表示像片j的侧滚角近似值，κ_j表示像片j的旋转角近似值；

步骤204)利用空间前方交会，计算同名像点的模型坐标近似值(X_k,Y_k,Z_k)；k＝2,3…s，s为像片连接点对应的地面点总数。

3.按照权利要求2所述的摄影测量区域网整体相对定向的方法，其特征在于，所述步骤30)具体包括：

步骤301)确定未知参数：

第二张像片的未知数包括：像片摄影物镜中心坐标参数和像片姿态参数

从第三张像片开始，各张像片的未知数包括：像片摄影物镜中心坐标参数和像片姿态参数

各像片连接点对应的模型点三维坐标(X_k,Y_k,Z_k)，k＝2,3…s，s为像片连接点对应的地面点总数；

未知参数总个数t＝(n-1)×6-1+3×s；

步骤302)建立误差方程式：

首先建立如式(3)所示的共线方程式：

式(3)中，(f,x₀,y₀)表示航空摄影仪的内方位元素；(x_ij,y_ij)表示像片j上的标准点位i的像片坐标，i为标准点位编号，j为像片编号，j＝1、2、…、n，n为像片总数；(X_k,Y_k,Z_k)表示像片连接点对应的地面点坐标，k＝2,3…s，s为像片像片连接点对应的地面点总数；表示第j张像片的摄影物镜中心坐标；

a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃是由ω_j,κ_j构成的旋转矩阵，如式(4)所示：

对公式(3)线性化后如式(5)所示：

其中，表示第j张像片的摄影物镜中心坐标；

式(5)用矩阵表示为：

V＝BX-L 式(6)

式(6)中，X为未知数系数矩阵，如式(7)所示：

步骤303)计算未知数：根据间接平差原理，计算式(6)中的未知数矩阵，从而得到各像片的摄影位置和摄影姿态参数，以及模型点的三维坐标。