CN202599425U - 一种多波段成像遥感器标校装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多波段成像遥感器标校装置，包括在室内建立的三维控制网，该三维控制网内设置有若干已知空间坐标的标志以构成多波段成像遥感器的成像参数测试点，遥感器从室内拍摄三维控制网内的标志，标志之间互相不遮挡地在遥感器内成像。所述三维控制网内的标志呈三维阵列布置，空间坐标可调，配合标志三维阵列区设置两个可测量和复查标志坐标值的观测墩。该标校装置精度高，稳定性良好，可以进行长时间多次定标，监测遥感器系统性能的变化。

Description

一种多波段成像遥感器标校装置

技术领域

本实用新型涉及一种多波段成像遥感器标校装置，具体涉及一种在室内对多波段遥感器成像参数校对的几何装置。

背景技术

随着高分辨率遥感影像的应用日益广泛，人们对遥感影像的应用也提出了越来越高的要求。影响影像精度的直接因素是成像传感器系统的技术指标，随着遥感探测的波段逐渐拓宽，热红外、高光谱、多角度偏振等新型遥感仪器不断涌现，空间分辨率逐渐提高，定量遥感对遥感器的标校有了更高的要求。

目前国内外在对测绘领域相机标校的研究上，常用的典型测定方法有基于平行光管的方法以及基于三维布设区域的方法，这些方法常用于航天CCD相机检校、航空测绘相机的检校以及摄像机的标定。利用经纬仪配合平行光管等光学设备测量镜头主距和畸变参数，设备价格非常昂贵，计算复杂，且得到的内方位元素与实际飞行情况下有一定差异。基于三维布设区域的方法多建于室外，需布设大量地面标志点，然后对试验场使用带检定相机进行航空摄影，然后将内方位元素和畸变参数作为待定参数，引入到空间后方交会或区域网空中三角测量平差系统，通过摄影测量平差确定检校参数，其优点是精度高，但室外试验场建立的成本很高、而且维护困难，室外相机检校需要进行航空摄影，不仅费用不菲，实施难度也较大，一般仅适用于量测型专业航摄相机。而且所有传感器在研制完成后都需要进行标校，而室外标校的环境是不可控的，用于定标的标准难以溯源。国内已有的检校场或定标场，都是针对可见光相机设计，检定的相机主要用于地形图测绘，而对于高光谱、近红外、热红外等多波段遥感器的系统标校无能为力。

随着传感器成像谱段的日益增多和分辨率的不断增强，定量化遥感对影像的定位精度、不同波段之间的配准精度要求日益提高，对遥感器的成像参数进行精确标定的需求日益强烈，建立多波段、多极化传感器标校装置设施迫在眉睫。另外，现有技术中还没有关于几何标校装置建设过程中各误差因素以及详细设计的方法。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种多波段成像遥感器标校装置，该装置布设在室内，制造成本低，校对费用低，标志坐标值可调，易溯源定标标准。

为了达到上述目的，本实用新型一种多波段成像遥感器标校装置，包括在室内建立的三维控制网，该三维控制网内设置有若干已知空间坐标的标志以构成多波段成像遥感器的成像参数测试点，遥感器从室内拍摄三维控制网内的标志，标志之间互相不遮挡地在遥感器内成像。

进一步，所述三维控制网内的标志呈三维阵列布置，空间坐标可调，配合标志三维阵列区设置两个可测量和复查标志坐标值的观测墩。

进一步，所述标志为圆形，正对遥感器的成像面设置有显示圆心的图案层，或设置有显示圆心的结构。

进一步，所述标志固定在垂直设置的标杆上，该标杆上端悬置，可周向自由摆动但无法围绕标杆轴线转动，标杆上端还设置有减震装置，标杆下端悬挂重物并置于重油容器内，维持自然悬垂状态。

进一步，在布设三维控制网的室内设置有照射所述标志形成红外成像的光源。

进一步，所述标志的材料采用铝合金，设置成漫反射光线的表面。

本实用新型建立多波段成像遥感器室内标校装置的主要目的是为工作在可见光、近红外、热红外等波段的传感器进行几何定标，通过定标消除焦距变动、镜头光学畸变差、像主点偏移等因相机光学系统引起的误差，可以确定相机的内方位元素、镜头光学畸变系数、相机与平台系统之间的位置关系等参数。这些参数可以作为评价CCD相机质量的指标，可以在相机使用前对其成像精度进行分析，进而估计实际使用时的相机的定位精度；另外可以利用这些参数对获得的影像进行几何纠正，以解决遥感图像的几何变形问题。

