CN108594255B - 一种激光测距辅助光学影像联合平差方法及系统 - Google Patents

一种激光测距辅助光学影像联合平差方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种激光测距辅助光学影像联合平差方法及系统，以所有影像的同名匹配点作为第一类像点观测值，以激光脚印点在某张影像上的反投影点和该反投影点在其它影像上的匹配点作为第二类像点观测值，以所得激光脚印点在所有影像上的反投影点作为第三类像点观测值，采用累计点到核线距离的均方根作为直接观测值，列出相应的误差方程；对于第二类和第三类像点观测值同时按照共线方程列出相应的误差方程；同时视激光脚印点为一种低精度的控制点，列出相应的坐标观测方程；并联合GPS或POS误差观测方程，形成本发明的激光测距辅助光学影像联合平差模型，采用最小二乘的平差准则求解影像的精确外方位元素。本发明能够充分满足无直接地面控制条件下高精度对地观测定位的需求。

Description

一种激光测距辅助光学影像联合平差方法及系统
技术领域
本发明属于测绘科学与技术领域，涉及一种激光测距辅助光学影像联合平差技术。
背景技术
随着传感器技术的发展，在一些无人机平台上集成多种传感器以充分发挥各传感器数据获取能力也越来越成为传统测绘遥感领域的研究热点，而如何进行多传感器数据的联合处理是其中的关键技术之一。在目前的侦察平台上，部分装备集成有惯性组合导航装置，如GPS/IMU、北斗系统，高频光学相机以及激光测量装置，使得这些平台不但具有常规的侦察属性，还使其成为一种攻击利器。目前这些平台常采用激光测距进行目标定位，这要求在进行目标测距时激光锁定目标，不利于多目标情况下的紧急处理。在传统摄影测量领域，则采用其中光学相机所摄影像进行区域网平差，获取影像精确的内外方位元素，进而采用前方交会方法获取目标的地面位置，其优点是目标定位的精度优于激光定位的方法，缺点是技术流程复杂，处理时效上不能满足准实时的要求。此外，由于侦察平台任务的临时性，事先无法准确预知目标区域的地面控制情况，因此仅能采用摄影测量领域的无控平差技术，而这种技术的精度往往依赖于平台观测设备本身的精度。而且在进行光束法平差的过程中，海量的物方点作为未知数增加了平台机上的处理负担，不利于这种技术的推广应用。因此，如何发挥光学视频影像和激光测距装置在信息上的互补优势、进行这两种数据的联合平差处理、提升目标定位的精度具有极大的研究意义。
发明内容
本发明的目的是为侦察平台提供一种激光测距辅助光学影像联合平差技术，它能够充分发挥光学视频影像多目标跟踪和激光装置距离量测在信息获取上的优势，快速、轻量地进行这两种数据的联合处理，从而满足平台高精度对地观测的需求。
为达到上述目的，本发明提供一种激光测距辅助光学影像联合平差方法，将激光测距观测转化为坐标观测引入到光学影像的平差过程之中，包括以下步骤，
步骤1，获取激光脚印点的概略坐标与先验精度；
步骤2，按照POS初值计算激光脚印点在某一张影像上的反投影点，并通过匹配计算该反投影点在其他影像上的同名点；
步骤3，按照POS初值计算激光脚印点在所有影像上的反投影点；
步骤4，以所有影像的同名匹配点作为第一类像点观测值，以步骤2所得激光脚印点在某张影像上的反投影点和该反投影点在其它影像上的匹配点作为第二类像点观测值，以步骤3所得激光脚印点在所有影像上的反投影点作为第三类像点观测值，按照如下子步骤建立联合平差模型，
步骤4.1，计算左影像上点到核线的归一化距离；
步骤4.2，计算同名点的累计点到核线距离的均方根，并作为联合平差模型的直接观测值；
步骤4.3，以同名点的累计点到核线距离的均方根分别对所有影像的外方位元素求微分，并形成误差方程式；
步骤4.4，对于第二类和第三类像点观测值，按照传统摄影测量理论建立反投影残差误差方程式；
步骤4.5，对于激光脚印点的概略坐标认为其带有误差而建立相应的观测误差方程式；
步骤4.6，若存在GPS或者POS观测值，建立相应的误差方程式；
步骤4.7，通过步骤4.1～4.6形成的激光测距辅助光学影像联合平差模型，按照最小二乘的平差准则，精确求解影像的外方位元素。
而且，步骤1中，激光脚印点概略坐标的先验精度按照如下形式计算，
Figure BDA0001636304270000021
其中，
Figure BDA0001636304270000022
表示激光脚印点概略坐标的先验精度；
Figure BDA0001636304270000023
