CN1959343B - 机载多角度成像测高技术 - Google Patents

Abstract

一种利用机载多角度成像系统辅以GPS/POS装置的摄影测量地形测绘技术。硬件系统包括3个高性能数字相机、平台、姿态测量系统(POS)、全球定位系统(GPS)、数据采集记录系统(DCRS)以及中央控制单元(MCU)。软件系统采用如下流程，首先对硬件部分采集的图像进行预处理，包括获得每景图像拍照时刻的外方位元素，图像的几何畸变纠正以及图像配准，而后经过空中三角测量平差得到修正后的图像的外方位元素，由此外方位元素计算准确的数字地面模型(DSM)并进行相应的高度测量。本发明能够大大减少地面控制点甚至完全不使用地面控制点而直接进行遥感图像的地理定位，可以在很大程度上降低航空摄影测量的外业工作量，提高测图效率，符合航空摄影测量的发展方向。

Description

机载多角度成像测高技术

技术领域

本发明属于通过摄影测量技术进行地形测绘的领域，特别是涉及一种利用机载多角度成像系统辅以GPS/POS位置姿态测量装置的摄影测量技术。

背景技术

航空摄影测量是获取基础地理信息的主要手段，其成果既是测制和更新国家基本比例尺地形图、建立和更新国家基础地理信息系统数据库等的主要数据源，也是一种重要基础测绘成果形式。

航空摄影测量是利用机载成像装置及其他传感系统来获取地形影像和地球及其环境的可靠信息，并对其进行记录、量测、分析与表达的科学和技术。也即利用飞机对地面拍摄像片，再利用摄影测量学原理及立体测图仪或计算机，将像片组成立体模型，以从事各种地图测绘及地物判读之工作。其主要内容是量测地物之空间关系，如：坐标、高程、距离等，最后可得地形图、平面图、影像图以及三维地面模型。

利用航空摄影测量手段获取地形信息的必要条件，除机载成像装置要获得清晰影像外，还要得到每一曝光时刻机载成像装置所处的位置及姿态，也即外方元素。传统航空摄影测量中有一项必要的工序——空中三角测量，其目的是为测图加密控制点，进而得到外方元素。加密需要一定数量的航测外业控制点，而航测外业控制测量通常是艰苦的，有时是困难的，工作量大，作业时间长，因此如何减少外业的工作量成为一个重要的研究课题。近年引用GPS/POS技术为解决这一课题开辟了广阔的前景。

与机载成像装置集成的GPS/POS装置可以直接获取传感器成像时刻的外方位元素，能够大大减少地面控制点甚至完全不使用地面控制点而直接进行遥感图像的地理定位。因此，姿态测量系统的应用以及开发相应的算法，可以在很大程度上降低航空摄影测量的外业工作量，提高测图效率，是航空摄影测量的发展方向。本发明迎合了这一技术发展需要，研究了机载多角度成像测高技术，开发了相应的集成GPS/POS的机载多角度成像装置，并开发了后续的数据处理软件，形成了一套完整的机载多角度成像测高系统。该系统可用于各种地形测绘及相关领域，提高测绘的技术含量及生产效率。

发明内容

本发明的目的在于克服传统的摄影测量过程中需要利用地面控制点而带来的工作量增加甚至在某些地区由于当地的特殊条件使得工作不能继续的困难。将多角度技术同姿态测量技术相结合，利用机载遥感方式的多角度数据实时采集装置，提供高分辨率的地面目标多角度图像，并且在硬件系统中采用曝光同步脉冲信号，实现图像数据和POS数据配对，将两者有机的结合在一起。在软件的处理过程中，对硬件部分获取的姿态数据进行完全脱离地面控制点的空中三角平差，求得每景图像更加精确的姿态，最后获得地面的数字表面模型(DSM)，达到测高的目的。还可以在这些数据的基础上针对具体应用进行再次的开发，以获得更多的产品。

