基于ads40的機(jī)載三線陣數(shù)字航攝儀幾何檢校

基于ads40的機(jī)載三線陣數(shù)字航攝儀幾何檢校

1外來機(jī)機(jī)幾何檢校眾所周知，新的數(shù)字戰(zhàn)艦的導(dǎo)航儀已經(jīng)被廣泛使用。目前，廣泛應(yīng)用的數(shù)字航跡儀按成像模式分為兩類：框式數(shù)字航跡儀和線陣掃描航跡儀。前者以DMC和UCD為代表,后者以ADS40為代表?？蚍綌?shù)字航攝儀的工作方式和數(shù)據(jù)處理流程非常類似于傳統(tǒng)的模擬相機(jī),然而對于線陣掃描航攝儀,由于其截然不同的成像方式,必須采用特別的處理方法。航攝儀在使用一定年限后都需要重新檢校,是因為實際航飛過程中,氣壓、溫度、濕度等條件都會對相機(jī)性能有一定影響,另外還需考慮到機(jī)械元件的老化耗損,初始的內(nèi)定向參數(shù)必然與實際情況不符,即內(nèi)方位元素誤差,該部分的誤差會傳遞到后續(xù)的空三加密解算,造成不可預(yù)知的影響。因此,國外一些研究機(jī)構(gòu)建立航空相機(jī)檢校場,在相機(jī)幾何檢校方面做了很多卓有成效的工作,其中部分機(jī)構(gòu)甚至作為獨立的第三方對航攝儀進(jìn)行檢校。ADS40為三線陣掃描航攝儀,集成POS系統(tǒng),可以同時獲取前視后視下視三張照片,成像單元為線陣CCD,不同于框幅式數(shù)字航攝儀基于面陣CCD成像。ADS40相機(jī)檢校通常包含幾何檢校、輻射檢校和分辨率檢校,通常都借由一系列特殊儀器在實驗室中完成。幾何檢校對象包含相機(jī)鏡頭性能和CCD線陣的位置,檢校成果反映為相機(jī)文件,文件中記錄了各個CCD線陣上的每個像元在焦平面上的坐標(biāo)。ADS40的原始相機(jī)文件通過嚴(yán)密的實驗室檢校獲取,并通過航飛數(shù)據(jù)處理進(jìn)行驗證。該相機(jī)文件用于ADS40影像內(nèi)定向,是后續(xù)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)。本文介紹ADS40相機(jī)獨特的POS系統(tǒng)輔助傳感器幾何關(guān)系,以及相機(jī)誤差模型為BROWN模型的利用附加參數(shù)的自檢校法,提出ADS40檢校試驗方案,并利用武漢大學(xué)建立的嵩山攝影測量與遙感定標(biāo)與綜合試驗場的數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗,最后對試驗結(jié)果進(jìn)行分析,以證明相機(jī)幾何檢校的必要性和本文方法的可靠性。2數(shù)學(xué)模型2.1支持系統(tǒng)的傳感器幾何關(guān)系A(chǔ)DS40為三線陣掃描航攝儀,并集成有POS系統(tǒng)。由于其特殊的成像方式,以及POS系統(tǒng)給予的約束條件,其幾何關(guān)系遠(yuǎn)比框幅式相機(jī)復(fù)雜。2.1.1曝光中心內(nèi)插方法介紹攝影測量以共線方程為基礎(chǔ),通過該方程,實現(xiàn)像方坐標(biāo)和物方坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。ADS40影像是基于時序的影像,每條線陣是按照一定時間間隔依次曝光所得,曝光位置及姿態(tài)均有連續(xù)變化,即ADS40影像的每行像素?fù)碛袑?yīng)于各自的不同的外方位元素。為使用常規(guī)的空中三角測量技術(shù)處理ADS40影像,一般按等時間間隔取出曝光中心(定向片)作為基礎(chǔ),其他采用內(nèi)插方法。如圖1所示,地物點Pi對應(yīng)的像點所處線陣曝光位置為OFj,則該地物點的像方坐標(biāo)和物方坐標(biāo)具有下列函數(shù)關(guān)系(xij,yij)=F(Xi,Yi,Zi,Xj,Yj,Zj,ωj,φj,κj)(1)式中xij、yij為Pi的像方坐標(biāo);Xi、Yi、Zi為Pi的物方坐標(biāo);Xj、Yj、Zj、ωj、j、κj曝光位置為OFj的外方位元素。