为平台激光起算位置的先验精度；DDis为激光测距的距离先验精度；
Figure BDA0001636304270000024
为激光视向量方位角和高度角的标称测量精度。
而且，步骤4中，激光测距辅助光学影像联合平差模型的误差方程组具有如下形式，
Figure BDA0001636304270000025
其中，V1表示同名点以累计点到核线距离的均方根计算的观测值残差；V2表示激光脚印点的像点观测值按照共线方程计算的观测值残差；V3表示激光脚印点坐标的观测值残差；V4表示GPS或POS观测值残差；TS表示同名点所在影像的外方位元素改正数向量，是多张影像外方位元素改正数向量的集合；t表示影像外方位元素改正数向量；X1表示激光脚印点坐标改正数向量；X2是GPS或IMU的检校参数改正数向量；L1～L4为相应的误差方程式的常数项矩阵；P1～P4为观测值的权矩阵；A～E为相应的系数矩阵。
而且，对于第一类、第二类和第三类像点观测值，累计点到核线距离的均方根观测值的权矩阵P1采用如下方式进行赋权，
Figure BDA0001636304270000031
其中，P1 i,i＝1,2,3分别表示上述三类像点观测值对应的累计点到核线距离均方根观测值的权矩阵；
Figure BDA0001636304270000032
表示光学影像的地面平均分辨率；DFF为激光脚印点概略坐标的先验精度。
本发明提供了一种激光测距辅助光学影像联合平差系统，用于将激光测距观测转化为坐标观测引入到光学影像的平差过程之中，包括以下模块，
第一模块，用于获取激光脚印点的概略坐标与先验精度；
第二模块，用于按照POS初值计算激光脚印点在某一张影像上的反投影点，并通过匹配计算该反投影点在其他影像上的同名点；
第三模块，用于按照POS初值计算激光脚印点在所有影像上的反投影点；
第四模块，用于以所有影像的同名匹配点作为第一类像点观测值，以第二模块所得激光脚印点在某张影像上的反投影点和该反投影点在其它影像上的匹配点作为第二类像点观测值，以第三模块所得激光脚印点在所有影像上的反投影点作为第三类像点观测值，建立联合平差模型，包括以下单元，
第一单元，用于计算左影像上点到核线的归一化距离；
第二单元，用于计算同名点的累计点到核线距离的均方根，并作为联合平差模型的直接观测值；
第三单元，用于以同名点的累计点到核线距离的均方根分别对所有影像的外方位元素求微分，并形成误差方程式；
第四单元，用于对于第二类和第三类像点观测值，按照传统摄影测量理论建立反投影残差误差方程式；
第五单元，用于对于激光脚印点的概略坐标认为带有误差而建立相应的观测误差方程式；
第六单元，用于若存在GPS或者POS观测值，建立相应的误差方程式；
第七单元，用于通过第一单元至第六单元形成的激光测距辅助光学影像联合平差模型，按照最小二乘的平差准则，精确求解影像的外方位元素。
而且，第一模块中，激光脚印点概略坐标的先验精度按照如下形式计算，
Figure BDA0001636304270000041
其中，
Figure BDA0001636304270000042
表示激光脚印点概略坐标的先验精度；
Figure BDA0001636304270000043
为平台激光起算位置的先验精度；DDis为激光测距的距离先验精度；
Figure BDA0001636304270000044
为激光视向量方位角和高度角的标称测量精度。
而且，第四模块中，激光测距辅助光学影像联合平差模型的误差方程组具有如下形式，
Figure BDA0001636304270000045
其中，V1表示同名点以累计点到核线距离的均方根计算的观测值残差；V2表示激光脚印点的像点观测值按照共线方程计算的观测值残差；V3表示激光脚印点坐标的观测值残差；V4表示GPS或POS观测值残差；TS表示同名点所在影像的外方位元素改正数向量，是多张影像外方位元素改正数向量的集合；t表示影像外方位元素改正数向量；X1表示激光脚印点坐标改正数向量；X2是GPS或IMU的检校参数改正数向量；L1～L4为相应的误差方程式的常数项矩阵；P1～P4为观测值的权矩阵；A～E为相应的系数矩阵。
而且，对于第一类、第二类和第三类像点观测值，累计点到核线距离的均方根观测值的权矩阵P1采用如下方式进行赋权，
Figure BDA0001636304270000046
其中，P1 i,i＝1,2,3分别表示上述三类像点观测值对应的累计点到核线距离均方根观测值的权矩阵；
Figure BDA0001636304270000047