作为航天遥感科学论证体系全过程质量检验中的环节，遥感器系统在发射前要利用稳定性高、噪声小的高精度室内标校装置进行标校，以检验相机各项指标是否达到设计要求的手段，也为今后遥感器应用过程中考察这些参数的稳定性提供初始依据，并且高精度、稳定性良好的标校装置可以进行长时间多次定标，监测遥感器系统性能的变化。

本标校装置还解决了红外波段在室内标校时成像不清晰的问题，可对今后类似装置的建设提供借鉴和参考。

该标校装置非常适用于轻小型遥感器的标校，对于日趋重要的无人机机载遥感相机的标校有着非常好的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型平面布局图；

图2为本实用新型立体图；

图3为图2中A部放大视图；

图4为本实用新型主视图；

图5为图4中B部放大视图；

图6为图4中C部放大视图；

图7为本实用新型侧视图；

图8为本实用新型观测墩立体图；

图9为本实用新型的标志坐标算法原理图；

图10为本实用新型流程图。

图中：1.标志物、1-1.标杆、1-2.标志、1-3.重锤、1-4.油桶、2.观测墩、3.顶架。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达到预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图和较佳实施例，对本实用新型的结构、特征以及功效详细说明如后。

如图1、图2、图4、图7、图8所示为本实用新型所设计实施例之一，在该实施例中，针对遥感应用的多波段成像仪建立的室内几何标校装置，该装置室内面积约45m²，标志三维布设区域的宽度为4.68m，高度为3.1m，侧面宽为2.4m。布设区域纵向分为四层，横向分为7列，纵向每层间隔0.80m，横向每列间隔0.7m。标志总数量约200个，构成测试区域近40m³。遥感器在不同位置都可获取最佳数量的测试标志。标校装置可满足可见光、近红外、远红外等多波段成像遥感器的标校需求。该实验场建立、维护成本低，稳定性好，可重复利用，对于非量测轻小型多波段遥感器尤为适合。

设计原理

如图1、图2、图3所示，标志三维布设区域按一定规律布设有一组己知空间坐标的标志1-2，标志1-2的空间坐标可调。标志1-2的数量、质量和分布影响到定标的精度，因此布设三维室内三维布设区域要遵循下列原则：

(1)应布设足够数量，一般数十个或更多的三维标志点标志1-2；

(2)标志点一般是均匀分布的，并且在三维坐标方向的分布上，均有足够的延伸；

(3)应为相机留有足够的拍摄活动空间；

(4)最好安置两个或以上稳定的观测墩2，以提高测量精度并用于定期复查标志点坐标1-2。

用于近景摄影测量和遥感领域的各种型号相机的焦距值通常在数毫米至数百毫米之间，视场角可在几度至近百度之间变动，摄影比例尺可变化在1∶10至1∶100之间甚至更宽范围内。而且对标志形式上的不同要求(人工量测或自动识别)，很难设计一个适应于多种领域相机的通用室内三维布设区域，一般可根据现实需要建立相应结构的三维布设区域且要明确三维布设区域适用的范围。结合目前遥感领域常用相机的光圈、波段范围，提出了标校装置适用范围的理论公式。

在室内定标要求相机必须可对标志点进行清晰成像，应满足透镜的光学成像公式：

$\frac{1}{f}=\frac{1}{a}+\frac{1}{b}---\left(1\right)$

根据上式(1)，当摄区某一物距为a的景物时，只有当像距为b时方能得到清晰的像。当物距大于或小于a的其它景物，其影像都是一些模糊的圆。这种圆斑，称为模糊圆。当模糊圆的直径小到一定程度，人眼感觉不出它是一个圆，而是一个点时，则这些圆构成的影像仍然是清晰的。因此，当对有限距离的景物摄影时，若景物的前面最近处与该景物后面的最远处之间的景物，成像都是清晰的(即模糊圆直径ε小于某一容许的限度)，则此最近处和最远处之间的距离称为景深(Depth of Field)，公式为：

$D.F.=\frac{{2a}^2{f}^2\mathrm{k\ϵ}}{f^4-a^2{k}^2{\mathrm{\ϵ}}^2}---\left(2\right)$