每張相片根據(jù)POS數(shù)據(jù)精度選取一個時間周期,從所有曝光位置(OF1,OF2,…,OFm,…,OFM)抽取出一個序列的曝光位置作為定向片,即(OF′1,OF′2,…,OF′n,…,OF′N),則OFj的外方位元素可以基于時間通過臨近的定向片OF′k和OF′k+1內(nèi)插出來。式中,Xk、Yk、Zk、ωk、φk、κk為基礎(chǔ)曝光中心OF′k的外方位元素;Xk+1、Yk+1、Zk+1、ωk+1、φk+1、κk+1為基礎(chǔ)曝光中心OF′k+1的外方位元素。綜合式(1)和式(2),地物點Pi的像方坐標(biāo)和物方坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系就變?yōu)?.1.2外方位元素轉(zhuǎn)換ADS40集成了POS系統(tǒng),由GPS記錄位置,IMU記錄姿態(tài)及位置變化?；赑OS系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù),通過差分、卡爾曼濾波、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、外方位元素內(nèi)插等進(jìn)行處理,獲得對應(yīng)于每個線陣的外方位元素。理想狀態(tài)下,基于POS系統(tǒng)獲得的外方位元素即為實際外方位元素,即GPS天線中心的坐標(biāo)即為曝光中心的坐標(biāo),IMU的姿態(tài)即為曝光中心的姿態(tài)如下式所示由于地面坐標(biāo)系統(tǒng)與POS數(shù)據(jù)采用的坐標(biāo)系統(tǒng)有可能不一致,以及存在GPS天線偏心分量、GPS時間漂移、IMU視準(zhǔn)軸誤差等,如圖2所示,需要對POS系統(tǒng)獲得的外方位元素進(jìn)行改正,以獲得實際外方位元素。對應(yīng)于時刻ti,POS系統(tǒng)提供的外方位元素與實際曝光中心的外方位元素存在下列轉(zhuǎn)換關(guān)系式中,X0、Y0、Z0、λ、R為地面坐標(biāo)系與POS坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù);XAPC、YAPC、ZAPC為天線中心和曝光中心的距離;ax、ay、az、bx、by、bz為GPS漂移參數(shù);ωMIS、MIS、κMIS為IMU視準(zhǔn)軸誤差。2.2使用額外參數(shù)的自我校正方法利用附加參數(shù)的自檢校法是相機(jī)幾何檢校的一個重要方法,它指的是:提出一個相機(jī)誤差模型,在區(qū)域網(wǎng)平差的同時解求該誤差模型的附加參數(shù)。2.2.1基于頻域的成像模型ADS40為三線陣掃描成像航攝儀,像平面共有10條CCD線陣,垂直于飛行方向平行排列,可以同時獲取多個視角不同波段影像,如圖3所示。每條CCD線陣包含12000個像元,每個像元尺寸為6.5μm,其相機(jī)文件記錄的是所有像元投影在距焦點62.7mm處的焦平面上的坐標(biāo)。ADS40內(nèi)定向基于其相機(jī)文件,不同于傳統(tǒng)框幅式相機(jī)基于主距、像主點坐標(biāo)和鏡頭畸變參數(shù)等進(jìn)行內(nèi)定向,但作為單鏡頭光學(xué)相機(jī),其成像原理與框幅式相機(jī)沒有區(qū)別。多種相機(jī)誤差模型均適用于對ADS40相機(jī)的幾何檢校,BROWN模型為其中較為著名的相機(jī)誤差模型,該模型最初為大幅面模擬相機(jī)設(shè)計,其有效性和可靠性已經(jīng)在長期實踐中被證實,該模型已被采用于ADS40相機(jī)幾何檢校中,表現(xiàn)穩(wěn)健可靠。BROWN模型的具體函數(shù)表達(dá)形式如下所示模型中共有21個參數(shù),可以分為六組:c表示主距(為負(fù)值);x0和y0表示像主點坐標(biāo);a1、a2和a3表示徑向畸變參數(shù);b1和b2表示仿射變換參數(shù);c1、c2和c3表示壓平參數(shù);d1、d2,…,d10表示膠片變形以及非徑向畸變差參數(shù),其中壓平參數(shù)不適用于ADS40。