无人机航空相机检校技术研究

无人机航空相机检校技术研究

由于其成本低、重量轻、规模小、流动性好、隐形性好、适应性强、岗位风险设计等特点，无人机在现代战争中发挥着越来越大的军事价值。这是同级武器装备发展的亮点。世界上主要军事力量正在大力发展人工智能技术。航空相机是无人机上主要的任务载荷之一,是无人机执行侦察任务时的主要侦察设备。因对相机拍摄图像内容的观测和提取的精度要求越来越高,所以对相机具有测量的功能的要求也越来越高,而在无人机上配备量测型相机还是不太现实的。目前,甚至在将来很长一段时间内,还是只能配备普通的相机,而普通相机要满足测量相机的要求,测出目标的各种参数,就必须在目标周围布设足够可用的控制点,而对于执行军事任务的无人机而言,这更是不现实的。另外,在利用相机所拍摄的图像对目标进行定位时,相机的内方位元素和光学畸变系数是非常重要的已知参数。由于运输和使用时的碰撞,以及伞降无人机在降落时震动过大,相机的内方位元素和光学畸变系数都易发生变化,对航空相机的定位产生重大影响,因而需要对相机进行及时和定期的检校。因此,对无人机上机载的普通相机实施严格、及时的检校成为一项必不可少的、重要的工作。1无人机航空相机的内容、方法和系统流程1.1调焦后总总变形系数f无人机航空相机,无论是光学航空相机还是数字航空相机,就其检校的内容和方法,都可参照一般的相机。广义上讲,无人机航空相机检校的内容主要包括以下几个方面:(1)内方位元素即主点位置(X0,Y0)与主距(f)的测定;(2)光学畸变系数包括径向畸变差和偏心畸变差的测定;(3)像框坐标系的设定;(4)调焦后主距变化的测定与设定;(5)调焦后畸变差变化的测定;(6)偏心常数EC的测定;(7)比例因子不一的测定;(8)成像分辨率的测定。由于无人机航空相机在执行摄影测量任务中,相机的主点、主距以及光学畸变对测量的精度影响最为明显,所以无人机航空相机检校是基于近景摄影测量原理,主要研究上述的第一项和第二项内容的检校工作。1.2低空航空施工机检校技术方案无人机航空相机按照功能作用可分为光学相机和数字相机;按照结构的不同可分为全景相机和画幅相机。从目前来看,由于画幅相机的光学系统相对比较简单,因而相对而言检校比较容易,物镜的像差、畸变等都容易修正得很好,工艺水平很高,因此具有较高的照相精度。全景相机能将广阔的地面一举拍摄下来,其主要优点是拍摄宽度大。但由于它的光学系统相对比较复杂,影像变形大,分辨力不如画幅相机高,因而检校相对比较困难。所以,目前主要使用的都是画幅相机。无人机航空相机按照执行任务的高度可分为高空航空相机和低空航空相机。高空航空相机的检校方法,包括实验室检校法和试验场检校法,均已标准化成形多年,有专用的设备、作业流程和规范。但是到目前为止,基于近景摄影的低空航空相机的检校并未标准化,其原因可能是这种相机的多样化以及检校内容和方法的多样化。出于仅求解内方位元素和光学畸变的目的,低空航空相机的检校方法可分为光学实验室检校法、实验场检校法、作业检校法、自检校法和恒星检校法五类。从技术上讲,目前相机检校可由以下四种技术方案实现:(1)基于空间后方交会的摄影机检校。(2)基于直接线性变换的摄影机检校。(3)解析铅垂线法。(4)单站解析自检校法。无人机航空相机检校原则上可依照一般相机的检校方法进行。在以上的技术方案中,基于空间后方交会检校和基于直接线性变换检校是较为实用的技术方案,它既可满足较高精度要求,又可以多余检查点检验检校成果的质量。所以根据无人机航空相机自身的特点采用基于直接线性变换的实验场检校法。1.3控制场实验方法无人机航空相机检校系统流程原则上也可参照一般相机,如图1所示:检校流程具体说明如下:(1)建立控制场。直接线形变换检校方法是借助实验场中坐标己知的标志点进行检校,建立控制场是基础。根据建立的场所,无人机航空相机检校控制场分为室内控制场和野外便携式控制场两种。控制场中要求布设一定数量的基本控制点和若干有特殊图形的标志点,控制点和标志点须保证相当的稳定。(2)测定控制点及标志点坐标。通过一些建立高精度控制网的方法精密测定基本控制点的坐标,运用普通工程测量前方交会方法,精确测定标志点的物方空间坐标。(3)拍摄标志点像片。保证锁定相机镜头于某一调焦距条件下,在控制场中不同位置,相机以不同旋转角度拍摄标志点像片。(4)获取标志点像平面坐标。将数字图像传输到计算机中处理,获得标志点像平面坐标。