发明内容
基于此,有必要针对现有技术中采用三线阵推扫形式的成像系统存在机械结构复杂、体积大、重量大、造价高以及加工、制造、装调和检测困难的问题,提供一种单探测器三线阵立体测绘成像方法及系统,本发明克服了现有的三线阵成像系统组织形式的不足,提供了一种体积小、重量轻、系统机构复杂程度较低、易于装调和检测的三线阵立体测绘成像系统设计组织形式,降低了成像系统设计制造与维护成本。
为解决上述问题,本发明采取如下的技术方案:
一种单探测器三线阵立体测绘成像方法,所述方法包括以下步骤:
确定对地成像的光电探测装置中单面阵CMOS成像探测器上的前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行,所述前视探测器行、所述正视探测器行和所述后视探测器行均由若干行像元组成;
对所述光电探测装置进行面阵相机标定,得到所述光电探测装置的相机主距和主点位置,并对所述光电探测装置进行畸变校正,得到所述单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在图像坐标系下对应的实际位置和所述前视探测器行、所述正视探测器行、所述后视探测器行分别对应的行序号数据;
根据所述相机主距、所述主点位置和所述行序号数据计算交会角和基高比;
读取在曝光时刻下所述前视探测器行、所述正视探测器行和所述后视探测器行的传感数据;
根据所述单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在图像坐标系下对应的实际位置、所述传感数据、所述交会角、所述基高比和定位定向装置在所述曝光时刻下记录的位置姿态数据进行三线阵立体测绘推扫成像。
相应地,本发明还提出一种单探测器三线阵立体测绘成像系统,所述系统包括光电探测装置、定位定向装置和图像数据处理装置,所述图像数据处理装置分别与所述光电探测装置和所述定位定向装置连接,所述图像数据处理装置用于
确定对地成像的所述光电探测装置中单面阵CMOS成像探测器上的前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行,所述前视探测器行、所述正视探测器行和所述后视探测器行均由若干行像元组成;
对所述光电探测装置进行面阵相机标定,得到所述光电探测装置的相机主距和主点位置,并对所述光电探测装置进行畸变校正,得到所述单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在图像坐标系下对应的实际位置和所述前视探测器行、所述正视探测器行、所述后视探测器行分别对应的行序号数据;
根据所述相机主距、所述主点位置和所述行序号数据计算交会角和基高比;
读取在曝光时刻下所述前视探测器行、所述正视探测器行和所述后视探测器行的传感数据;
根据所述单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在图像坐标系下对应的实际位置、所述传感数据、所述交会角、所述基高比和所述定位定向装置在所述曝光时刻下记录的位置姿态数据进行三线阵立体测绘推扫成像。
上述单探测器三线阵立体测绘成像方法及系统采用了单个镜头单个面阵传感器的基本结构形式,利用CMOS器件可按行寻址访问的特点,以单面阵CMOS成像探测器代替多条线阵探测器,从而避免了使用复杂的多镜头支撑结构、多探测器拼接夹持结构以及相应的装调检测过程,降低了成像系统机构的复杂程度,减小了成像系统的体积和重量,同时在电子学电路、焦平面机械结构、控制、数据处理等方面减少了设计装调测试标定环节、降低了设计要求;结合高精度POS系统实现三线阵立体测绘成像,提高了测绘获得的图像质量和测绘精度;单探测器三线阵立体测绘成像系统在实际工作过程中由于机构简化,因此具有相对较高的稳定性,降低了对工作环境的要求,使得本发明的单探测器三线阵立体测绘成像系统适用于各种环境下的立体测绘成像。
具体实施方式
下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
在其中一个实施例中,如图1所示,单探测器三线阵立体测绘成像方法包括以下步骤:
S100确定对地成像的光电探测装置中单面阵CMOS成像探测器上的前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行,所述前视探测器行、所述正视探测器行和所述后视探测器行均由若干行像元组成;
S200对所述光电探测装置进行面阵相机标定,得到所述光电探测装置的相机主距和主点位置,并对所述光电探测装置进行畸变校正,得到所述单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在图像坐标系下对应的实际位置和所述前视探测器行、所述正视探测器行、所述后视探测器行分别对应的行序号数据;
S300根据所述相机主距、所述主点位置和所述行序号数据计算交会角和基高比;
S400读取在曝光时刻下所述前视探测器行、所述正视探测器行和所述后视探测器行的传感数据;
S500根据所述单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在图像坐标系下对应的实际位置、所述传感数据、所述交会角、所述基高比和定位定向装置在所述曝光时刻下记录的位置姿态数据进行三线阵立体测绘推扫成像。
