無人機(jī)攝影測量技術(shù)教程

目錄緒論1.1攝影測量的定義和任務(wù)…………11.2正直攝影測量……………………11.3傾斜攝影測量……………………1第二章航測無人機(jī)2.1無人機(jī)基本知識…………………72.1多旋翼航測無人機(jī)組成和原理…………………92.2固定翼航測無人機(jī)組成和原理…………………11第三章攝影測量基本原理3.1無人機(jī)空中攝影和航帶計(jì)算……153.2共線方程…………163.3雙目立體視覺和立體觀測………20立體影像匹配……………………21第四章相機(jī)檢校4.1概述………………264.2相機(jī)檢校算法……………………27工程實(shí)例…………28第五章無人機(jī)航線規(guī)劃和像控點(diǎn)測量5.1無人機(jī)航線規(guī)劃原理和算法……315.2無差分GPS無人機(jī)像控點(diǎn)布設(shè)與測量…………32帶差分GPS無人機(jī)像控點(diǎn)布設(shè)與測量…………33第六章空中三角測量加密6.1空三加密的目的和意義…………346.2空三加密連接點(diǎn)的類型與設(shè)立…………………356.2.1標(biāo)志點(diǎn)刺點(diǎn)……………………356.2.2明顯地物點(diǎn)刺點(diǎn)………………356.2.3影像匹配轉(zhuǎn)點(diǎn)…………………35光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量………356.3.1光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量的基本思想與內(nèi)容……………356.3.2解析空中三角測量的精度分析……………396.4inpho攝影測量系統(tǒng)空三加密……41第七章矢量數(shù)據(jù)采集7.1矢量數(shù)據(jù)采集基本算法…………41第八章正射影像和數(shù)字高程模型8.1真正射影像的概念和制作原理…………………428.2數(shù)字高程模型概念和采集方法…………………468.3商用攝影測量軟件制作DOM和DEM方法………488.3.1inpho攝影測量系統(tǒng)生產(chǎn)DOM和DEM……498.3.2Pix4D生產(chǎn)DOM和DEM………50第九章無人機(jī)傾斜攝影測量9.1概況……………609.2傾斜攝影測量原理……………609.2.1密集匹配算法…………………619.2.2紋理映射和細(xì)節(jié)層次模型……619.3傾斜攝影測量相機(jī)………………629.4商用傾斜攝影測量軟件三維建?！?29.4.1Photoscan三維建模技術(shù)……639.4.2Smart3D三維建模技術(shù)………699.5Photoscan三維建模軟件操作具體環(huán)節(jié)…………69第一章緒論1.1攝影測量的定義和任務(wù)國際攝影測量與遙感協(xié)會ISPRS(IntenationalSocietyofPhotogrammetryandRemoteSensing)1998年給攝影測量與遙感的定義是：攝影測量與遙感是從非接觸成像和其他傳感器系統(tǒng)，通過記錄、量測、分析與表達(dá)等解決，獲取地球以及環(huán)境和其他物體可靠信息的工藝、科學(xué)與技術(shù)(PhotogrammetryandRemoteSensingistheart,scienceandtechnologyofobtainingreliableinformationfromnoncontractimagingandothersensorsystemsabouttheEarthanditsenvironment,andotherphysicalobjectsandprocessesthroughrecording,measuring,analyzingandrepresentation)。其中，攝影測量側(cè)重于提取幾何信息，遙感側(cè)重于提取物理信息。也就是說攝影測量是從非接觸成像系統(tǒng)，通過記錄、量測、分析與表達(dá)等解決，獲取地球及其環(huán)境和其他物體的幾何、屬性等可靠信息的工藝、科學(xué)與技術(shù)。攝影測量的特點(diǎn)是對影像進(jìn)行量測與解譯等解決，無需接觸物體自身，因而較少受到周邊環(huán)境與條件的限制。被攝物體可以是固體、液體或氣體；可以是靜態(tài)或動態(tài)；也可以是遙遠(yuǎn)的、巨大的（宇宙天體與地球）或極近的、微小的（電子顯微鏡下的細(xì)胞）。按照成像距離的不同，攝影測量可分為航天攝影測量、航空攝影測量、近景攝影測量和顯微攝影測量等。影像是客觀物體或目的的真實(shí)反映，其信息豐富、形態(tài)逼真，可以從中提取所研究物體大量的幾何信息與物理信息，因此，攝影測量可以廣泛應(yīng)用于各個(gè)方面。按照應(yīng)用對象的不同，攝影測量可分為地形地形攝影測量與非地形攝影測量。地形攝影測量的重要任務(wù)是測繪各種比例尺的地形圖及城鄉(xiāng)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)、交通、工程、資源與規(guī)劃等部門需要的各種專題圖，建立地形數(shù)據(jù)庫，為各種地理信息系統(tǒng)提供三維的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。非地形攝影測量用于工業(yè)、建筑、考古、醫(yī)學(xué)、生物、體育、變形觀測、事故調(diào)查、公安偵破與軍事偵查等各種方面。其對象與任務(wù)千差萬別，但其重要方法與地形攝影測量同樣，即從二維影像重建三維模型，在重建的三維模型上提取所需的各種信息。傳統(tǒng)的攝影測量三維模型重建也考慮物體表面紋理的表達(dá)，例如地面的正射影像就是地表的真是紋理，但是大多數(shù)的應(yīng)用中，較少考慮物體表面紋理的表達(dá)。隨著社會、經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，三維模型真實(shí)紋理的重建，在攝影測量的任務(wù)中變得非常重要了。在一些應(yīng)用中，需要運(yùn)用不同的攝影方法完畢真實(shí)紋理的重建，例如城市的三維建模，也許需要航空攝影與近景攝影相結(jié)合才干完畢。攝影測量的技術(shù)手段有模擬法、解析法與數(shù)字法。隨著攝影測量技術(shù)的發(fā)展，攝影測量也經(jīng)歷了模擬攝影測量、解析攝影測量與數(shù)字?jǐn)z影測量三個(gè)發(fā)展階段。1.2正直攝影測量地面立體測量的從本思想是從外業(yè)攝影取立體像對，（在不同的兩個(gè)攝站對同一地區(qū)進(jìn)行攝影所得的兩張像片為一個(gè)立體像對）。再施測少量控制點(diǎn)，通過內(nèi)業(yè)一系列的解決，通過不同途徑，獲得被攝區(qū)我們所需要的地形圖。它的基本原理是前方交會原理。1.3傾斜攝影測量傾斜攝影測量技術(shù)通過在同一飛行平臺上搭載5臺傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜五個(gè)不同的角度采集影像，拍攝相片時(shí)，同時(shí)記錄航高，航速，航向和旁向重疊，坐標(biāo)等參數(shù)，然后對傾斜影像進(jìn)行分析和整理。在一個(gè)時(shí)段，飛機(jī)連續(xù)拍攝幾組影像重疊的照片，同一地物最多可以在3張相片上被找到，這樣內(nèi)業(yè)人員可以比較輕松地進(jìn)行建筑物結(jié)構(gòu)分析，并且能選擇最為清楚的一張照片進(jìn)行紋理制作。向用戶提供真實(shí)直觀的實(shí)景信息。影像數(shù)據(jù)不僅可以真實(shí)地反映地物情況，并且可通過先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入地理信息、影像信息，獲得更高的用戶體驗(yàn)，極大地拓展遙感影像的應(yīng)用范圍。1.3.1傾斜攝影測量技術(shù)特點(diǎn)反映地物真實(shí)情況并且能對地物進(jìn)行量測傾斜攝影測量所獲得三維數(shù)據(jù)可真實(shí)地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，增強(qiáng)了三維數(shù)據(jù)所帶來的真實(shí)感，填補(bǔ)了傳統(tǒng)人工模型仿真度低的缺陷。增強(qiáng)了傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用。高性價(jià)比傾斜攝影測量數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測的影像數(shù)據(jù)，能同時(shí)輸出DSM，DOM，DLG等數(shù)據(jù)成果?？稍跐M足傳統(tǒng)航空攝影測量的同時(shí)獲得更多的數(shù)據(jù)。同時(shí)使用傾斜影像批量提取及貼紋理的方式，可以有效地減少城市三維建模成本。高效率傾斜攝影測量技術(shù)借助無人機(jī)等飛行載體可以快速采集影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全自動化的三維建模。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明：1~2年的中小城市人工建模工作，借助傾斜攝影測量技術(shù)只需3~5個(gè)月就可完畢。1.3.2傾斜攝影測量的關(guān)鍵技術(shù)1、多視影像聯(lián)合平差多視影像不僅包含垂直攝影數(shù)據(jù)，還涉及傾斜攝影數(shù)據(jù)，而部分傳統(tǒng)空中三角測量系統(tǒng)無法較好地解決傾斜攝影數(shù)據(jù)，因此，多視影像聯(lián)合平差需充足考慮影像間的幾何變形和遮擋關(guān)系。結(jié)合POS系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，采用由粗到精的金字塔匹配策略，在每級影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動匹配和自由網(wǎng)光束法平差，得到較好的同名點(diǎn)匹配結(jié)果。同時(shí)，建立連接點(diǎn)和連接線、控制點(diǎn)坐標(biāo)、GPU/IMU輔助數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，通過聯(lián)合解算，保證平差結(jié)果的精度。2、多視影像密集匹配影像匹配是攝影測量的基本問題之一，多視影像具有覆蓋范圍大，分辨率高等特點(diǎn)。因此，如何在匹配過程中充足考慮冗余信息，快速準(zhǔn)確地獲取多視影像上的同名點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而獲取地物的三維信息，是多視影像匹配的關(guān)鍵。由于單獨(dú)使用一種匹配基元或匹配策略往往難以獲取建模需要的同名點(diǎn)，因此，近年來隨著計(jì)算機(jī)視覺發(fā)展起來的多基元、多視影像匹配，逐漸成為人們研究的焦點(diǎn)。目前，在該領(lǐng)域的研究己取得了很大進(jìn)展，例如建筑物側(cè)面的自動辨認(rèn)與提取。通過搜索多視影像上的特性，如建筑物邊沿、墻面邊沿和紋理，來擬定建筑物的二維矢量數(shù)據(jù)集，影像上不同視角的二維特性可以轉(zhuǎn)化為三維特性，在擬定墻面時(shí)，可以設(shè)立若干影響因子并給予一定的權(quán)值，將墻面分為不同的類，將建筑的各個(gè)墻面進(jìn)行平面掃描和分割，獲取建筑物的側(cè)面結(jié)構(gòu)，再通過對側(cè)面進(jìn)行重構(gòu)，提取出建筑物屋頂?shù)母叨群洼喞?.數(shù)字表面模型生成和真正射影像糾正多視影像密集匹配能得到高精度高分辨率的數(shù)字表面模型DSM，充足地表達(dá)了地形地物起伏特性，己經(jīng)成為新一代空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要內(nèi)容。由于多角度傾斜影像之間的尺度差異較大，加上較嚴(yán)重的遮擋和陰影等問題，基于傾斜影像的自動獲取DSM存在新的難點(diǎn)?？梢砸环矫娓鶕?jù)自動空三解算出來的各影像外方位元素，分析與選擇合適的影像匹配單元進(jìn)行特性匹配和逐像素級的密集匹配，引入并行算法，提高計(jì)算效率。在獲取高密度DSM數(shù)據(jù)后，進(jìn)行濾波解決，將不同匹配單元進(jìn)行融合，形成統(tǒng)一的DSM。多視影像真正射糾正涉及物方連續(xù)的數(shù)字高程模型DEM和大量離散分布粒度差異很大的地物對象，以及海量的像方多角度影像，具有典型的數(shù)據(jù)密集和計(jì)算密集特點(diǎn)。在有DSM的基礎(chǔ)上，根據(jù)物方連續(xù)地形和離散地物對象的幾何特性，通過輪廓提取、面片擬合、屋頂重建等方法提取物方語義信息；同時(shí)在多視影像上，通過影像分割、邊沿提取、紋理聚類等方法獲取像方語義信息，再根據(jù)聯(lián)合平差和密集匹配的結(jié)果建立物方和像方的同名點(diǎn)相應(yīng)關(guān)系，繼而建立全局優(yōu)化采樣策略和顧及幾何輻射特性的聯(lián)合糾正，同時(shí)進(jìn)行整體勻光解決四，如圖所示，傾斜攝影測量數(shù)據(jù)解決流程。圖1-1傾斜攝影測量數(shù)據(jù)解決流程1.3.3傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用由于傾斜影像為用戶提供了更豐富的地理信息，更和諧的用戶體驗(yàn)，該技術(shù)目前在歐美等發(fā)達(dá)國家己經(jīng)廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收等行業(yè)。在國內(nèi)政府部門用于:國土資源管理、房產(chǎn)稅收、人口記錄、數(shù)字城市、城市管理、應(yīng)急指揮、災(zāi)害評估、環(huán)保監(jiān)測。企事業(yè)單位:房地產(chǎn)、工程建筑、實(shí)景導(dǎo)航、旅游規(guī)劃等領(lǐng)域。1.3.4傾斜攝影測量數(shù)據(jù)的解決傾斜攝影測量數(shù)據(jù)解決常用的軟件：美國Pictometry公司推出Pictometry傾斜影像解決軟件、法國lnfoterra公司的像素工廠、徠卡公司的LPS工作站,AeroMap公司的MultiVision系統(tǒng)、Intergraph公司的DMC系統(tǒng)、Astrium公司StreetFactory系統(tǒng)等軟件。在國內(nèi)重要有：紅鵬公司推出的無人機(jī)靈敏自動建模系統(tǒng)、超圖軟件公司的SuperMapGIS7C軟件、立得空間公司的LeadorAMMS以及武漢天際航公司的DP-Model-er等傾斜攝影測量軟件。第二章航測無人機(jī)(邊朝鵬)2.1無人機(jī)基本知識無人駕駛飛機(jī)簡稱“無人機(jī)”，英文縮寫為“UAV”，是運(yùn)用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。從技術(shù)角度定義可以分為：無人固定翼機(jī)、無人垂直起降機(jī)、無人飛艇、無人直升機(jī)、無人多旋翼飛行器、無人傘翼機(jī)等。無人機(jī)按應(yīng)用領(lǐng)域，可分為軍用與民用。軍用方面，無人機(jī)分為偵察機(jī)和靶機(jī)。民用方面，無人機(jī)+行業(yè)應(yīng)用，是無人機(jī)真正的剛需；目前在航拍、農(nóng)業(yè)、植保、自拍、快遞運(yùn)送、劫難救援、觀測野生動物、監(jiān)控傳染病、測繪、新聞報(bào)道、電力巡檢、救災(zāi)、影視拍攝、制造浪漫等等領(lǐng)域的應(yīng)用，大大的拓展了無人機(jī)自身的用途，發(fā)達(dá)國家也在積極擴(kuò)展行業(yè)應(yīng)用與發(fā)展無人機(jī)技術(shù)。2023年11月，中國民用航空局（CA）下發(fā)了《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》，由中國AOPA協(xié)會負(fù)責(zé)民用無人機(jī)的相關(guān)管理。根據(jù)《規(guī)定》，中國內(nèi)地?zé)o人機(jī)操作按照機(jī)型大小、飛行空域可分為11種情況，其中僅有116公斤以上的無人機(jī)和4600立方米以上的飛艇在融合空域飛行由民航局管理，其余情況，涉及日漸流行的微型航拍飛行器在內(nèi)的其他飛行，均由行業(yè)協(xié)會管理、或由操作手自行負(fù)責(zé)。圖2-1-1無人機(jī)的系統(tǒng)組成：一、飛行平臺（載機(jī)）1.1機(jī)身固定翼無人機(jī)機(jī)身一般由epp、epo、玻璃鋼、木材等高強(qiáng)度低質(zhì)量的材質(zhì)構(gòu)成。多旋翼無人機(jī)機(jī)身一般由碳纖維材料作為重要材質(zhì)。1.2動力裝置固定翼多用無刷電動機(jī)、甲醇發(fā)動機(jī)、汽油機(jī)、渦扇發(fā)動機(jī)、渦噴發(fā)動機(jī)、（后兩種多為軍用）等作為動力裝置。圖2-1-2圖2-1-3圖2-1-4圖2-1-5多旋翼無人機(jī)多用無刷電動機(jī)作動力裝置。無刷電動機(jī)1.3飛控飛控系統(tǒng)用于無人機(jī)的導(dǎo)航、定位和自主飛行控制，它由飛控板、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS接受機(jī)、\o"氣壓傳感器"氣壓傳感器、空速傳感器等部件組成飛控系統(tǒng)性能指標(biāo)規(guī)定a)飛行姿態(tài)控制穩(wěn)度:橫滾角應(yīng)小于±3°