本发明的技术解决方案如下：

根据本发明一种机载多角度测高技术，涉及到硬件和软件两套系统。

硬件系统由至少两台大面阵CCD相机、至少两块基于CameraLink标准的图像采集卡、主控制计算机系统，以及高精度姿态测量装置POS(地理坐标参数)系统所组成，其中CCD相机通过电缆与图像采集卡MDR26接口一对一连接；采集卡固定于主控计算机底板PCI插槽内，主控计算机系统由ATX电源供电以提供采集卡工作必需的3.3V直流电压；数据存储介质大容量SCSI硬盘阵列安装于主控计算机内部，通过专有68针的SCSI电缆和采集卡SCSI输出端口连接，且每块采集卡各自连接一组硬盘阵列，工作于Raid0模式下；姿态测量装置POS系统输出端RS232串口、输入端事件触发同轴电缆端口分别和主控制计算机串口和采集卡LVDS接口同步信号输出针脚引线相连。

软件系统由数据预处理、图像匹配及同名点搜索，空中三角测量平差，DSM数据生成几个步骤构成。其中数据预处理是将硬件系统所获得的数据进行初期的处理，把每个时刻的图像以及姿态数据保存在一个文件中以利于后面作业处理。图像匹配及同名点搜索过程中应尽量找到具有一定数目并且保证有一定精度的同名点，以便进行空中三角测量平差，在平差之后便可以获得比较精确的图像获取时刻的姿态数据，利用这些数据便可以获得地面数字表面模型。

根据同一构思，用上述硬件及软件系统测高，包括下列步骤：

①CCD相机工作在外触发模式之下，任选一块图像采集卡作为主卡，其余作为副卡，由主卡采集卡集成的信号发生器作为CCD相机曝光、传输和姿态测量装置POS事件数据采集记录的唯一同步信号源，其由3M电缆包含的控制总线传递给CCD相机。

②把CCD相机采集的图像分别传输至所连接的采集卡板载缓存之中，由采集卡统一的底层驱动引擎整合、分流，分别通过PCI总线和采集卡板载Ultra160控制端口传送到显存和SCSI硬盘阵列进行实时显示和存储。

③将采集卡底层采集引擎通过单独的线程和姿态测量POS系统通讯，通过设定相同的串口参数来获取CCD相机曝光时刻的事件数据，并存储于主控制计算机系统内存中，当采集完毕后，自动整合到SCSI硬盘阵列中，且由采集引擎控制使其和相关的图像数据一一对应。

④硬件所采集的数据为图像数据文件以及POS纪录的姿态数据文件，两者通过相应的事件号联系。进入软件系统之后，需要把这两个文件进行拆分，并且把图像以及相应的姿态数据保存在一个文件中以便于后面的处理。同一时刻获取的多角度图像会有重叠的部分，并且POS只能获得一个时刻平台的姿态，并无法获得真正的多角度相机姿态。需要把同一时刻多角度图像进行拼接，利用POS所记录的姿态计算拼接后图像对应虚拟相机的姿态。

⑤通过对拼接后的图像进行图像的匹配，获取图像上数量比较多并且其精度比较高的同名点，作为空中三角测量平差中的输入。

⑥空中三角测量平差利用上一步骤得到的同名点信息以及每景图像的姿态信息，进行平差计算。该平差过程利用到多张相片多个同名点信息，设计有针对性的稀疏矩阵算法加快运算速度。平差之后得到经过校正的像片姿态信息，作为下一步的输入。

⑦利用经过校正的像片姿态再次进行图像的匹配，得到同名点利用共线方程得到同名点的地面三维坐标，利用插值得到整个地区的DSM。

本发明的技术效果

1.利用本发明的硬件装置，将三台CCD相机分别固定于包含三个不同对地指向的多角度平台之上，获取的多角度地物图像质量高，系统运行流畅。采集图像的同时获取POS事件数据，对每一帧图像都实现了地理定位。

2.软件系统在通过对初始获得的姿态信息进行空中三角平差运算，在不利用地面控制点的情况下，能够将图像获取时的姿态精确到比较高的精度，最后做出的地面数字表面模型的精度也比较高。

附图说明

图1是本发明机载多角度测高技术系统的结构示意图。

图2是本发明硬件系统：机载多角度多源数据的实时采集装置的结构示意图。

图3是多角度多源数据实时采集的数据流程图。

图4是本发明软件系统的处理流程图。

具体实施方式

根据图1、图2、图3和图4，提供一较好的实施例，硬件部分使用3只CCD相机，三台图像采集卡和三组硬盘阵列作为数据采集源。在软件部分，将整个处理流程划分为1级以及2级数据处理过程。1级处理为数据预处理，2级处理为数据的矫正已及DSM的生成。

