CN1825203A - 机载倾斜相机摄影装置 - Google Patents

Abstract

一种机载倾斜相机摄影装置，包括：台数为2－5m多台高空间分辨率面阵CCD相机；一姿态测量装置，提供影像姿态和位置参数；一数据存储设备；一计算机控制系统，负责对以上部件进行数据采集控制以及存储维护，并发送同源触发脉冲启动该多台面阵CCD相机，从而实现同步采集资料。本发明具有获取不同角度的高空间分辨率航空影像、工作效率高和稳定可靠等特点。

Description

机载倾斜相机摄影装置

技术领域：

本发明涉及一种机载摄影装置，具体地说，是具有台数为2-5的多台面阵CCD相机来获取以不同倾斜角度同步数据采集摄相装置。

背景技术

随着城市规划，建筑物景观设计，三维导航等应用对城市建筑物真三维重建的需要，建立镶嵌建筑物真实墙面纹理具有非常现实的意义.

城市建模主要包括几何建模和纹理建模两部分。目前几何建模和纹理建模所依赖的资料源都是分阶段获取。几何建模的资料源通过卫星、飞机获取航天航空立体影像，或者激光扫描(LIDAR)资料；而纹理重建的资料源则主要基于计算机仿真的纹理和基于地面人工拍摄的影像.通过计算机仿真得到的纹理比较简单，缺乏真实感；采用基于地面摄影方式获取墙面纹理，即对每一墙面摄取影像，由人机交互量测影像中墙面的角点，并切割、映像，从而得到墙面纹理，该方式不仅人工量非常大，劳动效率低，而且受到各种客观环境的约束，比如摄影距离有限无法获取高大建筑物的全景，另外建筑物之间的遮挡非常严重。

考虑到几何建模和纹理建模的资料源分阶段获取的工作量大和劳动效率低下，因而国内外学者对于利用“单、多张影像”进行建筑物的三维重建的理论和方法便非常重视(如张祖勋，Liebowitz等)，该方法利用其影像灭点原理解算影像的内、外方位元元素，重建房屋的三维模型，同时建立影像和房屋的纹理映像关系，从而解决单个建筑物的几何和纹理快速重建的问题；但该方法的资料源依然是基于地面人工拍摄方式获取，因此，对于大面积的城市建筑物的真三维快速重建仍显得力不从心。

发明内容：

针对目前城市建筑物的三维重建存在劳动量大，效率低下，真实感较差等现状，本发明的目的是提供一种同步获取建筑物不同角度的序列航空影像的机载倾斜相机摄影装置，以克服现有技术之缺陷。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一种机载倾斜相机摄影装置，其特点是包括：台数为2-5的多台高空间分辨率面阵CCD相机组合装置，以一定角度安装在标准航空稳定平台上；一姿态测量装置，提供姿态和位置参数；一数据存储装置；以及一计算机系统，负责对以上部件进行数据采集控制以及存储维护，并发送同源触发脉冲启动该多台面阵CCD相机，实现同步数据采集。

本发明的装置具有同步获取前视、下视、后视、左视和右视等二个至五个不同角度的航空序列影像的能力.根据生产任务的需要来决定所需面阵CCD相机的个数。其中下视序列影像用于制作DEM、建筑物的三维空间模型和正射影像；其它角度的序列影像作为建筑物墙面纹理的资料源。由上看出本发明的装置既提供了几何建模的数据源，同时也具有了建筑物墙面的纹理源，为几何建模和纹理建模一体化的实现，提供了数据基础。由于本发明的装置是基于航空摄影，相对传统基于地面摄影方式，其工作效率有着明显的提高，房屋模型的真实感较强，而且为城市建模的半自动化、自动化提供一条新的途径。

多台(2-5)相机同步工作，采用脉冲振荡器发出同源脉冲给每台相机和姿态量测系统(POS)，并通过相应的传感器使得每台相机在同一时刻曝光。通过记录POS系统的时间数据，标记每张影像的成像时刻，从而建立每台相机之间的序列影像的索引关系。

其整机的主要技术指针如下：

●地面分辨率GSD：0.2m(按航高1000m计算)；

●光学成像的总视场角：44°；

●资料动态范围：76dB；

●位置和姿态参数精度；

■机上实时：位置3-10m，速度0.5m/s，俯仰和侧滚2’，航偏角10’；

■事后处理：位置10-30cm，速度0.05m/s，俯仰和侧滚1’，航偏角2’；

●稳定平台：俯仰和侧滚稳定范围不小于±12°。

●环境条件：环境温度：-10～50℃，湿度：70～80％rH；

●海拔高度：小于2000m，通用航测飞机常规振动和冲击。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明