俯仰角應(yīng)小于±3°

航向角應(yīng)小于±3°b)

航跡控制精度:偏航距應(yīng)小于±20米、

航高差應(yīng)小于±20米、

航跡彎曲度應(yīng)小于±5°。二、地面控制站（地面站）1.系統(tǒng)構(gòu)成無線電遙控器、數(shù)傳電臺、增程天線、監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、地面供電系統(tǒng)以及監(jiān)控軟件等組成。a)

監(jiān)控站主機(jī)應(yīng)選用加固筆記本電腦、或同等性能的計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備；

b)

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以圖形和數(shù)字兩種形式顯示，顯示做到綜合化，形象化和實(shí)用化；

c)

無線電遙控器通道數(shù)應(yīng)多于8個(gè)，以滿足使用規(guī)定；

圖2-1-6監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)圖2-1-7遙控圖2-1-8數(shù)傳電臺d)

監(jiān)控計(jì)算機(jī)應(yīng)滿足一定的防水、防塵性能規(guī)定，能在野外較惡劣環(huán)境中正常工作；

e)

監(jiān)控計(jì)算機(jī)的主頻、內(nèi)存應(yīng)滿足監(jiān)控軟件對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的規(guī)定；

f)

電源供電系統(tǒng)應(yīng)保障地面監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間大于3小時(shí)。四、發(fā)射與回收系統(tǒng)1、起飛方式滑跑起飛

優(yōu)點(diǎn)：無需彈射器。缺陷：場地限制。彈射起飛

優(yōu)點(diǎn)：沒有場地限制。缺陷：需要購置彈射器。圖2-1-9發(fā)射與回收系統(tǒng)2.降落方式：滑跑回收

優(yōu)點(diǎn)：無需回收降落傘。缺陷：場地限制，安全性不如傘降。傘降回收

優(yōu)點(diǎn)：安全可靠，受場地制約影響小。缺陷：需要降落傘以及飛控系統(tǒng)支持。圖2-1-10降落傘2.2多旋翼航測無人機(jī)組成和原理多旋翼航測無人機(jī)組成圖2-2-1MD4-1000圖2-2-2大疆s1000圖2-2-3螺旋槳圖2-2-4多旋翼云臺圖2-2-5無刷電機(jī)以md4-1000為例：microdronesmd4-1000四旋翼系統(tǒng)是一種全球技術(shù)領(lǐng)先的垂直起降小型自動駕駛無人飛行器系統(tǒng)，可用于執(zhí)行資料收集、協(xié)調(diào)指揮、搜索、測量、通訊、檢測、偵查等多種空中任務(wù)。相比md4-200，md4-1000擁有更大的任務(wù)載荷，更強(qiáng)的抗風(fēng)能力，更長的續(xù)航時(shí)間，更優(yōu)秀的姿態(tài)控制，是目前全世界最大型的四旋翼無人飛行器系統(tǒng)。機(jī)體和云臺完全采用特殊的碳纖維材料制造，制造工藝源自德國著名的無人機(jī)復(fù)合材料公司SCHüBELER，擁有更輕的重量和更高的強(qiáng)度，折疊式支臂設(shè)計(jì)更方便運(yùn)送?；谀K化的設(shè)計(jì)理念，您可以靈活地更換機(jī)載任務(wù)設(shè)備以適應(yīng)不同的任務(wù)規(guī)定。從高分辨率的數(shù)碼相機(jī)、多款視頻解決方案到高端的紅外熱成像攝像機(jī)。由于md4-1000擁有更大的載重，除圖像和視頻設(shè)備之外，還可以搭載根據(jù)用戶需要定制的更多種任務(wù)設(shè)備，如空氣采樣設(shè)備，空中投放設(shè)備等，從而完畢更多樣化的任務(wù)。md4-1000的地面站系統(tǒng)集成了microdrones自主研發(fā)的mdCockpit座艙儀表軟件，您只需指尖輕點(diǎn)就可以實(shí)時(shí)接受并查看完整的飛行數(shù)據(jù)及飛行器所拍攝的視頻影像。還可以根據(jù)客戶需要定制專用的集成式地面站系統(tǒng)。md4-1000可以通過遙控器人工操控飛行，也可以借助獨(dú)一無二的GPSWaypoint系統(tǒng)進(jìn)行自動駕駛飛行，和md4-200同樣，是目前全世界同類無人飛行器產(chǎn)品中唯一可以提供自動駕駛飛行功能的先進(jìn)無人飛行器系統(tǒng)。初次引入了2.0BCAN總線系統(tǒng)，AAHRS（姿態(tài)、高度及航向參考系統(tǒng)）集成了加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓計(jì)、濕度計(jì)、溫度計(jì)等多種高精度傳感器和卓越的控制算法設(shè)計(jì)，md4-1000的操控因而變得非常簡樸，即使您毫無遙控飛行的經(jīng)驗(yàn)，也可以在很短的時(shí)間內(nèi)學(xué)會安全地操控飛行。md4-1000擁有優(yōu)秀的安全設(shè)計(jì)，任何時(shí)候只要停止遙控器操作，飛行器就會自動懸停在空中。假如時(shí)間超過30秒接受不到遙控器信號或者電池電量過低，飛行器就會自動緩慢迫降到地面。做為一種小型電動無人飛行器，md4-1000擁有極高的動力效率，一塊機(jī)載電池支撐的續(xù)航時(shí)間最高可長達(dá)70分鐘（視電池配置、任務(wù)載荷及環(huán)境如風(fēng)速、環(huán)境溫度等狀況而定），更換機(jī)載電池的操作不超過1分鐘就可完畢由于4個(gè)250W無刷直驅(qū)電機(jī)工作時(shí)不需要齒輪傳動，機(jī)械安全性大幅提高，電機(jī)高效率運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)產(chǎn)生的噪音卻很小，在3米的距離懸停時(shí)噪音小于71dBA。地面站地面站系統(tǒng)涉及了4路微波接受器、下傳鏈路接受器、視頻捕獲器、視頻眼鏡和矩陣式天線。選配的高增益定向天線的增益能達(dá)成15dBi。地面站系統(tǒng)由230V的固定電源或12V的車載電源供電，一塊電池可以支持地面站系統(tǒng)工作時(shí)間長達(dá)10小時(shí)。內(nèi)置專業(yè)鋰聚合物電池平衡充電器可以用來為機(jī)載電池充電。您只需通過操作地面站的電腦便可獲取飛行器的視頻及飛行數(shù)據(jù)，也可輕松地把飛行記錄數(shù)據(jù)拷貝到CD或DVD中。地面站系統(tǒng)被設(shè)計(jì)在堅(jiān)固的PelicanTM軍用安全箱內(nèi)，可以在惡劣的天氣或粗暴的運(yùn)送中起到可靠的保護(hù)作用。