先请参阅图1。图1是本发明机载多角度测高技术系统的结构示意图，整个系统分为硬件以及软件两个部分。在硬件部分，多角度成像仪以及姿态测量装置都固定于刚性平台之上，他们利用同步控制得到的同步脉冲来实现数据采集记录的同步，图像数据和姿态信息记录通过数据采集及视频开关进行实时机载监视以及数据的记录。软件部分则主要是利用硬件部分所记录的数据，配以相关的先验知识的输入，例如地面的平均高程。输入的数据先经过预处理，生成便于后期处理的数据文件。在经过初始的分析，包括三个角度图像数据的角度以及亮度订正，同一时刻多角度图像的镶嵌，图像匹配以及同名点的查找，得到进行空中三角测量平差所必需的数据，并能够产生初始的粗DSM，粗DSM可以作为最终产品的DSM的输入。同名点信息以及每景图像的姿态信息作为输入进入姿态数据矫正的流程中，经过空中三角测量平差，可以对硬件部分直接得到的像片姿态信息做出精细的校正，以达到最后产品的精度要求的需要，最后，利用这些校正后的姿态信息以及图像数据，再来生成最终的数字表面模型和正摄影像。

硬件系统的总体结构请参阅图2。相机1主要包括CCD相机11、CCD相机12、CCD相机13，实现不同对地指向的多角度成像；固定于主控制计算机2(PCI)插槽内的图像采集卡31、图像采集卡32和图像采集卡33分别通过3M电缆21、3M电缆22和3M电缆23与CCD相机11、CCD相机12和CCD相机13连接；三块采集卡31、32、33板载的SCSI接口通过SCSI电缆41、SCSI电缆42、SCSI电缆43分别和同样安装在主控制计算机2内的硬盘阵列51、硬盘阵列52、硬盘阵列53连接，构成多源数据的存储模块；三块采集卡31、32、33上的同步连接头由两两交叉的采集卡同步交叉连接线连接；三块采集卡31、32、33的LDVS接口由扁平电缆连接，其引出的事件触发信号线连接姿态测量装置POS主控计算机3的事件输入端口；姿态测量装置POS主控计算机的串口由与主控制计算机的串口根据RS232连接线20连接；主控制计算机2视频端口由专用视频线30连接液晶显示器4，作为整个发明装置实时图像显示，流程监控的窗口。本发明装置的工作过程如下：

A.CCD相机11-13所成的像经由3M电缆21-23分别传输给图像采集卡31-33。

B.图像采集卡31-33分别将暂存于各自板载缓存中的图像传输到与其相连的硬盘阵列51-53进行存储；同时统一的底层采集引擎将缓存中的图像进行整合并通过主控制计算机(PCI)2总线传输给系统显存，在液晶显示器4上进行显示。

C.姿态测量装置POS主控计算机3将事件数据传输给主控制计算机2，主控制计算机2将事件数据存储于系统内存中，在采集完成之后统一整合到硬盘阵列51-53中。

D.利用本发明机载多角度多源数据的实时采集系统对图像数据和POS数据进行同步采集的方法，包括下列步骤：

设置CCD相机11-13工作在外触发模式之下；

采集卡31-33任选一块作为主卡，其余两块作为副卡，由主卡采集卡集成的信号发生器产生一定频率、占空比的脉冲信号通过主卡LVDS接口TTLOUT0脚输出，经扁平电缆分别传输到主卡和两块副卡的LVDS接口TTLIN0脚，作为三台CCD相机11、12、13曝光、传输和姿态测量装置POS事件数据采集记录的唯一同步信号源，其由3M电缆21-23包含的控制总线传递给CCD相机11-13。

采集卡同步交叉连接线分别连接采集卡31-33的同步连接端口。

扁平SCSI电缆连接采集卡31-33的包含外同步触发信号的LVDS接口，且引出触发脉冲线10连接POS事件输入端口。

CCD相机11-13采集的图像分别传输至所连接的采集卡31-33板载缓存之中，由采集卡31、32、33统一的底层驱动引擎整合、分流，分别通过PCI总线和采集卡31、32、33板载Ultra160控制端口传送到液晶显示器4和硬盘阵列51-53进行实时显示和存储。