(5)DLT求解检校参数值。利用获得的标志点的物方空间坐标和像平面坐标,依据共线条件方程式,运用给定的DLT模型计算出相机的各检校参数值。(6)实验验证检校参数可靠性。通过实验得出若干检查点的物方空间坐标,通过与其标准的物方空间坐标值相比较来验证各检校参数结果的正确性和可靠性。2无人机航空相机测试的数学模型和精度要求2.1u3000xyz1yxj01c[c在分析无人机航空相机特点及其使用要求的前提下,这里使用直接线性变换作为检校模型。直接线性变换(DirectLinearTransformation—DLT)是直接建立起坐标仪坐标与物空间坐标关系式的一种算法,计算中不需内方位元素数据(故相机无需设置框标),无需初始值,因而非常适用于非量测相机的检校。相对控制是加强所建模型的内部强度的常用方法,针对适应无人机航空相机检校的特殊要求,采用在控制场中加一根铅垂线的控制方法。设铅垂线上有两个已知点(XI,YI,ZI)和(XJ,YJ,ZJ),则有:XI=XJ,YI=YJ,其带像点坐标变形改正的参数方程为:V=ΜL+WCL=0}(1)V=ML+WCL=0}(1)法方程为:CΤΚ+ΜΤΜL+ΜΤW=0CL=0}(2)CTK+MTML+MTW=0CL=0}(2)式(1)、式(2)中:Μ=-1A[XYΖ10000xXxYxΖA(x-x0)r20000XYΖ1yXyYyΖA(y-y0)r2]L=[L1L2L3L4L5L6L7L8L9L10L11k1]ΤV=[VxVy]ΤW=-1A[xy]ΤC=⌊00yi-yj000xi-xj000xiyj-xjyi0⌋r=√(x-x0)2+(y-y0)2A=L9X+L10Y+L11Ζ+1M=−1A[XYZ10000xXxYxZA(x−x0)r20000XYZ1yXyYyZA(y−y0)r2]L=[L1L2L3L4L5L6L7L8L9L10L11k1]TV=[VxVy]TW=−1A[xy]TC=⌊00yi−yj000xi−xj000xiyj−xjyi0⌋r=(x−x0)2+(y−y0)2−−−−−−−−−−−−−−−−−√A=L9X+L10Y+L11Z+1从而可得L={(ΜΤΡΜ)-1CΤ[C(ΜΤΡΜ)-1CΤ]-1C(ΜΤΡΜ)-1-(ΜΤΡΜ)-1}ΜΤΡWΚ=-[C(ΜΤΡΜ)-1CΤ]-1C(ΜΤΡΜ)-1ΜΤΡW}(3)L={(MTPM)−1CT[C(MTPM)−1CT]−1C(MTPM)−1−(MTPM)−1}MTPWK=−[C(MTPM)−1CT]−1C(MTPM)−1MTPW}(3)式(3)中:P为加权矩阵,取P=E为单位矩阵;(x,y)、(xi,yi),(xj,yj)为像方坐标;(X,Y,Z)为物方坐标;VX、VY为多余观测条件下x和y的改正数;k1为对称畸变的待定系数;x0、y0为像主点在坐标仪坐标系中的坐标;r为内径;li(i=1,2,…,11)是像片内外方位元素以及线形改化系统的函数;K为对应于式(1)的联系数向量。在正确求解了11个未知系数的基础上,并且量测了所有加密点的坐标仪坐标,就可解算空间坐标(X,Y,Z)。误差方程式矩阵形式为:V=NS+Q(4)式(4)中:V=[vxvy]ΤΝ=-1A[L1+L9xL2+L10xL3+L11xL5+L9yL6+L10yL7+L11y]S=[XYΖ]ΤQ=-1A[L4+xL8+y]ΤV=[vxvy]TN=−1A[L1+L9xL2+L10xL3+L11xL5+L9yL6+L10yL7+L11y]S=[XYZ]TQ=−1A[L4+xL8+y]T法方程式为:NTNS+NTQ=0(5)从而有S=-(NTN)-1NTQ(6)2.2实际工作检校目前无人机航空相机检校中对光学畸变差的检校还没有统一的标准,这里参照航空摄影测量中专用量测相机的检校精度给定,规范中规定专用量测相机的检校误差不应超过5μm。在实际工作中,则以实际情况和所能达到的最高精度完成检校工作。内方位元素检校精度要求方面,因对mx0,my0和mh产生影响的误差源不只是内方位元素一个,所以对内方位元素测定精度要求估算式更严格,如式(7):mx0=my0=f√3hmx=f√3hmymf=f√3hmh}(7)mx0=my0=f3√hmx=f3√hmymf=f3√hmh⎫⎭⎬⎪⎪(7)式(7)中,(mx0,my0)为像主点坐标中误差,mf为主距中误差,h为被测物体的深度。3无人机航空