在空三解算過程中,選取部分參數(shù)作為未知數(shù)參與平差,通過改正值對ADS40相機(jī)文件進(jìn)行修正。2.2.2觀測值權(quán)矩陣附加參數(shù)一般很小,通常被作為帶權(quán)的觀測值參與平差。另外,控制點也作為帶權(quán)觀測值,再考慮到姿態(tài)模型等系統(tǒng)誤差改正,則平差基本數(shù)學(xué)模型為式中,VP、VC、VGPS、VIMU、VA分別表示像點坐標(biāo)、地面控制點、GPS觀測值、IMU觀測值以及自檢校參數(shù)改正數(shù)向量;xG為地面點坐標(biāo)未知數(shù)改正數(shù)向量;x為定向片外方位元素未知數(shù)改正數(shù)向量;xDis為GPS天線相位中心、傳感器投影中心空間位置偏移矢量未知數(shù)改正向量;xMis為IMU坐標(biāo)軸與傳感器坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)偏角未知數(shù)改正數(shù)向量;PP、PC、PGPS、PIMU、PA分別為相應(yīng)觀測值權(quán)矩陣;xA為像點坐標(biāo)系統(tǒng)誤差的自檢校參數(shù)向量;LP、LC、LGPS、LIMU、LA分別為相應(yīng)誤差方程常數(shù)項向量;EC、EA分別為單位矩陣;其余符號分別為誤差方程對應(yīng)未知數(shù)系數(shù)矩陣。3數(shù)據(jù)選擇方案ADS40相機(jī)幾何檢校需要考慮的三個問題:①是否有必要進(jìn)行相機(jī)幾何檢校;②如何進(jìn)行相機(jī)幾何檢校;③如何判斷相機(jī)幾何檢校結(jié)果是否有效可靠?；谏鲜鰡栴},檢校試驗分為三步:(1)選擇數(shù)據(jù)集A,對該數(shù)據(jù)進(jìn)行空三解算,在同樣控制點條件下對引入自檢校參數(shù)前后檢查點精度進(jìn)行對比,以判斷是否有必要進(jìn)行幾何檢校,以及確定需要檢校的相機(jī)參數(shù)。(2)選擇數(shù)據(jù)集B作為幾何檢校用數(shù)據(jù),對相機(jī)進(jìn)行幾何檢校,解算出內(nèi)方位元素的變化,并生成新的相機(jī)文件。(3)選擇數(shù)據(jù)集C作為驗證數(shù)據(jù),分別使用原始相機(jī)文件和新相機(jī)文件進(jìn)行相片內(nèi)定向,基于相同的控制點布設(shè)方案對各自獲得的相片分別進(jìn)行空三處理,對比其精度。數(shù)據(jù)集B的選擇,需要注意消除內(nèi)方位元素與外方位元素的相關(guān)性,因此本文設(shè)計兩套數(shù)據(jù)選擇方案:①位于同一航高的至少三條航線,包括一對方向相反的平行航線和一條構(gòu)架航線,以及高精度的地面控制點;②位于同一航高的一對方向相反的平行航線和相對高程為平行航線1.5倍的一條構(gòu)架航線。數(shù)據(jù)集C的選擇,則要考慮到普遍適用性,因此選擇不同時間不同航高的航飛數(shù)據(jù)。4初始應(yīng)對方案檢校對象為武漢大學(xué)測繪遙感重點實驗室于2007年購入的ADS40相機(jī),該相機(jī)鏡頭型號為SH40,編號為30053,原始相機(jī)文件的檢校證明為20070201提供。航飛區(qū)域為武漢大學(xué)建立的嵩山攝影測量與遙感定標(biāo)與綜合試驗場,該檢校場范圍為8km×8km,分級布設(shè)有大量控制點,間隔為300m、500m、800m,標(biāo)志大小分為0.4m×0.4m和1m×1m。2009年8月,進(jìn)行了多次航飛,獲得了大批數(shù)據(jù)。檢校試驗中使用軟件GPRO、ORIMA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。4.1地面控制點檢查點精度檢測為了評估自檢校模型對空三結(jié)果的影響以及選擇需要進(jìn)行檢校的參數(shù),所需試驗數(shù)據(jù)包括對航高600m的四條平行航線和兩條構(gòu)架航線以及37個水平高程精度均為1cm的地面控制點?