附图说明：

图1为本发明的总体结构示意图。

图2-1和图2-2为本发明的多台面阵CCD相机组合装置实施例的视图示意图。

图3为本发明的系统组成模块图。

具体实施方式：

下面根据图1-图3给出本发明一个较好实施例，并予以详细描述，以便进一步给出本发明的技术细节，使能更好地说明本发明的结构特征和功能特点，但不是用来限定本发明的范围。

如图1所示，本发明之机载倾斜相机摄影装置的总体结构包括：

多台(2-5台)高空间分辨率面阵CCD相机组合装置13；一姿态测量装置14，提供姿态与位置参数，该多台面阵CCD相机组合装置13和姿态测量装置14安装在航空摄影稳定平台5上，一数据存储装置12，一台计算机控制系统11，负责对以上部件进行数据采集控制以及存储维护，并发送同源触发脉冲启动多台(2-5台)面阵CCD相机，从而实现同步数据采集。

为了便于介绍，在实施例中，将整个装置分成三部分加以说明，即多台高空间分辨率面阵CCD相机组合装置；稳定平台、位置姿态测量和导航子系统；数据采集/控制/存储子系统：

多台高空间分辨率面阵面阵CCD相机组合装置

如图2-1，2-2所示，多台高空间分辨率面阵CCD相机组合装置13由五台相机组成。每台相机参数为：

规格		FB4040
			面阵	CCD	Kodak KAF 16801E(单色)CCD、16802(全色)CCD
像素数	1,600万像素4,080(H)×4,080(V)
		光敏面尺寸		36.88mm(H)×36.88mm(V)
像元大小	9μm(H)×9μm(V)方型结构
		色位数		单色16bit(4096levels)，全色48bit(Bayer RGB)
ISO值					100～400ISO

曝光时间			适应相机的范围
				数据读出时			2s
PC接口			IEEE 1394 FireWire火线接口
				大小			100mm(W)×82mm(H)×45mm(D)
重量			0.38kg
				电源			10-25V DC@800ma，通过FireWire火线供电
输出图像大小	单色	8bit	16Mbytes
				16bit	32Mbytes
		全色	8bit/color			48Mbytes
	16bit/color			96Mbytes

下视相机133为垂直摄影，用于制作DEM、正射影像，其它相机(前视相机131、后视相机132、左视相机134和右视相机135)为倾斜摄影，提供城市建筑物墙面纹理，倾斜角度在20°-50°之间。

●稳定平台、位置姿态测量和导航子系统

稳定平台、位置姿态测量和导航子系统由航空摄影稳定平台5、姿态测量装置4(POS)和计算机控制系统1中的导航系统构成。通过高精度姿态和定位参数的获得，稳定平台5提供一定精度的水平，并能提供领航员和飞行员各种参数和导航参数。

位置姿态测量将采用引进国外机载高精度POS装置解决，它将全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(IMU)有机地结合在一起，以多种接口方式灵活地提供高精度的姿态和位置参数，并有原始数据记录功能，供数据后处理获得更高精度的姿态和位置参数。该系统可以实现位置2-3m，速度0.2m/s，俯仰和侧滚1.8’，航偏角6’的实时精度。通过软件事后处理能获得位置10-30cm，速度0.04m/s，俯仰和侧滚1’，航偏角2’的姿态定位精度。

POS系统与多台(2-5)相机组合装置13以统共同刚性地安装在二轴稳定平台15上。二轴稳定平台15提供相机组合装置13一个较低精度的平台，避免飞机由于气流不稳定(在城市上空飞行)中抖动引起姿态的突变，保证精确测量的精度，降低几何校正的困难。导航设备将系统参数、仪器状态、姿态参数、定位参数、飞行航线、导航参考以直观、GUI方式提供给领航员和飞行员。

●数据采集/控制/存储子系统

该子系统由计算机控制系统1中的数据采集模块、数据控制模块、存储模块三个模块组成。主要完成高空间分辨力相机成像、POS/SP/AV子系统的多源数据传输、采集、控制、存储和实时显示等功能。整个子系统包括数据采集器、磁盘阵列记录器、工业控制计算机和POS处理机。