基于MicrosoftTMWindowsTM操作系統(tǒng)的mdCockpit座艙儀表軟件集成了飛行規(guī)劃、飛行監(jiān)控、飛行數(shù)據(jù)分析等多種功能于一身。Downlink解碼器可以實(shí)時(shí)接受并顯示飛行器的各種飛行數(shù)據(jù)，涉及電池電壓、坐標(biāo)、高度、方向、姿態(tài)、飛行時(shí)間、飛行速度、飛行途徑、距起飛點(diǎn)的距離、環(huán)境溫度、風(fēng)速、電機(jī)工作狀態(tài)、遙控器信號強(qiáng)度、GPS狀態(tài)等重要信息。飛行數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)可以同步保存所有的飛行數(shù)據(jù)，用于航后的數(shù)據(jù)分析。即使在人工遙控飛行模式下，只要系統(tǒng)裝有當(dāng)前作業(yè)區(qū)域電子地圖或影像地圖數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示飛行器在地圖上的位置。

Waypoint軟件也許幫助您借助航點(diǎn)規(guī)劃編輯器創(chuàng)建具體飛行航線規(guī)劃，讓飛行器按照您規(guī)劃的航線自動飛行。除了規(guī)劃飛行航線之外，還可以設(shè)定多種拍攝計(jì)劃，例如定點(diǎn)360度全景拍攝、圍著定點(diǎn)目的進(jìn)行圍繞拍攝、沿飛行航線定距、定點(diǎn)拍攝。規(guī)劃好的飛行航線可以以3D方式顯示在屏幕上，根據(jù)您的需要，還可以將飛行航線規(guī)劃導(dǎo)入到GoogleEarth

TM中顯示。2.3固定翼航測無人機(jī)組成和原理固定翼航測無人機(jī)1．大白圖2-3-1大白2型空機(jī)是現(xiàn)在普遍使用的航拍測繪部門使用的機(jī)體，結(jié)構(gòu)輕強(qiáng)度大價(jià)格低廉使之成為大眾的首選。大白航測采用常規(guī)氣動布局設(shè)計(jì)，具有良好的穩(wěn)定的氣動性能和操縱性能。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的照相機(jī)艙位在出廠時(shí)已經(jīng)預(yù)留，緊貼飛機(jī)重心位置，保證飛機(jī)在拍攝照片時(shí)盡也許減少因受飛行姿態(tài)變化的影響。該機(jī)性能穩(wěn)定，做工精良，性價(jià)比高，是國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛也是最安全可靠的航測無人機(jī)。并且該機(jī)型通過多次升級優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。易組裝、易維修方便運(yùn)送等優(yōu)勢，現(xiàn)已被國內(nèi)外多家航測公司廣泛采用。圖2-3-2

T10大黃蜂這款無人機(jī)的由來是從T10大黃蜂開始了，T10的設(shè)計(jì)規(guī)定源于傻瓜化這個(gè)詞匯，專業(yè)一點(diǎn)的詞匯就是易用性；民用無人機(jī)自2023年國內(nèi)汶川地震之后開始在國內(nèi)興起，但是受制于人工起降的方式，大部分潛在用戶，以及已經(jīng)采購了傳統(tǒng)布局的無人機(jī)的用戶，面對操控手的培訓(xùn)周期，人工費(fèi)用，人員管理；以及使用兩沖程玩具發(fā)動機(jī)做為飛機(jī)動力裝置所導(dǎo)致熄火迫降或墜機(jī)問題帶來的風(fēng)險(xiǎn)等諸多問題，最終放棄了無人機(jī)的使用；此外一個(gè)現(xiàn)象就是國內(nèi)一些單位采購的時(shí)候，貪大求全，不考慮飛機(jī)的實(shí)際使用，飛機(jī)起飛重量操過18kg以上，甚至達(dá)成30kg以上，這么大一個(gè)無人機(jī)重量，而有效載荷又僅僅是一臺單反相機(jī)；從飛機(jī)性能來看，T10最大連續(xù)平飛速度達(dá)成了170km/h，在此速度下，飛機(jī)的功耗只有1200瓦，相對于普通50cc的油動航拍機(jī)140km/h的最大連續(xù)平飛速度勝出，但是電動的缺陷在于在最大連續(xù)平飛速度下，航時(shí)會縮短很多（油動飛機(jī)同時(shí)在最大油門條件下，航時(shí)也會有較大縮短）；根據(jù)我們的測試，在120km/h的飛行速度下，T10的航時(shí)為40分鐘；反之，油動版的T10在最大連續(xù)平飛速度條件下，同普通航拍機(jī)相比優(yōu)勢就非常明顯了。T10在高低速度特性這方面的為什么會有這樣優(yōu)異表現(xiàn)源于其的氣動設(shè)計(jì)，細(xì)節(jié)解決和表面加工質(zhì)量。飛機(jī)的低速特性取決于翼載荷，展弦比，機(jī)翼氣動扭轉(zhuǎn)，所選擇的翼型的失速特性，機(jī)翼前緣加工質(zhì)量，飛機(jī)表面質(zhì)量等；高速特性和翼載荷，升力面積分布，飛機(jī)的表面粗糙度，飛機(jī)各部件之間的關(guān)系（干擾阻力），機(jī)身機(jī)翼的型阻有很大關(guān)系；那么我們來看T10這架飛機(jī)，這些參數(shù)的特點(diǎn)。一方面翼載荷，T10采用翼身融合結(jié)構(gòu)，機(jī)翼面積達(dá)成了0.94平米，基本跟國內(nèi)15kg到20kg的航拍飛機(jī)機(jī)翼面積相稱，而飛機(jī)整機(jī)重量只有7.8kg，小了一半。飛機(jī)重量小的因素在于3點(diǎn)。1布局的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，翼身融合，無尾布局.2合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝。3滾雪球效應(yīng)，當(dāng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量和飛機(jī)的需求功率減小時(shí)，發(fā)動機(jī)及發(fā)動機(jī)所需油料,或者說電動機(jī)及電動機(jī)所需電池減小，反過來又影響所需承擔(dān)這些重量的機(jī)翼面積。假如反過來，增長機(jī)翼面積，增長結(jié)構(gòu)，對發(fā)動機(jī)和油料又提出了規(guī)定，導(dǎo)致重量滾雪球上升，這就是大家所熟知的飛機(jī)設(shè)計(jì)和加工的標(biāo)語：為減輕每一克重量而奮斗！從阻力角度來看，得益于現(xiàn)代的三維設(shè)計(jì)軟件，T10用翼身融合結(jié)構(gòu)，調(diào)整了整機(jī)沿X軸向（機(jī)身縱軸）的截面積分布和機(jī)翼機(jī)身之間的融合和過渡，使氣流可以盡量不產(chǎn)生過快的收縮和擴(kuò)張而導(dǎo)致分離；升力面積的分布，按照橢圓升力分布設(shè)計(jì)削尖比。將垂尾作為翼尖小翼設(shè)計(jì)，減少誘導(dǎo)阻力。前面所提到的更低的翼載荷，以及使用CNC成型的高精度模具和真空袋壓的加工復(fù)合材料成型工藝保證形狀精度和表面粗糙度，使整機(jī)阻力減少至80km/h巡航速度下，只需要300瓦的輸入功率。（這一數(shù)字是通過機(jī)載電流電壓表測量得出）從自動駕駛儀的角度來看，我們做了大量工作，在四五級風(fēng)力條件下，很多人認(rèn)為電動飛機(jī)沒法飛了，但是T10在六級風(fēng)力條件下，以80km/h的巡航速度在風(fēng)中飛行，給人印象極為深刻，重要因素是使用了高精度的磁航向和完善的控制策略，保持飛機(jī)在空中的位置，始終對準(zhǔn)計(jì)劃飛行方向，即使偶爾飛機(jī)地速是跟飛機(jī)的飛行方向相反。綜上所述，我們就可以理解飛機(jī)特性是何以如此了。

飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料部分，機(jī)身使用Nomex蜂窩夾心材料，表面為S級玻纖布，局部碳纖維增強(qiáng)的真空袋壓成型工藝。使用這種構(gòu)建方式的重要因素是一些客戶所要求的電磁環(huán)境干擾和屏蔽的規(guī)定；進(jìn)過幾年的不斷測試，重新設(shè)計(jì)，彈射器的重量也由當(dāng)初的32kg減少到18kg，由于高原和低溫的規(guī)定，彈射器又增強(qiáng)到23kg，可以折疊成小于1.2米的長度，可以放入捷達(dá)車的尾部或者航空托運(yùn)；離軌速度達(dá)成了22m/s油動版的T10大黃蜂完畢了在海拔3800米高度下起飛，爬升至海拔4500米作業(yè)飛行；同時(shí)完畢了零下20度條件下起飛作業(yè)飛行。由于這種對于場地幾乎零規(guī)定的特性，T10于2023年同電力部門在華北實(shí)現(xiàn)了山區(qū)巡線飛行，在山區(qū)沿著山形起伏飛行，拍攝電力線路的情況；完畢了A點(diǎn)起飛，30公里外的B點(diǎn)降落的穿越飛行。通過種種優(yōu)化之后，同樣搭載5DII相機(jī)，同樣飛行兩個(gè)小時(shí)，T10起飛重量只有7.8kg，而國內(nèi)用的最多的普通布局的航拍飛機(jī)，起飛重量達(dá)成了15kg，甚至18kg；T10使用20cc發(fā)動機(jī)，而普通的航拍飛機(jī)使用55cc發(fā)動機(jī)；