采集卡31、32、33底层采集引擎通过单独的线程和姿态测量装置POS主控计算机系统3通讯，通过设定相同的串口参数来获取CCD相机曝光时刻的事件数据，并存储于主控制计算机系统2内存中，当采集完毕后，自动整合到硬盘阵列51-53中，且由采集引擎控制使其和相关的图像数据一一对应。

本发明装置多源数据采集的流程如图3所示。主要由三部分组成：

1.数据采集记录的同步

系统运行时由应用程序驱动统一的控制命令，采集卡31-33通过Camera Link标准集成的控制总线向相机11-13传递外同步脉冲信号，其工作原理为：当相机11-13捕获到外同步信号的下降沿的同时触发自身的电子快门，电子快门脉冲的下降沿清空CCD感光区域的电荷而后开始曝光，曝光时间的长短则由相机API命令事先设定好，曝光完成即开始传输图像，且图像的传输在严格的时序控制之下进行。底层驱动视三块采集卡11-13为一个整体，严格的进行统一的操作：由相机配置文件进行事先设定，底层着色引擎将分别存储于3组硬盘阵列上但同时曝光的图像整合在一起，按照上、中、下排列格式组合成一帧图像进行显示或导出，方便了后续图像处理时对同时曝光的图像的确认和查找。

2.POS数据的实时采集

为了使采集的每一帧图像都有唯一的POS数据对应，采用如下的协同方式工作：

(1)用专用串口线连接POS计算机PCS3串口COM1和主控计算机2串口COM1。

(2)引出采集卡LVDS接口TTLOUT0脚与POS事件触发EVENT1接头连接。

在POS这一端，采集卡TTLOUT0脚引出的相机外同步信号电平下降沿触发与之连接的POS事件EVENT1，使其按照和相机外同步信号频率一样的频率开始计数。同时我们设置PCS主控计算机串口，使其更新频率与相机外同步信号一致，这是因为相机外同步信号频率就等于图像采集的速率，频率一致就严格保证了他们之间的同步。串口的事件数据流设置为波特率9600，非极性，每字节有8bit且仅跟1位停止位。POS主控计算机3串口发出的数据格式为：

$EVT1，------.------，G，++++++++^*##

其中每个字符代表一个bit，$EVT1为事件标记头，------.------表示当前时刻距离周日凌晨开始所经历的秒数，G代表格林威治时间，++++++++代表事件号，^*##部分为校验码。

由于POS系统在IMU初始化且GPS接收到足够多的卫星使其状态稳定之后开始正常工作，记录当前的GPS信息及姿态数据，存储于PCS内部硬盘和插入的PCMCIA存储卡中，而收到的事件信号驱使其向串口发送和存储于PCS内部一样的EVENT数据，且该事件数据和同步存储与PCS内部的经过处理的GPS信息和姿态信息唯一对应，即每一个事件数据都有唯一的GPS及姿态数据和其对应，所以，PCS串口发出的事件信息就和当前的POS各项数据严格保持同步。事后读取存储于硬盘阵列内和图像一一对应的事件数据来对应记录于PCS内部的GPS及姿态数据，从而确定每一帧图像的GPS数据和飞行姿态数据，从而做到图像的地理定位。

在主控计算机2这一端，同样设置和PCS一样的串口参数。由应用程序驱动统一的控制命令，采集一帧图像的同时访问串口获取当前的事件数据，并把获取的事件数据存储于内存中，在采集完成之后统一按照先后的顺序整合到SCSI硬盘阵列中去，且和每一帧图像一一对应。串口的访问仅延迟在几十毫秒，保证在下一帧图像到来之前完成通讯过程，对图像数据的匹配不造成任何影响，且能更好地和PCS发出的串口事件数据同步起来。