表示光学影像的地面平均分辨率；DFF为激光脚印点概略坐标的先验精度。
本发明所采用的激光测距辅助光学影像联合平差方法，首先将激光测距值转化为激光脚印点的坐标观测值，将其概略坐标按照初始的影像外方位元素反投影到影像上，从而获取激光脚印点在影像上的同名连接点；此外，还可以将激光脚印点反投影在某一张影像上，并将其匹配在其它多视影像上，形成另一种类型的激光脚印点反投影像点的同名连接点，从而建立激光脚印点的概略坐标和其在光学影像上像点的对应关系。对于普通光学影像同名连接点、激光脚印点在某张影像上的反投影点及其在其它影像上的匹配点、激光脚印点在所有影像上的反投影点这三类像点观测值均采用累计点到核线距离均方根作为直接观测值并建立误差方程；同时，对于激光脚印点的反投影点还采用共线方程建立误差方程式；再结合激光脚印点的坐标观测值方程以及GPS或POS观测值方程，建立本发明的联合平差模型，从而按照最小二乘的平差准则进行平差求解，进而获取影像的精确外方位元素。本发明主要适用于具有光学影像和激光测距装置的飞行平台，用于获取光学影像的精确外方位元素以及目标定位等应用。本发明的联合平差方法能够充分发挥光学视频影像多目标跟踪和激光装置距离量测在信息获取上的优势，快速、轻量地进行这两种数据的联合处理，从而满足平台高精度对地观测的需求，具有以下特点：
1)将激光测距的距离观测方式转化为坐标观测方式，一定程度上避免了激光光束的记录时刻和影像曝光时刻的同步问题。
2)相对于传统摄影测量区域网平差而言，无需前方交会计算物方点初值，同时本发明的联合平差模型的未知数只有影像外方位元素、激光脚印点坐标、GPS或IMU检校参数等，无普通加密点坐标，减轻了误差方程线性化过程和最小二乘参数求解的计算负担，可快速地求解影像外方位元素，并有助于该方法实现机上的实时(或准实时)处理。
3)由于本发明的联合平差模型与普通同名点对应的物方点无关，对影像外方位元素初值误差具有更大的容忍范围(即更宽的收敛域)，理论上其平差稳定性要优于传统摄影测量基于共线方程的平差方法。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种激光测距辅助光学影像联合平差方法，该方法适用于提供光学影像和激光测距装置的侦察测量平台，其中光学影像用于目标观测和跟踪，激光测距装置用于测量平台到目标区域的距离，主要应用于无直接地面控制信息的影像外方位元素获取以及高精度的目标定位。实际应用表明，一些侦察平台上搭载有这类测量装置，而在侦察任务中，通常具有目标区域距离观测平台很远、光学影像呈大角度拍摄、目标区域观测范围有限等特点，在实施这些侦察任务的过程中也不可能随时提供地面控制点，因此激光测距值成为了唯一的控制手段。在传统摄影测量领域，在没有地面控制点的条件下，通常采用GPS或者POS辅助的光束法平差获取影像的精确外方位元素，其主要的未知数为加密点坐标和影像外方位元素，其中前者的未知数个数要远远大于后者，这限制了该类方法在线处理的效率，不利于实现平台在线(准)实时处理；同时，GPS或POS辅助光束法平差的效果依赖于设备本身的精度，并且对初值的要求很高。在无控平差的过程中，物方点的初值通常通过前方交会获取，而极端的观测环境可能导致物方点的初值误差大，从而可能不利于光束法平差的稳定收敛。而在实际的工业应用中，采用激光测距观测方程同样可以精确地对目标进行定位，但是其缺点是只能针对单一目标，无法发挥光学影像多目标判别跟踪的优势；同时，激光测距定位的精度仍然有待提升。因此，本发明主要旨在充分发挥这两种观测装置在信息获取上的优势，快速有效地获取影像精确的外方位元素。
本发明将激光测距观测转化为坐标观测引入到光学影像的平差过程之中。首先，采用已有的影像匹配技术获取光学影像的同名连接点，即为第一类像点观测值；其次，将激光测距观测值按照激光测距方程转化为激光脚印点坐标，对于每一个激光脚印点，按照POS初值计算其在某影像上的反投影点，然后再用特征点匹配的方法获取该反投影点在其它影像上的同名点，即为第二类像点观测值；同时，还将每一个激光脚印点由POS初值投影到所有影像上获取其反投影点，即为第三类像点观测值。对于上述三类像点观测值，采用累计点到核线距离的均方根作为本发明联合平差方法的直接观测值，列出相应的误差方程；对于第二类和第三类像点观测值，同时按照共线方程列出相应的误差方程；并借鉴传统摄影测量的思路，视激光脚印点为一种低精度的控制点，列出相应的坐标观测方程；而GPS或POS观测值则采用已有的误差方程模型；从而形成本发明的激光测距辅助光学影像联合平差模型，最终采用最小二乘的平差准则，求解影像的精确外方位元素。输入数据为光学影像、激光测距观测值、GPS/IMU观测值等各类观测值及其设备的先验精度。