圖2-3-3T10S及其包裝箱航測無人機(jī)安全性規(guī)定1無人機(jī)應(yīng)配備傘降設(shè)備，在無人機(jī)碰到突發(fā)故障時(shí)，可通過降落傘減緩下降速度、避免或減小對地面目的的沖擊和損害、減小飛行平臺和機(jī)載設(shè)備的損傷；2.設(shè)計(jì)飛行高度應(yīng)高于攝區(qū)和航路上最高點(diǎn)100m以上；3.設(shè)計(jì)航線總航程應(yīng)小于無人機(jī)能到達(dá)的最遠(yuǎn)航程；4.距離軍用、商用機(jī)場須在10km以上；5.起降場地相對平坦、通視良好；6.遠(yuǎn)離人口密集區(qū)，半徑200m范圍內(nèi)不能有高壓線、高大建筑物、重要設(shè)施等；7.起降場地地面應(yīng)無明顯凸起的巖石塊、土坎、樹樁，也無水塘、大溝渠等；8.附近應(yīng)無正在使用的雷達(dá)站、微波中繼、無限通信等干擾源，在不能擬定的情況下，應(yīng)測試信號的頻率和強(qiáng)度，如對系統(tǒng)設(shè)備有干擾，須改變起降場地；9.無人機(jī)采用滑跑起飛、滑行降落的，滑跑路面條件應(yīng)滿足其性能指標(biāo)規(guī)定。八、航測無人機(jī)照相設(shè)備現(xiàn)在市場提供的固定翼無人機(jī)有效載荷一般不超過5Kg。因此,這類無人機(jī)不能裝載一般有人駕駛飛機(jī)所使用的重達(dá)百公斤量級的高檔航空相機(jī)。目前大多采用稍為高檔的單反相機(jī),像幅在3K×4K以上。九、航測無人機(jī)選擇參考由于航測所需的無人機(jī)復(fù)雜限度要高于一般航模，各個(gè)設(shè)備之間需要有良好的兼容性，因此，單獨(dú)購買設(shè)備組裝調(diào)試難度大，設(shè)備之間兼容性存在一定風(fēng)險(xiǎn)，整套設(shè)備采購是最佳的選擇。我所操控的電動無人機(jī)可在距離200米至800米高度作業(yè)，續(xù)航65分鐘，航程可達(dá)70km，搭載450g以內(nèi)的微單，鏡頭可選16mm，20mm和30mm鏡頭。在500米高度下，航攝地面分辨率可達(dá)0.1米以內(nèi)，單次作業(yè)面積可達(dá)14平方公里。我們公司重要是做4D產(chǎn)品，即DEM（數(shù)字高程模型），DOM（正射影像），DEM（地表模型），DLG（地形圖），從外業(yè)像控測量到低空高清航攝，再到數(shù)據(jù)影像解決都都做。下面是作業(yè)流程：從接到項(xiàng)目開始，一方面是用戶的需求：成圖比例，地面分辨率要達(dá)成多少厘米。查看\o"谷歌地圖"谷歌地圖，查看看地形起伏落差，選擇合適的相機(jī)，鏡頭和相片重疊度，并計(jì)算我們無人機(jī)的相對航高（航高必須是高差的6倍以上），航線間隔和拍照間隔。根據(jù)航線間隔和范圍線在谷歌地圖出航線外業(yè)航攝工作也不難，重要是細(xì)心，起飛檢查要仔細(xì)，參數(shù)設(shè)立對的，操作方法得當(dāng)。設(shè)備檢查設(shè)備從組裝開始到完畢過程中都要仔細(xì)檢查配件有沒變形，連接是否牢固有沒有松脫的也許，電機(jī)轉(zhuǎn)動是否順滑，舵機(jī)工作正常與否，電臺通訊是否完全正常，GPS所搜索到衛(wèi)星是否足夠，該初始化的數(shù)據(jù)所有是否完畢，航線航點(diǎn)，拍照間隔和拍照點(diǎn)是否正常設(shè)立。相機(jī)設(shè)定：由于巡航速度為72km/h，故相機(jī)設(shè)定為S檔，快門為1/1600到1/1250，用不同的ISO值進(jìn)行拍照，對比照片選擇合適的ISO。迎風(fēng)起飛，飛到空中，切返航，檢查無人機(jī)盤旋狀態(tài)是否穩(wěn)定。爬升到目的后切到航線\o"飛行模式"飛行模式，航線中遙控飛手和電腦操作手都要注意觀測衛(wèi)星、飛控和舵機(jī)電池電壓、地速、空速及高度、飛機(jī)姿態(tài)及方位等重要數(shù)據(jù)。為了增長續(xù)航，傘包已經(jīng)拆除，故采用滑降。選擇平坦的草地，水泥地都可以，試過在單車道的水泥地上降落。對于測繪型無人機(jī)，我們希望是狀態(tài)更穩(wěn)定，續(xù)航長，航程長，載重大的機(jī)型，當(dāng)然重量，速度和續(xù)航之間是很難平衡的，尚有電池可以變輕就好了。當(dāng)然你會說這些特點(diǎn)油機(jī)都可以做到，我認(rèn)可油機(jī)效率可做到很高。但是相稱于油機(jī)的操作難度和危險(xiǎn)性，電動機(jī)還是有優(yōu)勢的，畢竟油機(jī)不是人人可以操作的起來第三章攝影測量基本原理(雷雨默,參考原教材)3.1無人機(jī)空中攝影和航帶計(jì)算根據(jù)攝影時(shí)攝影機(jī)所處的位置的不同，攝影測量學(xué)可分為地面攝影測量、航空攝影測量和航天攝影測量。地面攝影測量是將攝影機(jī)安頓在地面上對目的進(jìn)行攝影，用于小范圍的地形測量和工程測量等。航空攝影測量是將攝影機(jī)安裝在飛機(jī)上，對地面進(jìn)行攝影。航空攝影測量是攝影測量最重要的方式。航天攝影測量又稱遙感技術(shù)，它把傳感器安裝在人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)上，對地面進(jìn)行遙感，用于資源調(diào)查、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、氣象、地質(zhì)調(diào)查、地形測繪和軍事偵察等領(lǐng)域。[2]隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對大比例尺、高分辨率的航空遙感影像的需求也與日俱增，同時(shí)對空間信息的現(xiàn)勢性、精度、周期和成本等各方面的規(guī)定也越來越高，而傳統(tǒng)的航天和航空攝影越來越顯現(xiàn)出其局限性。例如現(xiàn)有的衛(wèi)星遙感技術(shù)雖然可以獲取大區(qū)域的空間地理信息，但受回歸周期、軌道高度、氣象等因素影響，遙感數(shù)據(jù)分辨率和時(shí)相難以保證。而航空攝影重要采用的是大中型固定翼飛機(jī)，由于空域管制、氣候等因素的影響較大，缺少機(jī)動快速能力，同時(shí)使用成本較高，對測區(qū)面積小、成圖周期短的測繪工程和應(yīng)急測繪項(xiàng)目很不適應(yīng)。3.1.1無人機(jī)攝影優(yōu)點(diǎn)相對于傳統(tǒng)的航天和航空攝影測量而言，之所以基于無人機(jī)的低空攝影測量為危險(xiǎn)區(qū)域圖像的實(shí)時(shí)獲取、環(huán)境監(jiān)測、地理國情監(jiān)測及應(yīng)急指揮需求等，提供了一種新的技術(shù)途徑，具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。除了攜帶運(yùn)送方便、組裝簡樸、工作效率高、不必申請空域飛行手續(xù)等優(yōu)勢外，還具有如下優(yōu)勢。1、影像獲取快捷方便無需專業(yè)航測設(shè)備，普通民用單反相機(jī)即可作為影像獲取的傳感器，操控手通過短期培訓(xùn)學(xué)習(xí)即可操控整個(gè)系統(tǒng)。2、低成本UAV系統(tǒng)及傳感器成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于與其它遙感系統(tǒng)，無人機(jī)（具有飛控系統(tǒng)）市場價(jià)格10萬到100萬，各種檔次都有，而相機(jī)整套(機(jī)身加鏡頭)不到2萬，整套系統(tǒng)成本低廉。一般的單位和個(gè)人都有能力承擔(dān)。3、具有機(jī)動性、靈活性和安全性無需專用起降場地，升空準(zhǔn)備時(shí)間短、容易操控，特別適合應(yīng)用在建筑物密集的城市地區(qū)和地形復(fù)雜地區(qū)以及南方丘陵、多云區(qū)域?？梢栽谖ｋU(xiǎn)和惡劣環(huán)境下(如森林火災(zāi)、火山爆發(fā)等)直接獲取影像，即便是設(shè)備出現(xiàn)故障，發(fā)生墜機(jī)也無人身傷害。4、受氣候條件影響小只要不下雨、下雪并且空中風(fēng)速小于6級，即使是光照局限性的陰天，飛機(jī)也可上天航拍。5、分辨率高、多角度(視角)由于是低航空攝影，一般在云下飛行，使用CCD數(shù)碼相機(jī)作為傳感器，具有垂直與傾斜攝影能力，搭載GPS定位裝置，可低空多角度攝影獲取建筑物側(cè)面的紋理信息，填補(bǔ)了衛(wèi)星遙感和普通航空攝影碰到的高層建筑遮擋問題?？臻g分辨率能達(dá)成分米甚至厘米級，可用于構(gòu)建高精度數(shù)字地面模型及三維立體景觀圖的制作。6、影像獲取周期短、時(shí)效性強(qiáng)無人機(jī)遙感幾乎不受場地和天氣影響，飛行前準(zhǔn)備工作可少于2個(gè)小時(shí)，因此可快速上天獲取滿足規(guī)定的遙感影像，從準(zhǔn)備航飛到獲取影像周期短，影像獲取后可立即解決得到航測成果，時(shí)效性強(qiáng)。3.1.2無人機(jī)攝影的缺陷無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)憑借著眾多的優(yōu)勢，在圖像的實(shí)時(shí)獲取、環(huán)境監(jiān)測、地理國情監(jiān)測及應(yīng)急指揮需求、土地運(yùn)用動態(tài)監(jiān)測、地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害勘察、地籍測量、地圖更新等領(lǐng)域得到充足的應(yīng)用，但是，與傳統(tǒng)的航天和航空影像相比，無人機(jī)遙感影像又存在以下問題：1、姿態(tài)穩(wěn)定性差、旋偏角大無人機(jī)在飛行時(shí)由飛控系統(tǒng)自動控制或操控手遠(yuǎn)程遙控控制，由于自身質(zhì)量小，慣性小，受氣流影響大，俯仰角、側(cè)滾角和旋偏角較傳統(tǒng)航測來說變化快，致使影像的傾角過大且傾斜方向沒有規(guī)律，且幅度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)航測規(guī)范規(guī)定。2、像幅小、數(shù)量多、基高比小受順風(fēng)、逆風(fēng)和側(cè)風(fēng)影像大，加上俯仰角和側(cè)滾角的影響，航帶的排列不整齊，重要表現(xiàn)在重疊度(涉及航向和旁向重疊度)的變化幅度大，甚至也許出現(xiàn)漏拍的情況。為了保證測區(qū)沒有漏拍，通常是通過提高航向和旁向重疊度的方法來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的，同時(shí)普通單反相機(jī)像幅相對專業(yè)數(shù)碼航攝儀來說，像幅小，在保證預(yù)定重疊度情況下，整個(gè)測區(qū)影像數(shù)量成倍數(shù)增多，基高比也相應(yīng)變小。3、影像畸變大相比較傳統(tǒng)的航空攝影而言，無人機(jī)低航空攝影選取CCD數(shù)碼相機(jī)作為成像系統(tǒng)，而較專業(yè)航攝儀來說，小數(shù)碼影像(普通單反拍攝的)畸變大，邊沿地方畸變可達(dá)40個(gè)像素以上。由于無人機(jī)遙感影像的這些問題，給影像的匹配和空中三角測量等內(nèi)業(yè)解決也帶來困難：（1）由于姿態(tài)穩(wěn)定性差、旋偏角大，比例尺差異大，減少了灰度匹配的成功率和可靠性；（2）像幅小、影像數(shù)量多，導(dǎo)致空三加密的工作量增多、效率減少，航向重疊度和旁向重疊度不規(guī)則，給連接點(diǎn)的提取和布設(shè)帶來困難，基高比小無疑對高程的精度也導(dǎo)致一定的影響；（3）如若對于小數(shù)碼影像的畸變差不考慮，直接使用的話將影響空三的精度。