3.图像数据的定位

开启两个单独的线程，一个记录每一桢图像的编号及该帧图像对应的读取的串口POS事件数据；另一个线程则负责记录每一桢图像采集时刻的计算机时间，精确到毫秒。

具体工作流程如下：

(1)定义存储每一帧图像对应的附加信息的内存字节。

(2)记录每一帧图像的图像编号。

(3)记录PCS发送过来的串口事件数据。

(4)记录当前图像采集时刻，精确到毫秒。

(5)采集完毕，采集卡核心驱动自动将底层动态链接库记录的相关数据整合到SCSI硬盘阵列中去。且严格保持一一对应。导出相关数据到主系统硬盘中，便于图像数据和POS本身记录的数据的匹配。

(6)数据匹配定位的后处理。

本发明软件部分的处理流程如图4所示：数据处理主要分为1级数据处理以及2级数据处理。每个大级别中又分别分出下一层次的级别，便于数据处理。在处理过程中以HDF文件作为级别之间数据传递的标准文件格式，其中有一些级别的输出以及输入文件中利用文本文件做数据传递。1级为数据的预处理，利用POS、GPS所给出的姿态信息对数据作初步的处理。下面又分为1A，1B，1C，1D4个级别。2级为数据的精细处理，利用1级数据的输出结果进行空中三角测量平差得到精确的相片姿态信息，然后再得到一个精确度比较高的DSM。下面又分为2B，2C两个级别。

1.1A数据处理模块

1A数据处理模块的功能是基于原始图像、Pos_eo数据(处理后)、相机文件等生成的1AHDF文件。其输入是硬件采集系统所给出的原始图像数据，Pos_eo数据，相机基本信息以及1A基本信息。最后输出为1AHDF文件，该文件把每一个时刻的三个角度的图像以及其姿态信息放在一个文件中，以供后面的处理用。这个模块涉及到了后方交汇算法以及POS数据处理算法。

后方交会算法。

输入相机焦距f，初始x，初始y，初始z，初始p，初始w，初始k，像点数量num，控制点坐标XYZlist，像点坐标xylist。

用三个角元素的初始值计算各方向余弦并组成旋转矩阵R。

用所取未知数的初始值和控制点的地面坐标，带入共线方程逐点计算像点坐标的近似值(x)、(y)。

用每个像点的观测值计算的近似值，计算每个点的常数项1_x1_y。

按逐点计算误差方程式的系数组成误差方程式。

按组成法方程系数矩阵A^TA与常数项A^TL。

用法方程求解的方法，解求未知数的改正数dX_s，dY_s，dZ_s，dp，dw，dk。

用前次迭代取得的近似值，加本次迭代取得的改正数，计算外方位元素的新值。K表示迭代次数

X_s ^k＝X_s ^k-1+d X_s ^k    Y_s ^k＝Y_s ^k-1+d Y_s ^k

Z_s ^k＝Z_s ^k-1+d Z_s ^k    P^k＝P^k-1+d P^k

W^k＝W^k-1+d W^k       K^k＝K^k-1+d K^k

将求得的外方位元素的改正数与规定的限差比较，若小于限差时，则迭代计算完成，否则用未知数的新值作为近似值，重复(2)-(8)步骤计算，知道满足要求为止。

POS数据处理算法。

惯性导航系统(INS)具有能够不依赖外界信息，完全独立自主地提供多种较高精度的导航参数(位置、速度、姿态)的优点。具有抗电子辐射干扰、大机动飞行、隐蔽性好的特点。然而，它的系统精度主要取决于惯性测量器件(陀螺仪和加速度计)，导航参数的误差(尤其是位置误差)随时间积累，不适合长时间的单独导航。GPS的明显优点是能够全球、全天候和实时的导航，其定位误差与时间无关，且有较市制定位和测时精度。但是，GPS在作高动态的运动时常使GPS接收机不易跟踪和捕获到卫星载波信号，甚至产生所谓“周跳”现象。另外GPS接收信号的输出频率较低(一般为1～2Hz)，有时不能满足载体的飞行控制对导航信号更新频率的要求。

GPS和INS具有优势互补的特点。以适当的方法将两者组合起来成为一个组合系统，必定可以提高系统的整体精度和整体导航性能，而且使INS具有空中再对准能力。GPS接收机在INS位置和速度的信息的辅助下，也将大大改善捕获、跟踪和再捕获的能力。并且在卫星分布条件或可见星少的情况下，不致严重影响导航精度。