基于小型化、轻量化、一体化结构设计思想，在数据采集/控制/存储子系统上通过同源触发脉冲同步启动多台面阵相机。

计算机控制系统主要包括：人机交互设备，同步控制设备，高速存储接口，高速光纤数据通道，数据接收处理单元：

(a)计算机控制系统的组成

计算机控制系统的组成设备的选取和功能如下：

人机交互设备：包括显示设备、键盘、鼠标等通用输入/输出设备。考虑到机载系统特殊的工作环境，选用的标准为抗震性和电磁兼容性能良好，携带方便、安装简易、操作便捷。

同步控制设备，这一部分主要包括三个主要功能：生成GPS信息，提供给存储模块生成GPS数据文件；在数据采集过程中，同步向多台(2~5)相机发送同周期性脉冲信号；同时将该信号与GPS上提供的时钟信息相结合，生成事后时钟校准所需的时间标志。

高速光纤数据通道：从高空间分辨力相机的数码设备中获取图像数据，经由高速存储设备接口送入高速存储外设进行存储。

高速存储设备接口：正常运行时，多台高空间分辨力相机同时成像，其海量数据对存储设备的数据存储率要求很高，普通的存储设备无法满足要求，所以在系统中采用了高速、稳定、可靠，抗震性能良好的高速存储外设完成数据采集工作，利用高速存储设备接口与之连接，将数据通道中获取的数据经过实时压缩后送入高速存储设备中。

数据接收处理接口：获取当前的飞行姿态信息，同时将相机曝光触发信号，发送给POS处理器的Event Mark记录器，实现图像数据与POS数据的配准。

(b)存储设备

把多台高空间分辨率面阵相机采集的二维图像数据和辅助参数即时转存到数据存储器中，供地面后处理系统使用。位置和姿态参数同时被记录在高空间分辨力数据和高光谱分辨力数据中，供事后用软件方法处理进行数据同步。

单台相机输出图像的大小：

4096*4096*3/(1024*1024)＝48MBps

曝光时间间隔为：2.45s

按五台相机同步工作1小时飞行时间计算，图像所需的存储设备容量为344GB，使用SCSI总线硬盘阵列，实现大容量、高速数据存储模块，记录速度大于50Mbyte/second。采用两种容量的磁盘阵列，一种为540G，另一种为216G，都具有机上更换能力，能够完成一次长时间飞行任务。

(c)计算机控制软件功能模块划分

如图3所示，主要控制软件分成以下几个功能模块，它们的功能如下：

人机交互模块10，该软件为系统的控制中心，主要功能包括：生成人机交互界面，部分元数据信息的显示和获取，图像浏览，控制指令的获取和执行。

元数据管理模块110，主要功能包括：元数据信息的获取和存储，数据来源于人机交互模块110。

数据获取和处理模块112：从高空间分辨力成像设备中获取图像数据和IMU结果数据，生成所需的结果数据文件111。

导航控制模块113(即姿态量测控制模块)：获取IMU数据，提供给人机交互界面，用于生成导航操作所需的控制信息。

探测器控制模块114：从人机交互界面中获取操作员对探测器的控制指令，并加以执行。

状态检测模块115：成像设备运行状态的实时监控，并将有效数据送入状态记录模块116加以存储和显示。

图3中表示数据流，而“→”表示控制流；输入输出设备2包括显示设备、键盘、鼠标等。

以上所介绍的，仅仅是本发明的较佳实施例而已，不能以此来限定本发明实施的范围，即本技术领域内的一般技术人员根据本发明所作的等同的变化，以及本领域内技术人员熟知的改进、变化，都应仍属于本发明专利涵盖的范围。

Claims (5)

1、一种机载倾斜相机摄影装置，其特征在于包括：

台数为2-5的多台高空间分辨率面阵CCD相机，以一定角度安装在航空摄影稳定平台上；

一姿态测量装置，提供影像姿态和位置参数，安装在航空摄影稳定平台上；

一数据存储装置；

一计算机控制系统，负责对以上部件进行数据采集控制以及存储维护，并发送同源触发脉冲启动该多台面阵CCD相机，实现同步数据采集。

2、根据权利要求1所述的机载倾斜相机摄影装置，其特征在于：

该多台高空间分辨率面阵CCD相机摄影装置包括前视相机，下视相机，后视相机，左视相机，右视相机。

3、根据权利要求2所述的机载倾斜相机摄影装置，其特征在于，该下视相机为垂直摄影，用于制作DEM，正射影像。

4、根据权利要求2所述的机载倾斜相机摄影装置，其特征在于，所述前视相机、后视相机、左视相机和右视相机都为倾斜摄影，用于获取建筑物墙面纹理影像，倾斜角度在20-50°之间。

5、根据权利要求1所述的机载倾斜相机摄影装置，其特征在于，该多台高空间分辨率面阵CCD相机中的每一台相机通过相应的一个传感器成像时间对准实现成像同步。

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