3.2共線方程3.2.1坐標(biāo)系統(tǒng)1、像平面坐標(biāo)系o-xy像平面坐標(biāo)系是定義在像平面內(nèi)的右手直角坐標(biāo)系，用來表達(dá)像點(diǎn)在像平面內(nèi)的位置。其坐標(biāo)原點(diǎn)定義為像主點(diǎn)o，一般以航線方向的一對框標(biāo)連線為x軸，記為o-xy。圖3-2-1像平面坐標(biāo)系o-xy2、像空間坐標(biāo)系S-xyz像空間坐標(biāo)系是表達(dá)點(diǎn)在像空間的位置的右手空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)。其坐標(biāo)系原點(diǎn)定義在投影中心S，其x,y軸分別平行與像平面坐標(biāo)系的相應(yīng)軸，z軸與攝影方向線So重合，正方向按右手規(guī)則擬定，向上為正。圖3-2-2像空間坐標(biāo)系S-xyz3、像空間輔助坐標(biāo)系S-XYZ像空間坐標(biāo)系用來表達(dá)像點(diǎn)在像方空間上的位置。該坐標(biāo)系的原點(diǎn)在攝影中心S上，其主光軸So為z軸，向上為正；x,y軸分別平行與像平面坐標(biāo)系（o-xy）的x，Y軸且方向一致。圖3-2-3像空間輔助坐標(biāo)系S-XYZ攝影測量坐標(biāo)系該坐標(biāo)系的原點(diǎn)和坐標(biāo)軸方向的選擇根據(jù)實(shí)際討論問題的不同而不同，但在一般情況下，原點(diǎn)選在某一攝影站或某一已知點(diǎn)上，坐標(biāo)系橫軸(X軸)大體與航線方向一致，豎坐標(biāo)軸(Z軸)向上為正。物空間坐標(biāo)系之前敘述的4種坐標(biāo)系都是滿足右手定則，然而地面測量坐標(biāo)系滿足左手定則的坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系為，它的X軸的指向?yàn)檎?，Z軸是以國家黃海高程基準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)測量出的高程值。圖3-2-4地面測量坐標(biāo)系和地面攝影測量坐標(biāo)系3.2.2航攝像片的方位元素航攝像片的內(nèi)、外方位元素是建立物與像之間數(shù)學(xué)關(guān)系的重要基礎(chǔ)。在航測中，將攝影瞬間攝影中心S、像片P與地面(物面)E的相關(guān)位置數(shù)據(jù)稱為航攝像片的方位元素。依據(jù)作用不同，航攝像片的方位元素又分為內(nèi)方位元素和外方位元素。1、內(nèi)方位元素投影中心對像片的相對位置叫做像片的內(nèi)方位，它們是：像片的主距f，像主點(diǎn)在像片標(biāo)框坐標(biāo)系中坐標(biāo)。圖3-2-5內(nèi)方位元素2、外方位元素?cái)M定攝影光束在地面輔助坐標(biāo)系中的位置時(shí)需要的元素，共有三個(gè)線元素和三個(gè)角元素。其中，線元素是攝站在地面輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，用以擬定攝影光束在地面輔助坐標(biāo)系中的頂點(diǎn)位置；三個(gè)角元素用來擬定攝影光束在地面輔助坐標(biāo)系中的姿態(tài)。角元素有三種不同的表達(dá)形式：（1）以Y軸為主軸的系統(tǒng)（2）以X軸為主軸的系統(tǒng)（3）以Z軸為主軸的系統(tǒng)圖3-2-6外方位元素空間直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的基本關(guān)系像空間坐標(biāo)與像空間輔助坐標(biāo)之間的變換是正交變換，即一個(gè)坐標(biāo)按照某種順序有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)三個(gè)角度即可變換為另一個(gè)原點(diǎn)的坐標(biāo)系。假設(shè)像點(diǎn)a在像空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x,y,-f)而同時(shí)像空間輔助坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X,Y,Z)，兩者的正交關(guān)系為:（1）式中R是一個(gè)3*3的正交矩陣，得到9個(gè)方向矩陣的元素為:（2）3.2.3共線方程共線方程是描述像點(diǎn)a，投影中心S和相應(yīng)地面點(diǎn)A三點(diǎn)共線的方程。圖3-2-7圖像點(diǎn)與相應(yīng)地面上坐標(biāo)關(guān)系假定S為攝影中心點(diǎn)，主距為f，在地面攝影測量坐標(biāo)系中，它的坐標(biāo)，物點(diǎn)A是坐標(biāo)為在地面攝影測量坐標(biāo)系中的空間點(diǎn)，a是A在影像上的構(gòu)像，它相應(yīng)的像空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（x，y，-f），像空間輔助坐標(biāo)系的坐標(biāo)為（X，Y，Z）。此時(shí)a、A、S三點(diǎn)位于一條直線上，像點(diǎn)的像空間輔助坐標(biāo)（X，Y，Z）與地面攝影測量坐標(biāo)之間的關(guān)系如下：（3）式中：為比例因子。則（4）由像點(diǎn)的像空間坐標(biāo)與像空間輔助坐標(biāo)的關(guān)系可知，（5）（6）其中：為方向余弦分別是像空間輔助坐標(biāo)系各軸與相應(yīng)的像空間坐標(biāo)系各軸夾角的余弦。像主點(diǎn)坐標(biāo)為，帶入（4）得（7）就是常見的共線條件方程式，式中：x,y為像點(diǎn)的平面坐標(biāo)為影像內(nèi)方位元素；為攝站點(diǎn)的地面攝影測量坐標(biāo)；為物方點(diǎn)的地面攝影測量坐標(biāo)。3.3雙目立體視覺和立體觀測人眼兩瞳孔之間的距離大約為65mm，使得雙眼在一定距離范圍內(nèi)觀測同一日標(biāo)時(shí)角度略有不同，這一細(xì)微差別使得同一日標(biāo)投影到左右視網(wǎng)膜上的像略有不同，在視覺上產(chǎn)生差異，這就是雙目視差。雙目視差是反映空間物體深度信息的客觀物理現(xiàn)象，是感知立體知覺的重要生理基礎(chǔ)。人眼雙目視覺模型如下圖所示。計(jì)算機(jī)立體視覺正是建立在人雙眼視覺模型之上的。圖3-3-1人眼雙目視覺模型雙目立體視覺是基于視差，由三角法原理進(jìn)行三維信息的獲取，通常由兩臺相機(jī)的圖像平面（或單相機(jī)在不同位置的圖像平面）和被測物體之間構(gòu)成一個(gè)三角形，運(yùn)用兒何關(guān)系恢復(fù)出物體三維幾何信息。立體觀測的原理是建立人造立體視覺，即將像對上的視差反映為人眼的生理視差后得出的立體視覺。得到人造立體視覺須具有3個(gè)條件：1、由兩個(gè)不同位置（一條基線的兩端）拍攝同一景物的兩張像片(稱為立體像對或像對)；2、兩只眼睛分別觀測像對中的一張像片；3、觀測時(shí)像對上各同名像點(diǎn)的連線要同人的眼睛基線大體平行，并且同名點(diǎn)間的距離一般要小于眼基線（或擴(kuò)大后的眼基距）。若用兩個(gè)相同標(biāo)志分別置于左右像片的同名像點(diǎn)上，則立體觀測時(shí)就可以看到在立體模型上加入了一個(gè)空間的測標(biāo)。為便于立體觀測，可借助于一些簡樸的工具，如橋式立體鏡和反光立體鏡。對于那種運(yùn)用兩個(gè)投影器把左右像片的影像同時(shí)疊合地投影在一個(gè)承影面上的情況，可采用互補(bǔ)色原理或偏振光原理進(jìn)行立體觀測，并用一個(gè)具有測標(biāo)的測繪臺量測。3.4立體影像匹配影像匹配實(shí)質(zhì)上是在兩幅（或多幅）影像之間辨認(rèn)同名點(diǎn)的過程。在數(shù)字?jǐn)z影測量中它是以計(jì)算機(jī)視覺代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工觀測，來獲取同名像點(diǎn)的，它是數(shù)字?jǐn)z影測量的核心技術(shù)之一。多視影像由于是多幅影像組合而成，因此具有覆蓋范圍廣，分辨率高的特點(diǎn)。鑒于這特點(diǎn)，可以考慮在匹配過程中運(yùn)用冗余信息，對多視影像中的同名點(diǎn)左邊進(jìn)行快速高效地獲取，繼而獲取拍攝地物的三維特性信息。由于單單使用一種匹配基元或一種匹配策略難以獲取準(zhǔn)確且高效的同名點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人開始研究多基元、多視影像匹配。[4]3.4.1影像特性提取特性提取是計(jì)算機(jī)視覺和圖像解決中的一個(gè)概念。它指的是使用一臺計(jì)算機(jī)，以提取影像中同名點(diǎn)的圖像信息，該信息決定影像中的相同特性。特性提取是將影像上的點(diǎn)進(jìn)行歸類，分別劃分為不同的子集，這些子集通常是由一個(gè)孤立的點(diǎn)、一條連續(xù)的曲線或一個(gè)連續(xù)的區(qū)域組成。影像特性提取一般是依靠影像中灰度的分布情況，來擬定特性的位置、形狀以及大小。影像特性的灰度與周邊的影像灰度有比較明顯的差異和區(qū)別。特性通常按形狀劃分，可分為點(diǎn)特性、線特性和面特性。點(diǎn)特性重要包含影像中的明顯點(diǎn)；線特性是線狀地物或面狀地物的邊沿在影像中的構(gòu)像。提取點(diǎn)特性的算子稱為愛好數(shù)字。從點(diǎn)特性中提取的算子較多，比較有名的算子重要有：Moravec算子、Hannah算子Harris算子、和Forstner算子。3.4.2影像匹配由于可以應(yīng)用的多個(gè)領(lǐng)域中，影像相關(guān)所匹配的對象也是多種多樣的，但是無論是基于光學(xué)相關(guān)、還是電子相關(guān)或者基于數(shù)字相關(guān)等，所匹配的對象也有不同，但其理論基礎(chǔ)都是相同的。[5]采用在相鄰具有重疊度的影像上提取出相似的兩個(gè)特性，然后運(yùn)用匹配算法將特性點(diǎn)進(jìn)行匹配，然后相對定向得到點(diǎn)集。影像相關(guān)是運(yùn)用互相關(guān)聯(lián)的函數(shù)，就是特性提取后運(yùn)用一組參數(shù)對特性進(jìn)行描述，然后運(yùn)用參數(shù)進(jìn)行特性匹配，即以影像信號分部最相似的區(qū)域?yàn)橥麉^(qū)域，同名區(qū)域的中心點(diǎn)為同名點(diǎn)。（1）基于灰度的影像匹配基于匹配測度為基礎(chǔ)來擬定同名點(diǎn)，定義匹配測度是影像匹配最首要的任務(wù)，但是各種不同的匹配測度皆是基于不同的理論方法的定義，因而形成了各種不同的影像匹配方法及相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)算法?；谙穹交叶鹊挠跋衿ヅ渌惴ǔＲ姷挠校合嚓P(guān)函數(shù)法、協(xié)方差函數(shù)法、最小二乘法、相關(guān)系數(shù)法、差平方和法、差絕對值和法等。（2）基于特性的影像匹配在計(jì)算機(jī)或者圖像解決的中，提取是一個(gè)很重要解決手段。它是指基于計(jì)算機(jī)或者圖像解決時(shí)需要提取的圖像信息是否屬于一個(gè)圖像的特性。圖像上的特性就是圖像上的點(diǎn)集合組成的一個(gè)個(gè)點(diǎn)、線、面。而特性提取針對的就是這樣的點(diǎn)、線、面。影像特性點(diǎn)、線、面的提取一般是依靠影像中有關(guān)灰度的分布情況，以此來擬定特性的位置、形狀以及大小。