实现GPS和惯导系统(INS)的组合方案很多，不同的组合方案，可以满足使用者的综合性能要求或特殊要求。现代控制理论的成就，尤其是最优估计理论的数据处理方法，为组合导航系统提供了理论基础。卡尔曼滤波器(Kalman filter)在组合导航系统中有着卓有成效的应用。卡尔曼滤波的应用是指：在导航系统的某些输出量的基础上，利用卡尔曼滤波去估计系统的各种误差状态，并用误差状态的估计值去校正系统，以达到系统组合的目的。

GPS/INS组合卡尔曼滤波器。采用GPS接收机和INS输出的位置、速度信息的差值作为量测信息，经组合卡尔曼滤波器估计惯导系统的误差，然后对惯导系统进行校正。根据对INS校正的不同，卡尔曼滤波器分为两种形式，一是开环校正(输出校正)，二是闭环校正(反馈校正)。

2.1B数据处理模块。

1B数据处理模块的功能是利用原始影像和外方位元素生成角度订正、辐射订正并镶嵌后的1B HDF格式数据。主要用途为纠正前向和后向像机到接近垂直的观测角度，三个角度的图像拼接后成为一个宽幅面的虚拟像机，减少后续数据处理的复杂性。其输入项为1A数据的HDF文件以及基础地理数据(DEM)的先验知识。可以输入一个固定值，也可以输入个栅格化的1∶5万DEM文件，然后系统自动从文件中读取相应位置的DEM数值。其输出为1BHDF文件，文件件的主体数据为将前、中、后三个像机图像旋转、镶嵌后的图像数据。其它附属数据主要是本算法以及后续算法处理中用到的一些参数，如镶嵌的接缝位置、虚拟像机的内外方位元素、地表高程先验知识等等，都以图像数据的属性项的形式给出。这个模块主要涉及到了角度图像的镶嵌算法。

首先建立一个虚拟像机，其内方位元素幅宽刚好包含三像机所覆盖的视场，分辨率与中间像机一样，主点大致对准中间像机的主点，没有镜头畸变；外方位与中间像机一样。假设地表高程等于常数(先验值)，根据共线方程可计算虚拟像机每一个像元所对应的地表三维坐标。在已知前、中、后三个像机的外方位元素的基础上，将这些三维坐标点投影到前、中、后三个像机的行列号坐标，如果投影结果的坐标在其中一个像片范围内，则将相应位置的灰度值赋值给虚拟像机的相应像元，如果三个像机都没有看到该点，则将该点灰度赋值为0。对虚拟相机的所有像元重复上述操作，就得到了镶嵌图像。

镶嵌效果由三像机相对方位元素的精度及地表高程先验估计的合理性共同决定，相对方位元素的精度占主导地位，地表高程先验估计为不敏感参数，理论分析表明，地表高程先验估计误差10米时引起镶嵌图像的变化约有1个像素。

3.1C数据处理模块

1C数据处理模块的功能是利用POS提供的外方位元素和地表高程的先验知识，对每相邻3景影像相互匹配产生的同名点，生成粗DSM。用途为可以直接提供给显示部分，也可以作为较为准确的DSM初值代入后续模块，经过同名特征点匹配、空三平差、精匹配等进一步处理，最终得到细化的、具有地理坐标的测区DSM和正射影像。其输入项为1BHDF格式文件以及地表起伏和地表不均一性的先验知识，这需要另外给出。其输出为1CHDF文件，包括1B图像的感兴趣区域(基本上是3经相邻图像的重叠区域)的同名点列表、对应于图像坐标系的光滑DSM、DSM的上下不确定范围。其它附属数据包括对DSM的一些描述参数以及对本处理算法的描述，使用的1B图像的文件名等等，都是以图像数据的属性项的形式给出。