具体地,在本实施例中,光电探测装置用于对地面进行成像,光电探测装置包括单光学镜头和单面阵CMOS成像探测器(或者单面阵CMOS传感器),由于CMOS器件具有可按行寻址访问的特点,因此单面阵CMOS成像探测器也具有可按行寻址访问的特点,在步骤S100中,在单面阵CMOS成像探测器上选取若干行或者若干组像元分别作为前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行,从而确定单面阵CMOS成像探测器上的前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行,前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行均由若干行像元组成。
作为一种具体的实施方式,前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行分别由至少三行像元组成,以保证获得的条带状线阵图像的像素数量,有利于提高测绘获得的图像质量。
在步骤S200中,对光电探测装置进行面阵相机标定,得到光电探测装置的相机主距和主点位置,并对光电探测装置进行畸变校正,得到单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在图像坐标系下的实际位置和前视探测器行、正视探测器行、后视探测器行分别对应的行序号数据。在该步骤中,由于光电探测装置包括单面阵CMOS成像探测器,因此在对光电探测装置进行标定时,可采用常规的面阵相机标定方法进行标定,包括几何标定和辐射标定等,通过常规的面阵相机标定方法得到光电探测装置的相机主距f和主点位置(u0,ν0),其中u0为主点在图像坐标系下的横坐标,ν0为主点在图像坐标系下的纵坐标,表示主点在单面阵CMOS成像探测器上的行序号;对光电探测装置进行面阵相机标定后,再对光电探测装置进行畸变校正,通过畸变校正得到单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在图像坐标系下对应的实际位置和前视探测器行、正视探测器行、后视探测器行分别对应的行序号数据。
在步骤S300中,根据步骤S200获得的相机主距f、主点位置(u0,ν0)以及前视探测器行、正视探测器行、后视探测器行分别对应的行序号数据计算交会角和基高比,其中,基高比表示摄影基线与摄影高度之比,本实施例中基高比的计算可采用一般的三线阵立体测绘相机的基高比计算方法实现;根据相机主距f、主点位置(u0,ν0)以及前视探测器行、正视探测器行、后视探测器行分别对应的行序号数据计算交会角的方法如图2所示,这里计算得到的交会角包括前视探测器行的交会角和后视探测器行的交会角,具体地,如图2所示,前视探测器行的行序号为l,根据公式(1)计算前视探测器行的交会角αl,
同理,根据公式(2)计算后视探测器行的交会角αr,
其中,r为后视探测器行的行序号。
在步骤S400中,在曝光时刻t,读取前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行的传感数据,即获得单面阵CMOS传感器上各个功能探测器行的传感数据。
获得传感数据后,在步骤S500中,根据获得的传感数据、单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在图像坐标系下对应的实际位置、前视探测器行和后视探测器行各自的交会角、基高比以及定位定向装置(即POS系统)在曝光时刻t下记录的位置姿态数据,进行三线阵立体测绘推扫成像。在步骤S500中,根据读取的前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行的传感数据、单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在图像坐标系下对应的实际位置、前视探测器行和后视探测器行各自的交会角、基高比以及定位定向装置在曝光时刻t下记录的位置姿态数据进行三线阵立体测绘推扫成像与现有技术中一般的三线阵立体测绘相机的推扫成像方法相同,区别在于本实施例中传感数据分别读取自同一单面阵CMOS成像探测器上的三个不同的功能探测器行,即前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行,因此一般的三线阵立体测绘相机的推扫成像方法可以应用于本实施例中以实现三线阵形式的推扫成像。
本实施例所提出的单探测器三线阵立体测绘成像方法采用了单个镜头单个面阵传感器的基本结构形式,利用CMOS器件可按行寻址访问的特点,以单面阵CMOS成像探测器代替多条线阵探测器,从而避免了使用复杂的多镜头支撑结构、多探测器拼接夹持结构以及相应的装调检测过程,降低了成像系统机构的复杂程度,减小了成像系统的体积和重量,同时在电子学电路、焦平面机械结构、控制、数据处理等方面减少了设计装调测试标定环节、降低了设计要求;同时,结合高精度POS系统实现三线阵立体测绘成像,提高了测绘获得的图像质量和测绘精度。
作为一种具体的实施方式,光电探测装置包括单光学镜头,且该单光学镜头为大视场远心光学镜头。光电探测装置包括单面阵CMOS成像探测器和大视场远心光学镜头,本实施方式采用大视场远心光学镜头与大面阵CMOS传感器相结合,在实现三线阵推扫立体测绘成像的同时,保证了光电探测装置具有较大的基高比,从而保证目标点定位的精度,提高测绘精度。