影像特性的灰度與周邊的影像灰度有比較明顯的差異和區(qū)別，一般來說，所有同名點(diǎn)的構(gòu)成的點(diǎn)、線、面就組成了特性點(diǎn)?；叶绕ヅ鋽?shù)字影像是一個(gè)二維的灰度矩陣G：上式中二維數(shù)組中的像元素都代表一個(gè)灰度值，其集合組成相應(yīng)著光學(xué)影像或?qū)嶓w的一個(gè)微社區(qū)域，稱為像素或者像元素。灰度值代表像素的量化“灰度級”。灰度匹配是指尋找類似的待相關(guān)的一個(gè)社區(qū)域的影像的灰度，一方面在一張相片上擬定一個(gè)目的點(diǎn)，并以該點(diǎn)周邊選取個(gè)點(diǎn)的灰度值矩陣組成一個(gè)像素的目的區(qū)，在目的區(qū)中任意一個(gè)像元素的的灰度值設(shè)為（ij=1,2.....n），一般取n為奇數(shù)，其圍繞的點(diǎn)即為目的點(diǎn)。為了在另一張照片上尋找出同名像點(diǎn)，根據(jù)在第一張像片上的目的點(diǎn)的坐標(biāo)概略地估計(jì)出它在另一張像片上的近似點(diǎn)的范圍，以此為繞點(diǎn)在其周邊個(gè)影像灰度序列，組成一個(gè)比第一張像片目的區(qū)范圍要大的搜索區(qū)。如下圖所示，在搜索區(qū)尋找同名像點(diǎn)時(shí)，若搜索工作在x、y兩個(gè)方向進(jìn)行,則是二維相關(guān)的運(yùn)算。在搜索區(qū)內(nèi)有個(gè)與目的區(qū)等大的區(qū)域，稱為相關(guān)窗口，為窗口內(nèi)任意一點(diǎn)的灰度值。（a）目的區(qū)（b）搜索區(qū)圖3-4-1二維影像相關(guān)目的區(qū)與搜索區(qū)（k=0,1,2,3.....，m-1）兩個(gè)點(diǎn)組的方差分別為:，兩個(gè)點(diǎn)組的協(xié)方差為：兩個(gè)點(diǎn)組的相關(guān)系數(shù)為:（k=0,1,2,3.....，n）在一維的搜索區(qū)內(nèi)沿核線尋找同名像點(diǎn)，每移動一個(gè)像素，按著以上公式依次計(jì)算出一維目的區(qū)和一維搜索區(qū)的相關(guān)系數(shù)，共能計(jì)算出m-n+1個(gè)相關(guān)系數(shù)，取的最大值，選取其相應(yīng)的一維的相關(guān)窗口的中心像素被認(rèn)為是目的點(diǎn)的同名像點(diǎn)。當(dāng)時(shí)相關(guān)系數(shù)取得最大值，則同名像點(diǎn)在搜索區(qū)內(nèi)的序號為:在二維相關(guān)的情況下，表達(dá)二維目的影像（左影像）和二維搜索影像（右影像）的灰度分布影像窗口大小，則均值為:相關(guān)函數(shù)測度:協(xié)方差函數(shù)測度:相關(guān)系數(shù)測度：特性匹配影像匹配重要可以分為兩類:基于灰度的匹配和基于特性的匹配?；趫D像特性匹配的研究是近年許多學(xué)者研究比較多的，相對于基于灰度的匹配方法，基于特性匹配的方法更適合于復(fù)雜空間變換圖像之間的匹配。[2]1、匹配策略為同時(shí)滿足匹配結(jié)果的可靠性，又保證匹配相關(guān)的精度規(guī)定，可以采用一種自頂向下，由粗到精，不斷細(xì)化的分級匹配策略。其思想是采用不同帶寬的低通濾波器對原始影像進(jìn)行低通濾波、降采樣和平滑的方式，生成多級影像。減少原始影像的像元空間分辨率，使得在較小的影像范圍內(nèi)，保持地面范圍不變。平滑減少了影像中存在的噪聲信息。將原始圖像分解成許多不同空間分辨率的子圖像，高分辨率（尺寸較大）的子圖像放在下層，低分辨率（尺寸較?。┑膱D像放在上層，根據(jù)影像分辨率和像幅的縮小，形成了一組影像序列，形如金字塔形狀，故稱為金字塔影像。因此分級匹配又稱為金字塔影像匹配策略。由于低通濾波器可以采用高斯濾波器、平均平滑濾波器或者小波函數(shù)等，因此常用的金字塔有小波金字塔、高斯金字塔等。對于一維相關(guān)，分頻道可采用兩像元平均、三像元平均和四像元平均等方法。對于實(shí)際的二維影像相關(guān)，通過每（或）個(gè)像元平均為一個(gè)像元構(gòu)成第二級影像，再在第二級影像基礎(chǔ)上構(gòu)成第三級影像，以此類推，構(gòu)成金字塔影像（圖**8為金字塔影像的示意圖）。（a）四像元平均（b）九像元平均圖3-4-2金字塔影像采用金字塔最上層影像的初相關(guān)，找出匹配位置，并以此作為下一層相應(yīng)的預(yù)測位置，將該層的匹配結(jié)果傳遞到下一層作為初始值。然后把這些匹配結(jié)果用作控制使用，對其他特性點(diǎn)進(jìn)行匹配。由于金字塔分解的誤差傳遞性，在每一級匹配中都需要一個(gè)控制策略來保證匹配的對的性。此時(shí)搜索區(qū)域的位置和范圍己經(jīng)可以基本擬定，保證了影像搜索過程中的可靠性。最后逐步過渡到金字塔影像中底層的原始影像中，在搜索區(qū)中進(jìn)行影像相關(guān)。金字塔頂層影像保存了原始影像的重要結(jié)構(gòu)信息，過濾了細(xì)節(jié)和噪聲信息，匹配的可靠性較高。與原始影像逐點(diǎn)搜索比較，由粗到精的匹配過程中搜索區(qū)域范圍縮小，減少了計(jì)算的復(fù)雜度。2、SIFT匹配SIFT（ScaleInvariantFeatureTransform，即尺度不變特性變換）算子是由DavidG.Lowe于1999年初次提出，并于2023年將該算法完善并進(jìn)行總結(jié)該算法是當(dāng)前研究最多的一種局部特性匹配算法。由于其算法對平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、亮度變化保持不變性，對于視角變化、仿射變化、噪聲而言，SIFT算法也保持了一定限度的穩(wěn)健性，同時(shí)還具有獨(dú)特性好，信息量豐富，多量性，高速性以及可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。Mikolajczyk和Schmid針對不同場景，對光照明暗的變化、影像幾何變化、分辨率大小不同、旋轉(zhuǎn)角度的不同、模糊限度以及影像壓縮等6種情況，運(yùn)用多種描述子（如SIFT，矩不變量，尺度不變，仿射不變等10種描述子）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和比較，結(jié)果表白SIFT特性最穩(wěn)定，性能最佳。SIFT特性描述子的提取過程如下:（1）建立尺度空間中的高斯金字塔影像序列通過原始影像大小，擬定尺度空間中影像組的個(gè)數(shù)，即高斯金字塔的組數(shù)。第一組第一層采用對原始影像兩倍升采樣方式獲取，剩余組第一層影像，都運(yùn)用上一組的影像采用降采樣方式獲得。然后擬定每組的層數(shù)，選擇的具有尺度不變性的高斯模糊函數(shù)以及經(jīng)驗(yàn)估值，由尺度公式，推導(dǎo)出該組不同層影像的尺度，以及用高斯模糊函數(shù)卷積方式獲得影像。最終生成尺度空間的影像序列。（2）建立差分高斯（DifferenceofGaussians）金字塔影像序列由建立的尺度空間的影像序列，每組相鄰兩層之間相減得到DOG影像序列。（3）尋找尺度空間中差分高斯金字塔影像序列的灰度極值點(diǎn)判斷DOG金字塔影像中灰度極值點(diǎn)，并得到其位置。（4）精擬定位極值點(diǎn)位置由獲得的極值點(diǎn)位置和DOG影像中的灰度信息，擬合出最佳極值點(diǎn)的位置，并進(jìn)行迭代運(yùn)算，迭代次數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值為5次。（5）易(除邊沿點(diǎn)運(yùn)用Hessian矩陣，計(jì)算特性值的比值關(guān)系，借此剔除邊沿效應(yīng)明顯的極值點(diǎn)。（6）計(jì)算極值點(diǎn)的主方向由極值點(diǎn)附近的DOG影像中的灰度信息，計(jì)算極值點(diǎn)一定范圍附近的梯度方向，并以每為一個(gè)方向，作直方圖記錄，通過兩次[0.25,0.5,0.25]的直方圖平滑，再得到記錄次數(shù)最高的方向，以及記錄超過最高方向的記錄次數(shù)80%的方向（包含記錄次數(shù)最高的方向），并內(nèi)插擬合出最佳方向作為極值點(diǎn)的主方向，所以同一個(gè)特性點(diǎn)也許記錄不止一個(gè)方向，也許包含一個(gè)主方向以及一到多個(gè)輔方向。（7）極值特性點(diǎn)的描述用SIFT特有的128維特性空間描述SIFT特性點(diǎn)，按方向的不同旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)后的影像，再按照尺度的不同，將特性點(diǎn)周邊選定一個(gè)區(qū)域大小，將區(qū)域劃分為的子區(qū)域，計(jì)算子區(qū)域中，各像素的梯度信息，并分解為8個(gè)方向，每為一個(gè)方向的直方圖。于是可以得到16個(gè)8方向的直方圖，也就是128維的向量。再對128維向量歸一化，針對向量的分量中，超過0.2的值截取為0.2，保證光照亮度的不變性，再做一次128維向量的歸一化，得到標(biāo)準(zhǔn)S工FT極值特性點(diǎn)的描述。（8）SIFT特性匹配SIFT匹配算法采用的是次鄰近距離比值法，來判斷高維向量的匹配限度。最直接實(shí)現(xiàn)方法是窮舉兩兩特性點(diǎn)配對的組合，計(jì)算兩兩特性點(diǎn)之間的最鄰近距離和次鄰近距離之比，假如比值越大，則說明匹配的同名點(diǎn)的可靠性越高；假如比值越小，則說明匹配的同名點(diǎn)可靠性越低。以此設(shè)定合適的閾值，小于閾值視為非同名點(diǎn)，大于閾值視為同名點(diǎn)。當(dāng)閾值越大，同名點(diǎn)可靠性越高，點(diǎn)數(shù)越少;反之，同名點(diǎn)可靠性越低，點(diǎn)數(shù)越多。另有通過k-d樹搜索的方法，減少了窮舉法的計(jì)算量，來計(jì)算次鄰近距離。3、誤匹配點(diǎn)的剔除由于影像匹配方法對于不同影像，左右的影像或上下的影像都會在所難免地出現(xiàn)部分錯(cuò)誤的匹配點(diǎn)，而這些錯(cuò)誤的匹配點(diǎn)對于后期的平差解決有很大的影響，因此必須盡量地減少或消除這些錯(cuò)誤的匹配點(diǎn)。為了提高配準(zhǔn)點(diǎn)的可靠性，減少錯(cuò)誤匹配出現(xiàn)的概率，需要對匹配得到的配準(zhǔn)點(diǎn)作篩選解決，去除也許存在的誤匹配點(diǎn)。一般而言，可采用不同的相似性測度對配準(zhǔn)點(diǎn)作篩選，如采用距離相似性測度得到的配準(zhǔn)點(diǎn)，可以再通過灰度相似性測度來甄別，以減少誤匹配點(diǎn)的情況。目前采用比較多的篩選算法由Fischler和Bollles最先提出的隨機(jī)采樣一致性RANSAC算法（RandomSampleConsensus）。尚有根據(jù)計(jì)算出來的特性點(diǎn)，運(yùn)用相關(guān)系數(shù)法進(jìn)一步判斷匹配點(diǎn)對的對的性和精確度。由于每個(gè)特性點(diǎn)都有其主方向，而同名點(diǎn)對的主方向相差較小，所以可根據(jù)主方向角法來進(jìn)行匹配錯(cuò)誤點(diǎn)進(jìn)行剔除。第四章相機(jī)檢校4.1概述相機(jī)檢校技術(shù)（計(jì)算機(jī)視覺中稱為相機(jī)標(biāo)定）最早應(yīng)用于攝影測量學(xué)。攝影測量學(xué)中所使用的方法是數(shù)學(xué)解析分析的方法，在檢校過程中通常要運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解決。對于計(jì)算機(jī)視覺而言，考慮到相機(jī)檢校在理論和實(shí)踐中的重要價(jià)值，學(xué)術(shù)界進(jìn)行了廣泛的研究，基于不同的出發(fā)點(diǎn)和思緒取得了一系列成果。