该模块的处理主要有流程如下：

(1)确定影像匹配的初始模板大小和模板中心位置；

(2)预测模板中心在另两景影像中的位置及其不确定范围；

(3)进行空间分辨率由粗到细的逐级金字塔式匹配，最后得到大量的模板，以及这些模板中心在另两景影像中的对应位置；

(4)根据匹配结果和三景影像的传感器姿态位置参数生成模板中心的高度，然后按照合适的分辨率进行光滑插值得到地表光滑包络的粗DSM；

(5)根据插值残差计算DSM的不确定性；

(6)将同名点匹配的结果、粗DSM及DSM不确定范围数据写入HDF数据，同时写入这一步处理使用的关键方法和参数。

4.1D数据处理模块。

1D数据处理模块的功能为利用1C处理得到的粗DSM作为初始条件和约束条件，在观测角度小的图像中提取特征点，寻找同一个特征点在所有可能出现的影像中的图像坐标位置。其用途为多角度图像中获得同名点集，作为空三及2C数据的基础。其输入为1CHDF文件，包括了可能重叠的1B图像和他们对应的外方为元素和粗DSM。其输出为一个测区的同名特征点集，所有点按照其三维坐标估计值在测区内统一编号，每一个点在多幅图像中都有对应位置。输出为文本文件。

其算法流程为先在测区内分图幅，每一个图像的像块在其最接近垂直的观测图像中提取特征点，根据POS提供的外方位元素和1C中的粗DSM可计算该特征点的大致三维坐标。然后在所有看到此特征点的图像中预测该特征点位置，并在该位置的一定不确定范围内搜索，找到特征点的同名点。

5.2B数据处理模块

2B数据处理模块的主要功能为空中三角测量平差，机载相机系统在每个拍摄瞬时(摄站)的三维位置和姿态(外方位元素)都是通过POS系统的直接测量经过少量的转换和软件处理获得的。直接使用处理后的外方位元素进行前方交会获得的地面目标的三维坐标不能满足测量的需要。因此，该模块任务就是利用大量的同名点和少量(甚至没有)地面控制点进行空中三角测量平差，将直接测量处理得到的外方位元素以及地面控制点的测量转换结果作为观测值参与平差，目的就是使平差后的外方位元素能够提高精度。由于该模块涉及到精度的评价工作，因此有一个用户界面，在该界面下，用户可以看到每次平差之后的结果及精度评价。程序内部已经初始设定好了平差迭代的步骤以及去除粗差点的阈值，用户也可以自定义这些数值。该模块的输入为1D文件，该文件包含同名点信息，主要用于平差，1BHDF文件，包含了图像以及其姿态信息，用于平差和显示图像以及同名点在图像上的位置。输出项为平差后的外方位元素以及平差使用的同名点的三维坐标，以2BHDF文件的格式输出。

其基本的处理流程：

(1)用户输入需要进行平差的区域、平差的迭代次数，去除粗差点的阈值这几个必要的初始数据。

(2)读入平差需要的原始数据。如果有控制点或者人工找到的同名点也可以输入参加平差。

(3)调用平差程序进行平差，并根据用户指定的平差步骤、迭代次数、剔除粗差阈值等运算。在平差过程中注意有些数据平差后会改变，但是在此平差还需要使用原数据，因此应该作相应的保留。

(4)平差结果显示，用户根据平差精度判断，当精度达到要求时保存文件。

该模块还包括多片前方交会算法。在已知像片内外方位元素的情况下，利用多张像片计算同名目标点的过程称为多片前方交会。使用该算法计算某目标点的三维坐标，至少需要两个同名像点，这种情况下计算结果不具有判别错误的能力。有三个同名像点时可以检查计算输入是否有误，三个以上同名点时具有一定的鲁棒性。

6.2C数据处理模块

2C数据处理模块的功能为利用1C处理得到的粗DSM以及2B得到的空三平差修正后的外方位元素作为初始条件和约束条件，对整个测区分块后重新生成具有地理坐标系的DSM以及相应的正射影像，为了增加数据处理流程的灵活性，本模块具有快速和慢速两种选项：(1)作为快速产生结果的一个选项，可直接用POS提供的外方位元素和1B处理生成的同名点列表(或者粗DSM)连接生成具有地理坐标的测区DSM及正射影像图；(2)利用2B处理(联合平差)纠正后的准确外方位元素，以核线匹配结果作为先验知识，重新进行多角度图像的匹配，提取更多的同名点，计算它们的高程，并插值生成具有地理坐标的测区DSM及正射影像图。主要用途为生成区域DSM及正射影像，其结果是测区浏览及高度预警等后续算法的基础。输入项(1)如果使用快速处理选项，需要输入整个测区所有的1B产品和测区基本信息；(2)如果不使用快速处理选项，可获得更好的DSM，但是还必须输入空三平差修正后的外方位元素(即2B产品)。输出项为具有地理坐标的测区DSM、DSM的不确定范围及正射影像图。这些输出空间分辨率为0.05m，按15m*15m分幅。每个测区定义投影方式和坐标起始点，每一个测区对应一个HDF文件，这个HDF文件包含测区的所有(有数据的)图幅，通过一个索引表记录这些图幅的相对位置。