由公式可以看出，景深与物距有关，物距a越大，景深越大，反之物距越小，景深越小；景深与光圈号数有关，当a和f为定值时，光圈号数k越大，景深越大；景深与焦距有关，当物距和光圈号数一定时，采用短焦距摄影机摄影时的景深比长焦距摄影机所得的景深大。

当物镜向无穷远处对光时(摄影实践中，无穷远一般指几十米以外的距离)，不仅远处的物体构像清晰，而且在离开物镜不小于某一距离H的所有物体，其构像都很清晰，这个距离称为超焦点距离或无限远起点。令a₁＝H，a₂＝∞(对光于任意距离a上的物体，其景深范围界限)，得到超焦点距离的计算公式为：

$H=\frac{f^2}{\mathrm{k\ϵ}}---\left(3\right)$

目前遥感所用相机的光圈范围一般在4～8之间，本实验场超焦点距离即为室内纵深减去三维布设区域纵深，约为6m，最大拍摄距离大约为6m。因此超焦点距离小于该数值的相机，理论上在本三维布设区域都能进行检定。根据(3)公式，按光圈大小计算，令模糊圆半径ε＝0.1mm，

当超焦点距离H＝6m，光圈号数k＝8，模糊圆半径ε＝0.1mm时，计算的焦距为：

$f=\sqrt{\mathrm{Hk\ϵ}}=\sqrt{6000\×8\×0.1}\≈69\mathrm{mm}$

则该实验场理论上可以满足焦距小于69mm的相机所用。

固定装置设计

标志三维布设区域内的标志1-2安装在垂直设置的标杆1-1上，标杆1-1选用铝合金型材，铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，是满足标校装置精度的稳定性、使用的长久性等要求的最优材质。经过多次实验，确定使用国家标准ZLD101A型铝合金，抗拉伸能力在200mPa以上。根据室内场地的实际条件设计标杆1-1的具体指标，具体设计为圆杆型，内径：28mm，壁厚：2mm，长：3m。

如图5、图6所示，铝合金标杆1-1上端悬置在顶架3上，并且设置有减震装置，安装后标杆1-1自身可相对观测墩2前后自由摆动，但标杆1-1不能绕铝合金管中心轴线有0.05mm以上转动，在装置下吊重锤1-3于盛放重油的油桶1-4内，重油起到阻尼作用，确保标杆1-1处于自然下垂，标杆1-1还可以设置成可360°自由摆动，在该装置受到震动后，标杆1-1能够更好地复位，但是同样要保证管不能绕铝合金管中心轴线有0.05mm以上转动。

标志设计

标校装置里标志点的精度直接影响遥感器标校的精度，而标志的形状、尺寸、材质的光学性能等都是影响标志点坐标量测精度的关键因素。为此，从标志的形状设计、尺寸的计算、材质的光学性能等方面进行精细的设计研究，且为满足除可见光外的其它通道定标时的成像需求，通过对标志材质及光源的改进设计实现多波段的标校要求。

圆标志的识别方法也比较成熟，而且也方便其他方法进行检测，一般圆的识别是提取圆周点来拟合解算得到圆心点的坐标，因此标志点应尽量分布在水平和铅垂线上，方便初始的定位。

为适应像点坐标的量测和匹配处理，标志点的成像大小需要在20像元左右。成像过大会加大计算量，精度也不会明显提高，成像太小则无法满足提取要求。人工标志的大小应根据实际的摄影距离和选取的摄影机镜头焦距进行计算：

$m=\frac{H}{f}$

设CCD单元的物理尺寸为ps(单位μm)，标志点标牌成像像元个数为N，设计的标志的大小为直径8cm。

对多光谱相机进行定标，首先要保证标志点能在各个波段上成像清晰。标志点材料的选择是至关重要的问题，通常情况下容易满足可见光波段的需求，但近红外、热红外波段需要进行特殊处理。近红外波段的遥感信息来自于景物目标的反射和辐射，其中反射部分占大部分，而对于热红外传感器，获取的景物目标信息主要来自景物热辐射。因此我们选择比辐射高的铝材质，采用国家标准铝合金型材，材料硬度强，变形小，适合于制作人工标志，且为避免在光照条件下标志发生反光，标志表面采用丝网印刷，并进行了表面的剖光、磨砂喷雾处理。