對于不同的問題背景，攝影測量與計(jì)算機(jī)視覺都有其各自的應(yīng)用價(jià)值。[6]攝影測量學(xué)是運(yùn)用傳感器（相機(jī)）對目的進(jìn)行影像采集，通過對一系列的影像解決，來獲取目的的位置、大小、形狀以及互相關(guān)系等的一門學(xué)科。攝影測量學(xué)按照研究對象可分為地形攝影測量與非地形攝影測量，按照攝影距離可分為航天攝影測量、航空攝影測量、地面攝影測量和顯微攝影測量。相比其他測量手段，攝影測量有非接觸量測、瞬間獲取信息量大、適宜動態(tài)測量、成本低以及解決速度快精度高等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)視覺是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一門重要學(xué)科，與攝影測量有相同的基礎(chǔ)理論與目的。計(jì)算機(jī)視覺是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)、圖像采集等硬件設(shè)備來模仿人的視覺功能，從而完畢對客觀世界的感知、辨認(rèn)和理解。具體而言，計(jì)算機(jī)視覺是一門研究如何使機(jī)器看得到看得懂的科學(xué)，采用圖像采集設(shè)備代替人眼對目的進(jìn)行捕獲，跟蹤等，運(yùn)用計(jì)算機(jī)代替人腦對獲得的圖像信息進(jìn)行描述、解釋與特性提取，并最終抽離出所需要的資料，完畢對客觀世界的結(jié)識與理解。計(jì)算機(jī)視覺作為一門系統(tǒng)性的學(xué)科，始于上世紀(jì)60年代，在70年代末期和80年代初期，隨著計(jì)算機(jī)的性能提高到足以解決諸如圖像這樣的大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算機(jī)視覺的許多重要的基礎(chǔ)理論才得到了正式的關(guān)注和長足的發(fā)展。隨著著Marr理論的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)視覺才擬定了一個(gè)比較明確的體系框架。計(jì)算機(jī)視覺在眾多領(lǐng)域內(nèi)具有十分廣泛的潛在應(yīng)用，所涉及的學(xué)科、知識極其繁多，研究的問題富有挑戰(zhàn)性，因此它一直是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的一門熱門學(xué)科。計(jì)算機(jī)視覺中采用的是普通數(shù)碼相機(jī)，重要研究如何使用計(jì)算機(jī)模擬人的眼睛，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人視覺。計(jì)算機(jī)視覺的研究重點(diǎn)重要是提高效率、自動化限度方面，近些年隨著計(jì)算機(jī)視覺的發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺逐步考慮視覺精度的問題，相機(jī)標(biāo)定又重新上升為一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)攝影測量采用的是量測型相機(jī)，其內(nèi)方位元素己知并且有較高的穩(wěn)定性、較小的鏡頭畸變，但其價(jià)格昂貴且設(shè)備較為復(fù)雜;近些年，隨著非量測相機(jī)（普通數(shù)碼相機(jī)）分辨率、穩(wěn)定性等性能的提高，并具有價(jià)格低廉、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用與無人機(jī)航空攝影測量以及近景攝影測量中，但是普通數(shù)碼相機(jī)由于內(nèi)方位元素未知、鏡頭畸變較大，為了滿足規(guī)定，在進(jìn)行測量之前必須進(jìn)行相機(jī)檢校。空間點(diǎn)的三維位置信息與通過相機(jī)拍攝到的二維圖像中的相應(yīng)點(diǎn)之間的互相關(guān)系由攝像機(jī)成像幾何模型決定，該幾何模型稱為相機(jī)內(nèi)方位元素（計(jì)算機(jī)視覺中稱為相機(jī)參數(shù)）。相機(jī)內(nèi)方位元素需要通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算來擬定，解求這些參數(shù)的過程即為相機(jī)檢校。按照是否需要控制場，相機(jī)檢校方法可分為傳統(tǒng)檢校方法和自檢校方法。傳統(tǒng)檢校方法是將具有眾多控制點(diǎn)的控制場作為拍攝對象，然后對拍攝的圖像進(jìn)行相關(guān)解決，并運(yùn)用一系列的數(shù)學(xué)變換求取相機(jī)的參數(shù)。相機(jī)自檢校方法不需要特定的控制場，僅僅依靠多幅圖像之間的相應(yīng)點(diǎn)之間的關(guān)系（如Kruppa等）直接解算相機(jī)參數(shù)。傳統(tǒng)檢校方法較為成熟，檢校精度較高，己得到了較廣泛的應(yīng)用，但是檢校過程繁瑣;自檢校方法較為靈活，缺陷需要特定的拍攝條件或者位置，并且參數(shù)過多，容易導(dǎo)致解算不夠穩(wěn)定。4.2相機(jī)檢校算法4.2.1張正友相機(jī)檢校法張正友在1998年提出了一種比較簡樸靈活的方法，在張正友的檢校方法中，我們只需要相機(jī)對一個(gè)檢校模板在不同的方向拍攝不少于三張影像，通過提取2D圖像點(diǎn)坐標(biāo)得到與三維點(diǎn)的相應(yīng)來獲得最終結(jié)果，是目前攝像機(jī)檢校研究中比較熱門的算法之一。該方法假定平面檢校板置于其所在的世界坐標(biāo)系Zw=0的平面上，其通過線性成像模型來求得相機(jī)參數(shù)的初值，然后基于非線性成像模型給出考慮了非線性畸變的目的函數(shù)，然后使用非線性最優(yōu)化的方法來獲得相機(jī)參數(shù)的最優(yōu)解。這種檢校方法具有較好的魯棒性、實(shí)用性，但檢校精度較低。4.2.2直接線性變換相機(jī)檢校Abdel-Aziz和Karara初次提出直接線性變換方法。相機(jī)的參數(shù)是通過簡樸地解線性方程組得出，這是直接線性變換方法的優(yōu)點(diǎn)所在。起初，這種方法被提出時(shí)，沒有考慮非線性畸變補(bǔ)償問題，只給出了基本的線性約束方程來表達(dá)像平面坐標(biāo)系與攝影測量坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，在后來的使用中，為了提高相機(jī)檢校的精度，需要加入非線性的優(yōu)化算法。在線性方法的基礎(chǔ)上，DLT方法后來己經(jīng)涉及非線性因素，并使用了非線性手段來求解問題。這樣，直接線性變換方法有兩種模型，一種是直接通過求解線性方程得到相機(jī)的參數(shù)；另一種是使用非線性優(yōu)化算法。第一種模型是：（0.0.0.）其中，（X,Y,Z）是物方點(diǎn)在攝影測量坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，（x,y）是該點(diǎn)在影像中的投影點(diǎn)在像平面坐標(biāo)系的坐標(biāo)。是11個(gè)待求變換參數(shù)，解算這11個(gè)變換參數(shù)至少需要6個(gè)物方點(diǎn)三維坐標(biāo)以及其相應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)考慮非線畸變因素時(shí)，直接線性變換的關(guān)系模型為:(0.0.0)其中與為像點(diǎn)的鏡頭畸變校正。由上式可以看出，運(yùn)用直接線性變換模型可以很方便的加入非線性畸變參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。該方法原理簡樸，易于實(shí)現(xiàn)，但是檢校精度較低。4.2.3基于Kruppa方程的相機(jī)自檢校Kruppa方程最初是由Faugeras、Luong和Maybank引入到計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中來，他們提出求解Kruppa方程的相機(jī)自檢校方法，在歷史上被看作是第一個(gè)相機(jī)自檢校方法。Faugeras等的研究證明了每兩幅圖像間存在兩個(gè)形如Kruppa方程的二次約束，內(nèi)部參數(shù)可以通過求解Kruppa方程組來擬定?；贙ruppa方程的自檢校方法檢校相機(jī)的過程僅需要建立兩幅圖像之間的方程，對圖像序列的攝影重建過程并不考慮。假如圖像序列較長，且所有圖像相對于擬定的射影空間的無窮遠(yuǎn)平面一致性無法保證，檢校算法的穩(wěn)定性會受到影響，并且求解Kruppa方程的計(jì)算量太大，非線性優(yōu)化后收斂性不好，因此該自檢校方法魯棒性較低。4.2.4基于空間后方交會的相機(jī)檢?；诳臻g后方交會相機(jī)檢校是一種依據(jù)共線條件方程式，以像點(diǎn)坐標(biāo)作為觀測值，在解求像片內(nèi)方位元素和某些附加參數(shù)為重要目的但又同時(shí)解求像片外方位元素的相機(jī)檢校方法。誤差方程如下：（0.0.0）式中表達(dá)像片外方位元素改正數(shù)，表達(dá)相機(jī)內(nèi)參數(shù)改正數(shù)，表達(dá)鏡頭畸變參數(shù)改正數(shù)。運(yùn)用物方點(diǎn)的三維坐標(biāo)與相應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)，按上式逐點(diǎn)組成誤差方程，法化、求解，可以得到相機(jī)內(nèi)參數(shù)、鏡頭畸變參數(shù)以及相片外方位元素?；诳臻g后方交會的相機(jī)檢?？煞譃閱纹瑱z校和多片檢校兩種，單片檢校的穩(wěn)定性較差，并且很難保證精度，多片檢校具有較好的穩(wěn)定性，但是無論單片還是多片，檢校的精度比較依賴控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)，假如達(dá)成物方坐標(biāo)精度規(guī)定，需要高精度的量測一起并且需要消耗大量的人力物力。第五章無人機(jī)航線規(guī)劃和像控點(diǎn)測量5.1無人機(jī)航線規(guī)劃原理和算法5.1.1無人機(jī)航線規(guī)劃原理航跡規(guī)劃是指在一些特定的約束條件下，尋找運(yùn)動體從起始點(diǎn)到目的點(diǎn)滿足某些性能指標(biāo)最優(yōu)的運(yùn)動軌跡。因此可得到無人機(jī)航跡規(guī)劃的定義，是指在綜合考慮無人機(jī)機(jī)動性能、碰地概率、突防概率、油耗、威脅和飛行時(shí)間約束等等各種因素下，找到一條從起始點(diǎn)到目的點(diǎn)的最優(yōu)或最佳的可行飛行軌跡。[7]飛行器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)和信息化技術(shù)等技術(shù)相關(guān)，隨著有關(guān)技術(shù)的研究發(fā)展，飛行器技術(shù)也發(fā)生了巨大的變化。無人機(jī)以其制導(dǎo)致本低廉、飛行時(shí)間長、附帶損失小，能自動并且精確地打擊目的等優(yōu)點(diǎn)，在一些關(guān)鍵和高危險(xiǎn)的任務(wù)中發(fā)揮著不可替代的作用。同時(shí)由于飛行任務(wù)的更新，飛行難度的提高、任務(wù)的危險(xiǎn)度加大以及飛行強(qiáng)度急劇增大，僅僅靠著飛行員人工操作完畢復(fù)雜的飛行任務(wù)變得更加困難。