参见图1，实施例所提供的具体流程包括以下步骤：
步骤1，获取激光脚印点的概略坐标与其先验精度，具体形式如下：
Figure BDA0001636304270000061
其中，(XF,YF,ZF)T表示激光脚印点的概略坐标；(Xs,Ys,Zs)T表示激光光束起算位置，可视为影像外方位线元素；Dis表示激光光束的测距距离；
Figure BDA0001636304270000062
表示激光光束的视向量，即方位角和高度角。
激光脚印点概略坐标的先验精度按照协方差传播定律以如下方式计算：
Figure BDA0001636304270000063
其中，
Figure BDA0001636304270000064
表示激光脚印点概略坐标的先验精度；
Figure BDA0001636304270000065
为平台激光起算位置的先验精度，通常可认为惯性导航装置的位置精度；DDis为激光测距的距离先验精度；
Figure BDA0001636304270000071
为激光视向量方位角和高度角的标称测量精度。
步骤2，按照POS初值计算激光脚印点在某一张影像上的反投影点，并采用已有的匹配技术计算该反投影点在其他影像上的同名点。
步骤3，按照POS初值计算激光脚印点在所有影像上的反投影点，具体方式可参照已有技术。
步骤4，以所有影像的同名匹配点作为第一类像点观测值，以步骤2所得激光脚印点在某张影像上的反投影点和该反投影点在其它影像上的匹配点作为第二类像点观测值，以步骤3所得激光脚印点在所有影像上的反投影点作为第三类像点观测值，按照如下方式建立联合平差模型：
步骤4.1，计算左影像上点到核线的归一化距离，计算方式为：
Figure BDA0001636304270000072
其中，i,j分别用于标识左、右两张影像；pi表示左影像上的像点，按照齐次坐标表示，即
Figure BDA0001636304270000078
而(xi,yi)表示该像点在影像上的坐标；lj,i表示右影像点pj在左影像上的核线方程；核线方程是一条直线，一般形式为：ax+by+C＝0，lj,i(1),lj,i(2)分别表示该核线方程的前两个系数a、b；且核线具有以下形式：
Figure BDA0001636304270000073
其中，Ki,Kj分别表示左右相机的标定参数，
Figure BDA0001636304270000074
表示Kj的逆，
Figure BDA0001636304270000075
表示Ki的逆的转置；Ri,Rj分别表示左右影像三个姿态角组成的方向余弦；Ti,Tj分别表示左右相机的平移向量；[·]×表示向量的反对称矩阵；[·]T表示矩阵的转置；[·]-1表示矩阵求逆。
步骤4.2，计算同名点的累计点到核线距离的均方根，并以其作为联合平差模型的直接观测值，具体方式为：
Figure BDA0001636304270000076
其中，di,k表示i影像上的同名点到k影像上同名点在i影像上的核线的距离；
Figure BDA0001636304270000077
表示当前同名点在影像i上的累计点到核线距离di,k的均方根；n表示当前同名点的重叠数。
步骤4.3，以步骤4.2中同名点的累计点到核线距离的均方根分别对所有影像的外方位元素求微分，并形成误差方程式，即累计核线距离残差误差方程：
V1＝ATS-L1,P1
其中，V1表示同名点以累计点到核线距离的均方根计算的观测值残差；TS表示同名点所在影像的外方位元素改正数向量，一般是多张(至少2张)影像外方位元素改正数向量的集合；L1为误差方程式的观测值向量；P1为观测值的权矩阵；A为相应的系数矩阵。
对于上述三类像点观测值，采用如下方式进行赋权：
Figure BDA0001636304270000081
其中，P1 i,i＝1,2,3分别表示上述三类像点观测值对应的累计点到核线距离均方根观测值的权矩阵，即对于第一类、第二类和第三类像点观测值，P1分别为P1 1、P1 2、P1 3；
Figure BDA0001636304270000082
表示光学影像的地面平均分辨率；DFF为激光脚印点概略坐标的先验精度，其计算方式为：
Figure BDA0001636304270000083
其中，
Figure BDA0001636304270000084