对于多波段成像遥感器来讲，在对不同类型被测物体进行摄影时，自然光源与人工光源的正确使用都是一个关键问题，其中光源与感光材料的匹配、人工光源的类型、光源的色温和显色性等性能特点都对成像质量有很大影响。尤其是位于室内的标校装置，几乎无自然光源，整个照明全需由人工光源提供。在增强室内光源时还需注意一些问题，一般要求光照对所摄对象的照度要均匀，尽量避免被测物体上的阴影及反光；而且照明灯分布要均匀尽量减少阴影。并且为使红外波段受到的热辐射较强，可以清晰成像。经调研及实验对比，选取色温指数达1000K，显色指数高，光照均匀的泛光灯。将其布设于实验场标志点区域前方两侧，同时对所摄对象照明，可以清晰成像。

作为定标参数解算的依据数据，要求有很高的标志点坐标测量精度。为保障数据的高精度，采用了高精度测量仪器配合标准尺的方法进行测量，可满足标志点坐标的测定精度在亚毫米内。

作为定标使用的三维布设区域对标志点的坐标测量精度要求很高，为了保证点位测量精度及今后工作中的复测和检核使用，如图8所示，在标校室内布设了两个强制对中观测墩2做为测量仪器的基站。为了形成最佳的测量角度，两观测墩2间距设计约3m，与第一层待量测标志的平均交会角约60°，与最后一层标志点的平均交会角大于40°，这样可以形成最优的三角形。观测墩2上安置的基座使用适用于全站仪、经纬仪等的通用对中基座(型号F-1A)。按照国家标墩建设规范建设，整个观测墩2采用钢筋混凝土结构，埋于地下约10-20cm处。

标志点的测量采用前方交会方法进行施测，原理如图9所示，其中A、B点为观测墩2所在位置，P点为被测标志所在位置。采用两台瑞士WILD的T3光学经纬仪进行测量，其测角中误差为0.7″，采用“测回法”观测6个测回，测量时室内温度恒定保持在20°-25°之间。为确保观测数据的正确性及消除人为误差，采用“方向观测法”以检核测量成果。

测量后对标志点的坐标进行了精度分析，选择三维布设区域内均匀分布及精度最差的点作为抽样点进行置信度评价。所有标志点的三维坐标精度分布在±0.3mm-±0.7mm区间之内，最差点位精度为±0.632mm。

达到的效果

建立多波段成像遥感器室内标校装置的主要目的是进行工作在可见光、近红外、热红外等多波段的传感器的几何定标，通过定标消除焦距变动、镜头光学畸变差、像主点偏移等因相机光学系统引起的误差，可以确定相机的内方位元素、镜头光学畸变系数、相机与平台系统之间的位置关系等参数。这些参数可以作为评价CCD相机质量的指标，可以在相机使用前对其成像精度进行分析，进而估计实际使用时的相机的定位精度；另外可以利用这些参数对获得的影像进行几何纠正，以解决遥感图像的几何变形问题。

在装置建设完成后，同时也对其它遥感器以及数码相机进行了标校，同样可以得到理想结果，并且该标校装置非常适用于轻小型遥感器的标校，对于日趋重要的无人机遥感的机载相机的标校有着非常好的应用前景。

上面所述只是为了说明本实用新型，应该理解为本实用新型并不局限于以上实施例，符合本实用新型思想的各种变通形式均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多波段成像遥感器标校装置，其特征在于，包括在室内建立的三维控制网，该三维控制网内设置有若干已知空间坐标的标志以构成多波段成像遥感器的成像参数测试点，遥感器从室内拍摄三维控制网内的标志，标志之间互相不遮挡地在遥感器内成像。

2.如权利要求1所述的标校装置，其特征在于，所述三维控制网内的标志呈三维阵列布置，空间坐标可调，配合标志三维阵列区设置两个可测量和复查标志坐标值的观测墩。

3.如权利要求1所述的标校装置，其特征在于，所述标志为圆形，正对遥感器的成像面设置有显示圆心的图案层，或设置有显示圆心的结构。

4.如权利要求3所述的标校装置，其特征在于，所述标志固定在垂直设置的标杆上，该标杆上端悬置，可周向自由摆动但无法围绕标杆轴线转动，标杆上端还设置有减震装置，标杆下端悬挂重物并置于重油容器内，维持自然悬垂状态。

5.如权利要求3所述的标校装置，其特征在于，在布设三维控制网的室内设置有照射所述标志形成红外成像的光源。

6.如权利要求3所述的标校装置，其特征在于，所述标志的材料采用铝合金，设置成漫反射光线的表面。

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