為解決這些問題，一種有效的途徑就是采用無人機(jī)航跡規(guī)劃(PathPlanning)技術(shù)。對任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)(MissionPlanningSystem)中的航跡規(guī)劃問題，其發(fā)展十分迅速?，F(xiàn)在各種自動化儀器的自動導(dǎo)航系統(tǒng)中，到處可見航跡規(guī)劃技術(shù)。航跡規(guī)劃出現(xiàn)于信息時(shí)代，是許多新技術(shù)的集合而成的結(jié)果，如GPS(GlobalPositioningSystem),GIS(GeographicInformationSystem)和RS(Remote-senseSystem)技術(shù)。運(yùn)用航跡規(guī)劃技術(shù)來完畢任務(wù)規(guī)劃問題與運(yùn)用一般傳統(tǒng)方法相比，航跡規(guī)劃技術(shù)具有下列優(yōu)點(diǎn)。（1）航跡規(guī)劃技術(shù)充足運(yùn)用了預(yù)先得到的地形信息，故而最終的規(guī)劃航跡具有更好的安全性，從而無人機(jī)在完畢任務(wù)時(shí)，安全性更高。（2）在航跡規(guī)劃時(shí)，飛行器有很多飛行性能約束，必須要進(jìn)行充足地考慮，并且把這些因素加入到規(guī)劃過程中，保證規(guī)劃的最終航跡是滿足任務(wù)規(guī)定的航跡。（4）在航跡規(guī)劃時(shí)考慮了飛行器燃料制約、規(guī)劃環(huán)境中的禁飛區(qū)域限制等其他因素，運(yùn)用航跡規(guī)劃技術(shù)，可以使無人機(jī)完畢任務(wù)所花費(fèi)的代價(jià)較小，得到的航跡可靠性高。無人機(jī)航跡規(guī)劃的目的是要找到一條最佳的飛行航跡，要盡量減少自身也許撞地的概率，同時(shí)還規(guī)定滿足無人機(jī)的各種約束條件。而這些因素之間通常是互相相禍合的，若改變其中的某個(gè)因素通常會引起其它因素的變化，因此在無人機(jī)航跡規(guī)劃過程中需要協(xié)調(diào)各種因素之間的關(guān)系。具體說來，無人機(jī)航跡規(guī)劃需要考慮以下的一些因素。[8]1、無人機(jī)性能規(guī)定航跡規(guī)劃過程中必須考慮到無人機(jī)的性能約束，否則即使航跡規(guī)劃的再好，由于受到無人機(jī)性能的約束，無人機(jī)也不也許按規(guī)劃的航跡進(jìn)行飛行。無人機(jī)的性能限制對航跡的約束重要有:（1）最大轉(zhuǎn)彎角:它限制生成的航跡只能在小于或等于預(yù)先擬定的最大角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)彎。該約束條件取決于無人機(jī)的性能和飛行任務(wù)。（2）最大爬升/俯沖角:由無人機(jī)自身的機(jī)動性能決定。它限制了航跡在垂直平面內(nèi)上升和下滑的最大角度。（3）最小航跡段長度:它限制了無人機(jī)在開始改變飛行姿態(tài)之前必須直飛的最短距離。為減少導(dǎo)航誤差，飛行器在遠(yuǎn)距離飛行時(shí)一般不希望迂回行進(jìn)和頻繁的轉(zhuǎn)彎。（4）最低飛行高度:在通過敵方防御區(qū)時(shí)，需要在盡也許低的高度上飛行，以減少被敵防空武器系統(tǒng)探測到并摧毀的概率。但是飛得過低往往會使得與地面相撞的墜毀概率增長。一般在保證離地高度大于或等于某一給定高度的前提下，使飛行高度盡量減少。此外，無人機(jī)航跡規(guī)劃還必須考慮無人機(jī)的燃料限制和射程約束。2、實(shí)時(shí)性規(guī)定在無人機(jī)航跡規(guī)劃過程中，假如預(yù)先已經(jīng)掌握了無人機(jī)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)完整精確的環(huán)境信息時(shí)，可規(guī)劃出一條自起點(diǎn)到終點(diǎn)的最優(yōu)航跡。但由于任務(wù)的不擬定性，無人機(jī)經(jīng)常需要臨時(shí)改變飛行任務(wù)。在這些情況的干擾下，預(yù)先在地面規(guī)劃出的航跡不也許滿足規(guī)定。當(dāng)環(huán)境的變化區(qū)域不大時(shí)，可通過局部更新的方法進(jìn)行航跡在線再規(guī)劃。假如無人機(jī)周邊環(huán)境的變化區(qū)域較大時(shí)，則無人機(jī)必須具有實(shí)時(shí)在線規(guī)劃功能。5.1.2無人機(jī)航跡規(guī)劃的算法無人機(jī)航跡規(guī)劃問題的目的函數(shù)較為復(fù)雜，涉及到對大量不同信息的解決問題，無人機(jī)航跡規(guī)劃通常分兩個(gè)層次進(jìn)行：第一層是整體參考航跡規(guī)劃；第二層是局部航跡動態(tài)優(yōu)化。整體參考航跡規(guī)劃是無人機(jī)飛行前在地面上完畢的。整體參考航跡的優(yōu)劣通常是根據(jù)無人機(jī)的安全規(guī)定、任務(wù)規(guī)定、飛行時(shí)間以及其它性能和戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)術(shù)因素組合預(yù)先擬定最優(yōu)性能指標(biāo)，以此最優(yōu)性能指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，采用某種合適的算法生成一條最優(yōu)的參考航跡。得到參考航跡之后，無人機(jī)在實(shí)際飛行中并不一定嚴(yán)格按照參考航跡來飛，它還受到參考航跡周邊的地形因素、威脅因素及無人機(jī)自身的性能約束（如最大轉(zhuǎn)彎半徑、滾轉(zhuǎn)角、飛行高度、飛行速度等）的限制。因此，在參考航跡周邊，無人機(jī)會根據(jù)周邊不斷更新的各種信息對參考航跡進(jìn)行局部的動態(tài)優(yōu)化，生成一條最優(yōu)航跡并引導(dǎo)無人機(jī)沿最優(yōu)航跡飛行。無人機(jī)的整體參考航跡規(guī)劃涉及到全局優(yōu)化問題，既要避免陷入局部最優(yōu)，同時(shí)還要減少計(jì)算量，而在局部航跡動態(tài)優(yōu)化過程中應(yīng)當(dāng)盡也許的減少計(jì)算量以保證航跡規(guī)劃的實(shí)時(shí)性。通常在理論上最優(yōu)航跡是不也許得到的，但在實(shí)際的航跡規(guī)劃中，可以將代價(jià)值降到可接受的水平也是可行的。無人機(jī)航跡規(guī)劃可以采用的算法很多，按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)對其分類的話可分為以下幾類:按照規(guī)劃決策的計(jì)算方法可分為啟發(fā)式和最優(yōu)式算法。啟發(fā)式算法涉及啟發(fā)式搜索、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模擬退火等。最優(yōu)式算法則涉及數(shù)學(xué)規(guī)劃法、動態(tài)規(guī)劃法、牛頓法、窮舉法、梯度法等。啟發(fā)式算法和最優(yōu)式算法的主線區(qū)別為：最優(yōu)式算法的計(jì)算量時(shí)間隨問題規(guī)模的變大而呈現(xiàn)爆炸式增長。按照幾何學(xué)的方法可分為基于圖形的算法(Graph-based)和基于柵格的算法(Grid-based)。兩者各有所長，通常來說，基于圖形的算法的解決結(jié)果較為準(zhǔn)確，但需要較長的收斂時(shí)間；基于柵格的算法可以在實(shí)時(shí)規(guī)定的條件下收斂，但對于一些約束條件難以解決。此外，有人將規(guī)劃算法分為人工勢場法(ArtificialPotentialFieldMethods)、路標(biāo)法(RoadmapMethods)和柵格分解法(CellDecompositionMethods)，這些方法有些近似于按幾何學(xué)觀點(diǎn)的分類。此外，尚有一種比較有代表性的劃分方法，就是把無人機(jī)航跡規(guī)劃方法分為三類：基于類比的方法、途徑規(guī)劃方法和軌跡優(yōu)化方法。軌跡優(yōu)化法指的是擬定動態(tài)模型中的控制變量和狀態(tài)變量，從而使性能指標(biāo)或者代價(jià)函數(shù)達(dá)成最優(yōu)，事實(shí)上這是一個(gè)最優(yōu)控制問題。這類問題的解析解很難直接得出，因此多用數(shù)值解法。下面選擇其中的一些算法做一些介紹：1、人工勢場法無人機(jī)航跡規(guī)劃的問題簡樸來說就是規(guī)定無人機(jī)能避開各種飛行障礙，從而安全的完畢任務(wù)。人工勢場法的重要思想是在不考慮其它約束的情況下，運(yùn)用物理中關(guān)于磁場吸引和排斥的有關(guān)法則，將目的作為吸引場，威脅和各種障礙作為排斥場，無人機(jī)在兩者綜合生成的勢場中飛行。人工勢場法一個(gè)突出的特點(diǎn)就是規(guī)劃速度快，勢場的建立涉及到威脅、障礙、目的的評估等因素，非常直觀，但對一些約束條件不好解決，并且也許由于在吸引力和排斥力相等的地方存在局部最小點(diǎn)，從而導(dǎo)致找不到途徑，使規(guī)劃失敗。因此，人工勢場法一般用于完畢航跡規(guī)劃的后期解決，比如對用PRM,VORONOI圖等方法生成的航跡進(jìn)行平滑解決等。2、PRM（隨機(jī)路標(biāo)圖）法PRM（隨機(jī)路標(biāo)圖）是由Overmars等人在1992年先提出來的一種隨機(jī)的途徑搜索方法，該方法一般用于環(huán)境已知時(shí)的途徑規(guī)劃，重要由離線預(yù)解決和在線查詢兩部分進(jìn)行，離線預(yù)解決的過程重要包含路標(biāo)的建立和強(qiáng)化兩個(gè)階段。通過在規(guī)劃空間內(nèi)隨機(jī)的采樣，產(chǎn)生一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，并將這些節(jié)點(diǎn)連接起來生成路標(biāo)圖。然后在某種啟發(fā)性知識的引導(dǎo)下，在路標(biāo)圖中搜索途徑?？梢詫⑸傻膔oadmap當(dāng)作是一幅地圖，通過該地圖可以很簡樸的查詢出所需要的途徑。最后還要對所得到的途徑進(jìn)行平滑解決。該算法的優(yōu)點(diǎn)是可以在規(guī)劃時(shí)間和途徑質(zhì)量之間進(jìn)行權(quán)衡。但是，一旦規(guī)劃環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，事先構(gòu)造的隨機(jī)路標(biāo)圖無法通過局部更新以適應(yīng)新的環(huán)境。因此，該算法不適合用于在線實(shí)時(shí)應(yīng)用。3、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在生物功能啟示下建立起來的一種計(jì)算方法。最初是由于Hopfield網(wǎng)絡(luò)引入了“能量函數(shù)”的概念，即在達(dá)成穩(wěn)定期網(wǎng)絡(luò)的能量最小，因此可運(yùn)用該網(wǎng)絡(luò)特殊的非線性動態(tài)結(jié)構(gòu)來解決優(yōu)化之類的問題。Glmore給出了一種運(yùn)用Hopfield網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行航跡規(guī)劃的方法。先將數(shù)字地圖地形信息映射到一個(gè)Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上，然后基于各種約束條件構(gòu)造一個(gè)合適的能