表示激光脚印点概略坐标在X、Y、Z三个方向的先验精度。
即对于第一类和第二类像点观测值，累计点到核线距离均方根观测值取单位权为1；对于第三类像点观测值，累计点到核线距离均方根观测值的权重按照光学影像的平均地面分辨率和激光脚印点先验精度之间的比值确定，由于激光脚印点概略位置的精度有限而目前的光学影像的分辨率通常较高，因此第三类像点观测值的累计点到核线距离的均方根观测值一般设置较小的权值。
步骤4.4，对于第二类和第三类像点观测值，按照传统摄影测量理论建立误差方程式，即共线方程反投影残差误差方程：
V2＝Bt+CX1-L2,P2
其中，V2表示激光脚印点的像点观测值按照共线方程计算的观测值残差；t表示影像外方位元素改正数向量；X1表示激光脚印点坐标改正数向量；L2为这两类像点观测值的常数项矩阵；P2为这两类观测值的权矩阵；B,C为相应的系数矩阵。
步骤4.5，对于激光脚印点的概略坐标认为其带有误差而建立相应的观测误差方程式，即激光脚印点坐标观测误差方程：
V3＝EX1-L3,P3
其中，V3表示激光脚印点坐标的观测值残差；X1表示激光脚印点坐标改正数向量；L3为激光脚印点坐标的观测值向量；P3为激光脚印点坐标观测值的权矩阵，按照步骤1中先验精度的倒数进行赋权；E为相应的系数矩阵；
P3的计算方式为
Figure BDA0001636304270000091
步骤4.6，若存在GPS或者POS观测值，可建立相应的误差方程式，即GPS/POS观测误差方程：
V4＝DX2-L4,P4
其中，V4表示GPS或POS观测值残差；X2一般是GPS或IMU的检校参数改正数向量，如GPS线性漂移、常数项改正、IMU偏心参数等；L4为GPS或POS的观测值向量；P4为观测值的权矩阵，可按照设备的先验精度赋权；D为相应的系数矩阵。
通过步骤4.1～4.6，形成本发明的激光测距辅助光学影像联合平差模型，其误差方程组如下：
Figure BDA0001636304270000092
步骤4.7，通过步骤4.1～4.6形成的激光测距辅助光学影像联合平差模型，按照最小二乘的平差准则，精确求解影像的外方位元素。推荐平差迭代收敛的准则为：最大迭代次数50次，或者累计点到核线距离均方根的残差平方和小于1e-10，或者未知数改正数均小于1e-6。具体参数和阈值可按照实际效果自由设置。
从理论上分析，该方法以累计点到核线距离的均方根作为直接观测值建立本发明的联合平差方法主要误差方程式，结合传统摄影测量光束法平差的优势，联合各类观测值建立混合误差模型，从而实现绝对坐标框架下的平差解算。不同于传统摄影测量光束法平差的是：其一，摒弃对所有的加密点按照共线方程列误差方程式，整个联合平差模型的未知数只有影像外方位元素、激光脚印点坐标、GPS或IMU检校参数，而在最小二乘平差的过程中普通加密点坐标则无需线性化和求解计算，大大降低了未知数的阶数，理论上可以快速收敛。其二，由于本发明的联合平差模型与普通同名点对应的物方点无关，对影像外方位元素初值误差具有更大的容忍范围(即更宽的收敛域)，理论上其平差稳定性要优于传统摄影测量基于共线方程的平差方法。其三，将激光测距观测值转化为坐标观测值，对于激光脚印点视为一种低精度的控制点而建立相应的坐标观测值方程，并根据计算的每个激光脚印点坐标先验精度赋予权重，相对于常规激光测距距离观测方程，可一定程度上避免激光记录时刻和光学影像曝光时刻的不同步问题。
具体实施时，本发明技术方案可基于计算机软件技术实现自动运行流程，也可采用模块化方式实现相应系统。本发明实施例提供一种激光测距辅助光学影像联合平差系统，包括以下模块：
第一模块，用于获取激光脚印点的概略坐标与先验精度；
第二模块，用于按照POS初值计算激光脚印点在某一张影像上的反投影点，并通过匹配计算该反投影点在其他影像上的同名点；
第三模块，用于按照POS初值计算激光脚印点在所有影像上的反投影点；
第四模块，用于以所有影像的同名匹配点作为第一类像点观测值，以第二模块所得激光脚印点在某张影像上的反投影点和该反投影点在其它影像上的匹配点作为第二类像点观测值，以第三模块所得激光脚印点在所有影像上的反投影点作为第三类像点观测值，建立联合平差模型，包括以下单元，
第一单元，用于计算左影像上点到核线的归一化距离；
第二单元，用于计算同名点的累计点到核线距离的均方根，并作为联合平差模型的直接观测值；
第三单元，用于以同名点的累计点到核线距离的均方根分别对所有影像的外方位元素求微分，并形成误差方程式；
