無人機航空相機檢校技術研究

由于其成本低、重量輕、規模小、流動性好、隱形性好、適應性強、崗位風險設計等特點，無人機在現代戰爭中發揮著越來越大的軍事價值。這是同級武器裝備發展的亮點。世界上主要軍事力量正在大力發展人工智能技術。航空相機是無人機上主要的任務載荷之一,是無人機執行偵察任務時的主要偵察設備。因對相機拍攝圖像內容的觀測和提取的精度要求越來越高,所以對相機具有測量的功能的要求也越來越高,而在無人機上配備量測型相機還是不太現實的。目前,甚至在將來很長一段時間內,還是只能配備普通的相機,而普通相機要滿足測量相機的要求,測出目標的各種參數,就必須在目標周圍布設足夠可用的控制點,而對于執行軍事任務的無人機而言,這更是不現實的。另外,在利用相機所拍攝的圖像對目標進行定位時,相機的內方位元素和光學畸變系數是非常重要的已知參數。由于運輸和使用時的碰撞,以及傘降無人機在降落時震動過大,相機的內方位元素和光學畸變系數都易發生變化,對航空相機的定位產生重大影響,因而需要對相機進行及時和定期的檢校。因此,對無人機上機載的普通相機實施嚴格、及時的檢校成為一項必不可少的、重要的工作。1無人機航空相機的內容、方法和系統流程1.1調焦后總總變形系數f無人機航空相機,無論是光學航空相機還是數字航空相機,就其檢校的內容和方法,都可參照一般的相機。廣義上講,無人機航空相機檢校的內容主要包括以下幾個方面:(1)內方位元素即主點位置(X0,Y0)與主距(f)的測定;(2)光學畸變系數包括徑向畸變差和偏心畸變差的測定;(3)像框坐標系的設定;(4)調焦后主距變化的測定與設定;(5)調焦后畸變差變化的測定;(6)偏心常數EC的測定;(7)比例因子不一的測定;(8)成像分辨率的測定。由于無人機航空相機在執行攝影測量任務中,相機的主點、主距以及光學畸變對測量的精度影響最為明顯,所以無人機航空相機檢校是基于近景攝影測量原理,主要研究上述的第一項和第二項內容的檢校工作。1.2低空航空施工機檢校技術方案無人機航空相機按照功能作用可分為光學相機和數字相機;按照結構的不同可分為全景相機和畫幅相機。從目前來看,由于畫幅相機的光學系統相對比較簡單,因而相對而言檢校比較容易,物鏡的像差、畸變等都容易修正得很好,工藝水平很高,因此具有較高的照相精度。全景相機能將廣闊的地面一舉拍攝下來,其主要優點是拍攝寬度大。但由于它的光學系統相對比較復雜,影像變形大,分辨力不如畫幅相機高,因而檢校相對比較困難。所以,目前主要使用的都是畫幅相機。無人機航空相機按照執行任務的高度可分為高空航空相機和低空航空相機。高空航空相機的檢校方法,包括實驗室檢校法和試驗場檢校法,均已標準化成形多年,有專用的設備、作業流程和規范。但是到目前為止,基于近景攝影的低空航空相機的檢校并未標準化,其原因可能是這種相機的多樣化以及檢校內容和方法的多樣化。出于僅求解內方位元素和光學畸變的目的,低空航空相機的檢校方法可分為光學實驗室檢校法、實驗場檢校法、作業檢校法、自檢校法和恒星檢校法五類。從技術上講,目前相機檢校可由以下四種技術方案實現:(1)基于空間后方交會的攝影機檢校。(2)基于直接線性變換的攝影機檢校。(3)解析鉛垂線法。(4)單站解析自檢校法。無人機航空相機檢校原則上可依照一般相機的檢校方法進行。在以上的技術方案中,基于空間后方交會檢校和基于直接線性變換檢校是較為實用的技術方案,它既可滿足較高精度要求,又可以多余檢查點檢驗檢校成果的質量。所以根據無人機航空相機自身的特點采用基于直接線性變換的實驗場檢校法。1.3控制場實驗方法無人機航空相機檢校系統流程原則上也可參照一般相機,如圖1所示:檢校流程具體說明如下:(1)建立控制場。直接線形變換檢校方法是借助實驗場中坐標己知的標志點進行檢校,建立控制場是基礎。根據建立的場所,無人機航空相機檢校控制場分為室內控制場和野外便攜式控制場兩種?？刂茍鲋幸蟛荚O一定數量的基本控制點和若干有特殊圖形的標志點,控制點和標志點須保證相當的穩定。(2)測定控制點及標志點坐標。通過一些建立高精度控制網的方法精密測定基本控制點的坐標,運用普通工程測量前方交會方法,精確測定標志點的物方空間坐標。(3)拍攝標志點像片。保證鎖定相機鏡頭于某一調焦距條件下,在控制場中不同位置,相機以不同旋轉角度拍攝標志點像片。(4)獲取標志點像平面坐標。將數字圖像傳輸到計算機中處理,獲得標志點像平面坐標。(5)DLT求解檢校參數值。利用獲得的標志點的物方空間坐標和像平面坐標,依據共線條件方程式,運用給定的DLT模型計算出相機的各檢校參數值。(6)實驗驗證檢校參數可靠性。通過實驗得出若干檢查點的物方空間坐標,通過與其標準的物方空間坐標值相比較來驗證各檢校參數結果的正確性和可靠性。2無人機航空相機測試的數學模型和精度要求2.1u3000xyz1yxj01c[c在分析無人機航空相機特點及其使用要求的前提下,這里使用直接線性變換作為檢校模型。直接線性變換(DirectLinearTransformation—DLT)是直接建立起坐標儀坐標與物空間坐標關系式的一種算法,計算中不需內方位元素數據(故相機無需設置框標),無需初始值,因而非常適用于非量測相機的檢校。相對控制是加強所建模型的內部強度的常用方法,針對適應無人機航空相機檢校的特殊要求,采用在控制場中加一根鉛垂線的控制方法。設鉛垂線上有兩個已知點(XI,YI,ZI)和(XJ,YJ,ZJ),則有:XI=XJ,YI=YJ,其帶像點坐標變形改正的參數方程為:V=ΜL+WCL=0}(1)V=ML+WCL=0}(1)法方程為: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從而可得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為加權矩陣,取P=E為單位矩陣;(x,y)、(xi,yi),(xj,yj)為像方坐標;(X,Y,Z)為物方坐標;VX、VY為多余觀測條件下x和y的改正數;k1為對稱畸變的待定系數;x0、y0為像主點在坐標儀坐標系中的坐標;r為內徑;li(i=1,2,…,11)是像片內外方位元素以及線形改化系統的函數;K為對應于式(1)的聯系數向量。在正確求解了11個未知系數的基礎上,并且量測了所有加密點的坐標儀坐標,就可解算空間坐標(X,Y,Z)。誤差方程式矩陣形式為: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法方程式為:NTNS+NTQ=0(5)從而有S=-(NTN)-1NTQ(6)2.2實際工作檢校目前無人機航空相機檢校中對光學畸變差的檢校還沒有統一的標準,這里參照航空攝影測量中專用量測相機的檢校精度給定,規范中規定專用量測相機的檢校誤差不應超過5μm。在實際工作中,則以實際情況和所能達到的最高精度完成檢校工作。內方位元素檢校精度要求方面,因對mx0,my0和mh產生影響的誤差源不只是內方位元素一個,所以對內方位元素測定精度要求估算式更嚴格,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)為像主點坐標中誤差,mf為主距中誤差,h為被測物體的深度。3無人機航空