作为一种具体的实施方式,光电探测装置与定位定向装置固定连接,且光电探测装置和定位定向装置固定安装于稳定平台装置上,其中稳定平台装置用于稳定光电探测装置的光轴并使光轴垂直于地面。稳定平台装置(或者稳定平台组件)用于稳定光电探测装置的光轴,并使光电探测装置在工作过程中光轴始终垂直于地面,定位定向装置用于测量并记录光电探测装置在图像坐标系相对于地心坐标系之间的位置姿态关系,获得光电探测装置在各个时刻的位置姿态数据,光电探测装置与定位定向装置固定连接,例如通过支撑结构固定连接,并且光电探测装置和定位定向装置整体固定安装于稳定平台装置上,以增强机构的稳定性,优选地,光电探测装置和定位定向装置通过安装法兰固定安装于稳定平台装置上,在保证光电探测装置、定位定向装置和稳定平台装置结构稳定的同时,便于光电探测装置和定位定向装置的拆卸和装调检测。
同时,本发明还提出一种单探测器三线阵立体测绘成像系统,如图3所示,该系统包括光电探测装置100、定位定向装置200和图像处理装置300,图像处理装置300分别与光电探测装置100和定位定向装置200连接(图像处理装置300在图3中未示出),其中图像处理装置300用于:
确定对地成像的光电探测装置100中单面阵CMOS成像探测器上的前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行,前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行均由若干行像元组成;
对光电探测装置100进行面阵相机标定,得到光电探测装置100的相机主距和主点位置,并对光电探测装置100进行畸变校正,得到单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在图像坐标系下对应的实际位置和前视探测器行、正视探测器行、后视探测器行分别对应的行序号数据;
根据相机主距、主点位置和行序号数据计算交会角和基高比;
读取在曝光时刻下前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行的传感数据;
根据单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在图像坐标系下对应的实际位置、传感数据、交会角、基高比和定位定向装置200在曝光时刻下记录的位置姿态数据进行三线阵立体测绘推扫成像。
具体地,在本实施例中,光电探测装置用于对地面进行成像,光电探测装置包括单光学镜头和单面阵CMOS成像探测器(或者单面阵CMOS传感器),由于CMOS器件具有可按行寻址访问的特点,因此单面阵CMOS成像探测器也具有可按行寻址访问的特点,图像处理装置300在单面阵CMOS成像探测器上选取若干行或者若干组像元分别作为前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行,从而确定单面阵CMOS成像探测器上的前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行,前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行均由若干行像元组成。
作为一种具体的实施方式,前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行分别由至少三行像元组成,以保证获得的条带状线阵图像的像素数量,有利于提高测绘获得的图像质量。
确定前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行后,图像处理装置300对光电探测装置100进行面阵相机标定,得到光电探测装置100的相机主距和主点位置,并对光电探测装置100进行畸变校正,得到单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在图像坐标系下的实际位置和前视探测器行、正视探测器行、后视探测器行分别对应的行序号数据。由于光电探测装置100包括单面阵CMOS成像探测器,因此在对光电探测装置100进行标定时,可采用常规的面阵相机标定方法进行标定,包括几何标定和辐射标定等,通过常规的面阵相机标定方法得到光电探测装置100的相机主距f和主点位置(u0,ν0),其中u0为主点在图像坐标系下的横坐标,ν0为主点在图像坐标系下的纵坐标,表示主点在单面阵CMOS成像探测器上的行序号;对光电探测装置100进行面阵相机标定后,再对光电探测装置100进行畸变校正,通过畸变校正得到单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在图像坐标系下对应的实际位置和前视探测器行、正视探测器行、后视探测器行分别对应的行序号数据。