算法流程主要为：

(1)如果使用快速处理选项，则直接对1C处理产生的粗DSM进行连接和投影变换，之后对1B数据进行正射校正；

(2)如果不使用快速处理选项，则先在测区内分图幅，每一个图像块选择一个1B数据作为基准图像，在基准图像上提取边缘点，预测这些边缘点在其它角度的1B图像中的位置，进行边缘点的匹配，成功匹配的同名点前方交会计算三维坐标，用光滑样条对同名点高程插值得到DSM，利用共线方程做正射校正。

Claims (1)

1.一种利用机载多角度成像系统辅以GPS/POS位置姿态测量装置的摄影测量地形测绘方法，包括硬件装置和相应的数据处理软件，其特征在于：三台CCD相机分别固定于包含三个不同对地指向的多角度平台之上；CCD成像系统中，前、中、后三台CCD相机通过三块图像采集卡与主控计算机进行连接；主卡采集卡集成的信号发生器作为CCD相机曝光、传输和姿态测量装置POS事件数据采集记录的唯一同步信号源，控制三台CCD相机的同步曝光；数据存储介质大容量SCSI硬盘阵列安装于主控计算机内部，记录CCD相机所获取图像及配套的位置姿态数据；姿态测量装置POS系统输出端RS232串口、输入端事件触发同轴电缆端口分别和主控计算机串口和采集卡LVDS接口同步信号输出针脚引线相连；硬件装置保证连续、可靠的采集图像和记录GPS/POS测量的曝光时刻相机位置和姿态；软件系统包括图像拼接、影像与姿态对应、同名点搜索、空中三角测量平差以及前方交会处理，可以准确的获得地表数字模型DSM，并可做进一步的量测；处理过程中以HDF文件作为级别之间数据传递的标准文件格式，其中1级为数据的预处理，该级下又分为1A，1B，1C，1D四个级别，2级为数据的精细处理，该级下又分为2B，2C两个级别，方法包括下列步骤：

1)后方交会和POS数据处理：基于原始图像、处理后的POS数据、相机文件生成1AHDF文件；

2)虚拟相机宽幅影像生成：利用原始影像和外方位元素生成角度订正、辐射订正并镶嵌后的1B HDF格式数据；生成虚拟相机宽幅影像主要用途为纠正前向和后向相机到接近垂直的观测角度，三个角度的图像拼接后成为一个宽幅面的虚拟相机，减少后续数据处理的复杂性；

3)同名像点匹配和粗DSM生成：利用POS提供的外方位元素和地表高程的先验知识，对每相邻3景影像相互匹配产生的同名点，生成粗DSM，输出1C HDF文件；所述粗DSM可以直接提供给显示部分，也可以作为较为准确的DSM初值代入后续步骤，经过同名特征点匹配、空中三角测量平差、精匹配的进一步处理，最终得到细化的、具有地理坐标的测区DSM和正射影像；

4)利用步骤3)处理得到的粗DSM作为初始条件和约束条件，在观测角度小的图像中提取特征点，寻找同一个特征点在所有可能出现的影像中的图像坐标位置；其用途为多角度图像中获得同名点集，作为空中三角测量平差及步骤6)的基础；

5)外方位元素优化：利用大量的同名点和少量甚至完全没有地面控制点进行空中三角测量平差，将直接测量处理得到的外方位元素以及地面控制点的测量转换结果作为观测值参与平差，目的就是使平差后的外方位元素能够提高精度；

6)利用步骤3)处理得到的粗DSM以及步骤5)得到的空中三角测量平差修正后的外方位元素作为初始条件和约束条件，对整个测区分块后重新生成具有地理坐标系的DSM以及相应的正射影像。

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