第四单元，用于对于第二类和第三类像点观测值，按照传统摄影测量理论建立反投影残差误差方程式；
第五单元，用于对于激光脚印点的概略坐标认为其带有误差而建立相应的观测误差方程式；
第六单元，用于若存在GPS或者POS观测值，建立相应的误差方程式；
第七单元，用于通过第一单元至第六单元形成的激光测距辅助光学影像联合平差模型，按照最小二乘的平差准则，精确求解影像的外方位元素。
各模块具体实现可参见相应步骤，本发明不予累述。
上述实施例描述仅对本发明的基本技术方案予以说明，且并不仅限于上述实施例。本发明所属领域的技术人员或团队可以对所描述的具体实施例进行任何简单地修改、补充、同等变化或修饰，但并不会偏离本发明的基本精神或超越权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种激光测距辅助光学影像联合平差方法，其特征在于：将激光测距观测转化为坐标观测引入到光学影像的平差过程之中，包括以下步骤，
步骤1，获取激光脚印点的概略坐标与先验精度；
步骤2，按照POS初值计算激光脚印点在某一张影像上的反投影点，并通过匹配计算该反投影点在其他影像上的同名点；
步骤3，按照POS初值计算激光脚印点在所有影像上的反投影点；
步骤4，以所有影像的同名匹配点作为第一类像点观测值，以步骤2所得激光脚印点在某张影像上的反投影点和该反投影点在其它影像上的匹配点作为第二类像点观测值，以步骤3所得激光脚印点在所有影像上的反投影点作为第三类像点观测值，按照如下子步骤建立联合平差模型，
步骤4.1，计算左影像上点到核线的归一化距离；
步骤4.2，计算同名点的累计点到核线距离的均方根，并作为联合平差模型的直接观测值；
步骤4.3，以同名点的累计点到核线距离的均方根分别对所有影像的外方位元素求微分，并形成误差方程式；
步骤4.4，对于第二类和第三类像点观测值，按照传统摄影测量理论建立反投影残差误差方程式；
步骤4.5，对于激光脚印点的概略坐标认为其带有误差而建立相应的观测误差方程式；
步骤4.6，若存在GPS或者POS观测值，建立相应的误差方程式；
步骤4.7，通过步骤4.1～4.6形成的激光测距辅助光学影像联合平差模型，按照最小二乘的平差准则，精确求解影像的外方位元素；
步骤1中，激光脚印点概略坐标的先验精度按照如下形式计算，
Figure FDA0003179060720000011
其中，
Figure FDA0003179060720000012
表示激光脚印点概略坐标在X、Y、Z三个方向的先验精度；
Figure FDA0003179060720000013
为平台激光起算位置的先验精度；DDis为激光测距的距离先验精度；
Figure FDA0003179060720000014
Dψ为激光视向量方位角和高度角的标称测量精度；
步骤4中，激光测距辅助光学影像联合平差模型的误差方程组具有如下形式，
Figure FDA0003179060720000021
其中，V1表示同名点以累计点到核线距离的均方根误差计算的观测值残差；V2表示激光脚印点的像点观测值按照共线方程计算的观测值残差；V3表示激光脚印点坐标的观测值残差；V4表示GPS或POS观测值残差；TS表示同名点所在影像的外方位元素改正数向量，是多张影像外方位元素改正数向量的集合；t表示影像外方位元素改正数向量；X1表示激光脚印点坐标改正数向量；X2是GPS或IMU的检校参数改正数向量；L1～L4为相应的误差方程式的常数项矩阵；P1～P4为观测值的权矩阵；A～E为相应的系数矩阵。
2.根据权利要求1所述的激光测距辅助光学影像联合平差方法，其特征在于：对于第一类、第二类和第三类像点观测值，累计点到核线距离的均方根观测值的权矩阵P1采用如下方式进行赋权，
Figure FDA0003179060720000022
其中，P1 i,i＝1,2,3分别表示上述三类像点观测值对应的累计点到核线距离均方根观测值的权矩阵；
Figure FDA0003179060720000023
表示光学影像的地面平均分辨率；DFF为激光脚印点概略坐标的先验精度。
3.一种激光测距辅助光学影像联合平差系统，其特征在于：用于将激光测距观测转化为坐标观测引入到光学影像的平差过程之中，包括以下模块，
第一模块，用于获取激光脚印点的概略坐标与先验精度；
第二模块，用于按照POS初值计算激光脚印点在某一张影像上的反投影点，并通过匹配计算该反投影点在其他影像上的同名点；
第三模块，用于按照POS初值计算激光脚印点在所有影像上的反投影点；