；谠枷鄼C(jī)文件進(jìn)行空三處理,計算無控、5個控制點、9個控制點情況下檢查點精度?？杖^程中逐項添加自檢校模型參數(shù),以評估參數(shù)對精度的影響,并判斷需要進(jìn)行檢校的參數(shù)項。由上述圖表可知,檢查點精度有一定的方向性,當(dāng)引入BROWN模型參數(shù)中的仿射變換參數(shù)時,整體精度有了非常明顯的提升,進(jìn)一步引入膠片變形以及非徑向畸變差參數(shù),sigma值和高程精度有明顯提高,但是使得平面精度方向性明顯。后續(xù)的相機(jī)幾何檢校試驗中,不引入膠片變形以及非徑向畸變差參數(shù),僅對前四組參數(shù)進(jìn)行檢校。4.2引入兩大參數(shù)檢校參數(shù)為了得到有效的檢校后相機(jī)文件,基于不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行了兩組試驗。試驗一選用相對航高為600m的12條航線和4條構(gòu)架航線,選用部分地面控制點,同時引入相機(jī)檢校參數(shù):主距、像主點坐標(biāo)、徑向畸變參數(shù)、仿射變換參數(shù),對相機(jī)進(jìn)行幾何檢校,生成新的相機(jī)文件,編號為V002。試驗二選用相對航高為600m的2條平行航線和2條構(gòu)架航線,以及航攝區(qū)域相近的相對航高為1000m的2條平行航線和2條構(gòu)架航線,在無控條件下,同時引入相機(jī)檢校參數(shù):主距、像主點坐標(biāo)、徑向畸變參數(shù)、仿射變換參數(shù),對相機(jī)進(jìn)行幾何檢校,生成新的相機(jī)文件,編號為V003。對比兩組檢校后相機(jī)參數(shù),注意到兩者的仿射變換參數(shù)比較近似,而主距差異較大。4.3多機(jī)聯(lián)合控制空三精度對比有效可靠的檢校結(jié)果必須對不同數(shù)據(jù)都具有普遍適用性,因此選取兩組試驗數(shù)據(jù)對新檢校后相機(jī)文件進(jìn)行評估,包括有:相對航高為600m的六條平行航線以及對應(yīng)的55個地面控制點(數(shù)據(jù)集A),和相對航高為1000m的五條平行航線以及對應(yīng)的94個地面控制點(數(shù)據(jù)集B)。兩組數(shù)據(jù)分別基于三組相機(jī)文件進(jìn)行空三解算,并進(jìn)行數(shù)據(jù)精度對比。兩組數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)曝光中心和地面控制點位置如圖6所示。首先分別使用三組相機(jī)文件各自對ADS40影像進(jìn)行內(nèi)定向,然后在不同控制點布設(shè)情況下,進(jìn)行空三解算,將三者獲得的檢查點精度進(jìn)行對比。基于原始相機(jī)文件V001,數(shù)據(jù)集A在無控條件下,X方向均方根約為2.5個GSD,Y方向均方根約為5個GSD,高程方向均方根約為5個GSD,加入控制點后精度有所提高。值得注意的是,Y方向精度明顯比X方向差,高程精度最差。基于新相機(jī)文件V002,數(shù)據(jù)集A在無控條件下,三個方向的均方根基本上都是1個GSD,其中高程方向精度稍差,相對于原始相機(jī)文件的無控空三精度有非常明顯的提升,甚至超越前者加入控制點后的精度。加入控制點后,X方向均方根明顯降低至0.5個GSD,Y方向和高程方向均方根有一定降低?；谛孪鄼C(jī)文件V003,數(shù)據(jù)集A在無控條件下,X方向均方根約為0.3個GSD,Y方向均方根約為1個GSD,高程方向均方根約為3個GSD,較V001的精度有明顯提高,但不如V002的精度。加入控制點后,精度和V002相近。對于數(shù)據(jù)集B的試驗,同樣發(fā)現(xiàn),基于原始相機(jī)文件V001的空三精度結(jié)果較差,使用新相機(jī)文件V002和V003進(jìn)行內(nèi)定向后,空三精度有了非常明顯的提升,兩者的無控空三精度均超越了基于原始相機(jī)文件V001的結(jié)果,V002的精度優(yōu)于V003,但優(yōu)越性并不明顯。綜上所述,V002