图像处理装置300根据相机主距f、主点位置(u0,ν0)以及前视探测器行、正视探测器行、后视探测器行分别对应的行序号数据计算交会角和基高比,其中,基高比表示摄影基线与摄影高度之比,本实施例中图像处理装置300对基高比的计算可采用一般的三线阵立体测绘相机的基高比计算方法实现;图像处理装置300根据相机主距f、主点位置(u0,ν0)以及前视探测器行、正视探测器行、后视探测器行分别对应的行序号数据计算交会角的方法如图2所示,l、n、r分别表示前视探测器行、正视探测器行、后视探测器行在图像坐标系下的纵坐标,其中,l、r一般选取探测器两侧最边缘的行,以便保持较大的前视、正视、后视交会角,n一般选取主点所在行坐标,以便采集正射影像,例如:探测器有5000行线列,主点在第2500行,在成像质量允许的情况下,l、r可以选取第0行与第4999行,n选取为第2500行。这里计算得到的交会角包括前视探测器行的交会角和后视探测器行的交会角,具体地,如图2所示,前视探测器行的行序号为l,根据公式(1)计算前视探测器行的交会角αl,
同理,根据公式(2)计算后视探测器行的交会角αr,
其中,r为后视探测器行的行序号。
在曝光时刻t,图像处理装置300读取前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行的传感数据,即获得单面阵CMOS传感器上各个功能探测器行的传感数据。
获得传感数据后,图像处理装置300根据获得的传感数据、单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在相机图像坐标系下对应的实际位置、前视探测器行和后视探测器行各自的交会角、基高比以及定位定向装置(即POS系统)在曝光时刻t下记录的位置姿态数据,进行三线阵立体测绘推扫成像。图像处理装置300根据读取的前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行的传感数据、单面阵CMOS成像探测器上每一行像元在相机图像坐标系下对应的实际位置、前视探测器行和后视探测器行各自的交会角、基高比以及定位定向装置在曝光时刻t下记录的位置姿态数据进行三线阵立体测绘推扫成像与现有技术中一般的三线阵立体测绘相机的推扫成像方法相同,区别在于本实施例中传感数据分别读取自同一单面阵CMOS成像探测器上的三个不同的功能探测器行,即前视探测器行、正视探测器行和后视探测器行,因此本实施例中的图像处理装置300可以利用一般的三线阵立体测绘相机的推扫成像方法实现三线阵形式的推扫成像。
本实施例所提出的单探测器三线阵立体测绘成像系统在光机结构设计装调上可以参照常规的大视场面阵相机,避免使用复杂的多镜头支撑与多探测器拼接夹持结构以及相应的装调检测过程;在进行光学参数、组件间相对位置关系的标定过程中可以参照常规面阵测量相机成熟的标定方法;系统实际工作过程中由于机构简化,具有相对较高的稳定性,对工作环境的要求降低,同时提高获得的图像质量与测绘精度。
本实施例所提出的单探测器三线阵立体测绘成像系统采用了单个镜头单个面阵传感器的基本结构形式,利用CMOS器件可按行寻址访问的特点,以单面阵CMOS成像探测器代替多条线阵探测器,从而避免了使用复杂的多镜头支撑结构、多探测器拼接夹持结构以及相应的装调检测过程,降低了成像系统机构的复杂程度,减小了成像系统的体积和重量,同时在电子学电路、焦平面机械结构、控制、数据处理等方面减少了设计装调测试标定环节、降低了设计要求;结合高精度POS系统实现三线阵立体测绘成像,提高了测绘获得的图像质量和测绘精度;单探测器三线阵立体测绘成像系统在实际工作过程中由于机构简化,因此具有相对较高的稳定性,降低了对工作环境的要求,使得本发明的单探测器三线阵立体测绘成像系统适用于各种环境下的立体测绘成像。
作为一种具体的实施方式,光电探测装置包括单光学镜头,且该单光学镜头为大视场远心光学镜头。光电探测装置包括单面阵CMOS成像探测器和大视场远心光学镜头,本实施方式采用大视场远心光学镜头与大面阵CMOS传感器相结合,在实现三线阵推扫成像的同时,保证了光电探测装置具有较大的基高比,从而保证目标点定位的精度,提高测绘精度。
作为一种具体的实施方式,如图4所示,光电探测装置与定位定向装置固定连接,且光电探测装置和定位定向装置固定安装于稳定平台装置上,其中稳定平台装置用于稳定光电探测装置的光轴并使光轴垂直于地面。稳定平台装置(或者稳定平台组件)用于稳定光电探测装置的光轴,并使光电探测装置在工作过程中光轴始终垂直于地面,定位定向装置用于测量并记录光电探测装置在相机图像坐标系相对于地心坐标系之间的位置姿态关系,获得光电探测装置在各个时刻的位置姿态数据,光电探测装置与定位定向装置固定连接,例如通过如图3所示的支撑结构固定连接,并且光电探测装置和定位定向装置整体固定安装于稳定平台装置上,以增强机构的稳定性,优选地,光电探测装置和定位定向装置通过安装法兰固定安装于稳定平台装置上,在保证光电探测装置、定位定向装置和稳定平台装置结构稳定的同时,便于光电探测装置和定位定向装置的拆卸和装调检测。
如图4所示,光电探测装置与定位定向装置通过支撑结构构成组合体,并整体通过安装法兰与稳定平台装置连接,稳定平台装置上设有减震器,成像系统工作时,稳定平台装置通过定位定向装置的传感器数据调整光电探测装置的姿态,使光电探测装置实现沿推扫方向的同一地面的前视、正视及后视三个线阵图像,并在线阵图像曝光的同时,读取定位定向装置记录的位置姿态数据,完成用于三线阵立体测绘成像的影像数据及辅助数据的采集。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。