第四模块，用于以所有影像的同名匹配点作为第一类像点观测值，以第二模块所得激光脚印点在某张影像上的反投影点和该反投影点在其它影像上的匹配点作为第二类像点观测值，以第三模块所得激光脚印点在所有影像上的反投影点作为第三类像点观测值，建立联合平差模型，包括以下单元，
第一单元，用于计算左影像上点到核线的归一化距离；
第二单元，用于计算同名点的累计点到核线距离的均方根，并作为联合平差模型的直接观测值；
第三单元，用于以同名点的累计点到核线距离的均方根分别对所有影像的外方位元素求微分，并形成误差方程式；
第四单元，用于对于第二类和第三类像点观测值，按照传统摄影测量理论建立误差方程式；
第五单元，用于对于激光脚印点的概略坐标认为带有误差而建立相应的观测误差方程式；
第六单元，用于若存在GPS或者POS观测值，建立相应的误差方程式；
第七单元，用于通过第一单元至第六单元形成的激光测距辅助光学影像联合平差模型，按照最小二乘的平差准则，精确求解影像的外方位元素；
第一模块中，激光脚印点概略坐标的先验精度按照如下形式计算，
Figure FDA0003179060720000031
其中，
Figure FDA0003179060720000032
表示激光脚印点概略坐标在X、Y、Z三个方向的先验精度；
Figure FDA0003179060720000033
为平台激光起算位置的先验精度；DDis为激光测距的距离先验精度；
Figure FDA0003179060720000034
Dψ为激光视向量方位角和高度角的标称测量精度；
第四模块中，激光测距辅助光学影像联合平差模型的误差方程组具有如下形式，
Figure FDA0003179060720000035
其中，V1表示同名点以累计点到核线距离的均方根误差计算的观测值残差；V2表示激光脚印点的像点观测值按照共线方程计算的观测值残差；V3表示激光脚印点坐标的观测值残差；V4表示GPS或POS观测值残差；TS表示同名点所在影像的外方位元素改正数向量，是多张影像外方位元素改正数向量的集合；t表示影像外方位元素改正数向量；X1表示激光脚印点坐标改正数向量；X2是GPS或IMU的检校参数改正数向量；L1～L4为相应的误差方程式的常数项矩阵；P1～P4为观测值的权矩阵；A～E为相应的系数矩阵。
4.根据权利要求3所述的激光测距辅助光学影像联合平差系统，其特征在于：对于第一类、第二类和第三类像点观测值，累计点到核线距离的均方根观测值的权矩阵P1采用如下方式进行赋权，
Figure FDA0003179060720000041
其中，P1 i,i＝1,2,3分别表示上述三类像点观测值对应的累计点到核线距离均方根观测值的权矩阵；
Figure FDA0003179060720000042
表示光学影像的地面平均分辨率；DFF为激光脚印点概略坐标的先验精度。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109974668A (zh) * 2018-11-23 2019-07-05 深圳市数字城市工程研究中心 一种倾斜影像空三平差的定权方法及装置
CN111896972B (zh) * 2020-06-16 2022-10-18 中国工程物理研究院应用电子学研究所 一种机载激光雷达同步控制及数码影像外方位元素列表自动创建方法
CN112883325B (zh) * 2021-01-15 2023-09-22 中国测绘科学研究院 一种单像空间后方交会数值计算方法
CN113820720B (zh) * 2021-11-22 2022-01-25 成都星宇融科电力电子股份有限公司 基于多参考基点的三维激光中心测距方法、系统及终端

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102519436A (zh) * 2011-12-28 2012-06-27 武汉大学 一种ce-1立体相机与激光高度计数据联合平差方法
CN103106339A (zh) * 2013-01-21 2013-05-15 武汉大学 同步航空影像辅助的机载激光点云误差改正方法
CN103759670A (zh) * 2014-01-06 2014-04-30 四川虹微技术有限公司 一种基于数字近景摄影的物体三维信息获取方法
CN103823981A (zh) * 2014-02-28 2014-05-28 武汉大学 一种数字高程模型辅助的卫星影像区域网平差方法
CN103927731A (zh) * 2014-05-05 2014-07-16 武汉大学 无需pos辅助的低空遥感影像快速自动拼接方法
CN105160702A (zh) * 2015-08-20 2015-12-16 武汉大学 基于LiDAR点云辅助的立体影像密集匹配方法及系统
CN106023133A (zh) * 2016-04-26 2016-10-12 武汉大学 一种基于多特征联合处理的高分辨率遥感影像水体提取方法
CN107656286A (zh) * 2017-09-26 2018-02-02 武汉大学 大倾斜远端观测环境下目标定位方法及系统
CN107862667A (zh) * 2017-11-23 2018-03-30 武汉大学 一种基于高分辨率遥感影像的城市阴影检测与去除方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10565734B2 (en) * 2015-04-15 2020-02-18 Google Llc Video capture, processing, calibration, computational fiber artifact removal, and light-field pipeline
US20170242104A1 (en) * 2016-02-18 2017-08-24 Aeye, Inc. Ladar Transmitter with Induced Phase Drift for Improved Gaze on Scan Area Portions
US10066946B2 (en) * 2016-08-26 2018-09-04 Here Global B.V. Automatic localization geometry detection
US10408940B2 (en) * 2016-09-25 2019-09-10 James Thomas O'Keeffe Remote lidar with coherent fiber optic image bundle

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102519436A (zh) * 2011-12-28 2012-06-27 武汉大学 一种ce-1立体相机与激光高度计数据联合平差方法
CN103106339A (zh) * 2013-01-21 2013-05-15 武汉大学 同步航空影像辅助的机载激光点云误差改正方法
CN103759670A (zh) * 2014-01-06 2014-04-30 四川虹微技术有限公司 一种基于数字近景摄影的物体三维信息获取方法
CN103823981A (zh) * 2014-02-28 2014-05-28 武汉大学 一种数字高程模型辅助的卫星影像区域网平差方法
CN103927731A (zh) * 2014-05-05 2014-07-16 武汉大学 无需pos辅助的低空遥感影像快速自动拼接方法
CN105160702A (zh) * 2015-08-20 2015-12-16 武汉大学 基于LiDAR点云辅助的立体影像密集匹配方法及系统
CN106023133A (zh) * 2016-04-26 2016-10-12 武汉大学 一种基于多特征联合处理的高分辨率遥感影像水体提取方法
CN107656286A (zh) * 2017-09-26 2018-02-02 武汉大学 大倾斜远端观测环境下目标定位方法及系统
CN107862667A (zh) * 2017-11-23 2018-03-30 武汉大学 一种基于高分辨率遥感影像的城市阴影检测与去除方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Development and Status of Image Matching in Photogrammetry》;GRUEN A;《The Photogrammetry Record》;20121231;第27卷(第137期);第36-57页 *
《影像匹配粗差的局部矢量面元剔除方法》;张永军 等;《测绘学报》;20140731;第43卷(第7期);第717-723页 *

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