专利名称：无控制点地区地形图低空测图技术和设备的制作方法
技术领域：
本发明属于航空摄影测量测绘地形图工作领域。
背景技术：
大地震发生后，影响交通生命线畅通的主要灾害形式是滑坡，泥石流掩埋道路。道 路抢通施工进度测算的重要基本数据之一是土方量。通过地震前后两个DEM数据运算可以 获得土方量值，但是在地震刚刚发生后的灾区，是没有震后DEM数据(或地形图)可用的。 这种极大的灾难环境下，无人机云下低空遥感可以获得大比例尺的遥感图像，要想按照通 常的流程在地面测量控制点是不可能的。摄影测量技术中一个基本要求是地面控制点的测 量数据，因此仅有图像没有地面控制点是不能绘出地形图的。在很多灾害与灾难条件下，需 要地形图但是却不能获得地面控制点参数。如2008年5. 12地震后拍摄的无人机图像只是 根据相对航高有一个平均比例尺，通过拼接后可以作为地震灾害和环境变化解译使用，无 法提供抢险救灾指挥抢通的决策需要的清除土石方量的基本数据。 目前现有摄影测量技术的测图工作需要现场布设控制点，即现场量测控制点地理 坐标，运用到后期工作站测图中的空中三角测量加密及测图环节，也就是说，灾后遭到破坏 的地形无法获得控制点信息，也就无法取得震后地形。
发明内容
鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是研究一种基于相机与激光测距仪组合
平台的低空测图技术，使之克服现有技术的以上缺点。 本发明的目的是通过如下的手段实现的。 无控制点地区地形图低空测图技术，采用相机与激光测距仪组合的传感器刚性平 台及计算单元快速获得无控制点地区的地形图，其工作步骤包括 (1)、至少三个激光测距仪安装在垂直于航向的平面上并限制指向地面被摄影区， 各激光测距仪指向相机摄影区域的不同方向，低空飞行平台移动至确定的勘察区域完成成 像作业；一次成像完成后，经一个微小延时当某一个激光测距仪运动到相机成像的位置即 该激光测距仪的激光射线与相机成像时对应的一条射线重合时，该激光测距仪完成一次测 距； (2)、将(1)得到的图像里某象元代表的地面瞬时视场与成像中心的距离会同此 时成像光学中心的位置参数、相机姿态参数输入计算单元，解算指定象元代表的地面面元 所在位置的三维空间值； (3)、重复执行(1)和(2)操作得到勘察区域特定控制点的三维空间值集。
本发明的目的还在于，为以上技术的实施提供有效的设备。所述搭载在低空飞行 平台上的传感器平台由一台相机与至少三个激光测距仪组成，各激光测距仪的激光束与相 机成像射线束里一条确定的射线平行；通过飞行器的移动，实现各激光测距仪测距时的激 光束与相机成像射线束里一条确定的射线重合；激光测距仪分散排列，其激光束与相机焦
3点所在的水平面形成的各交点与相机焦点F共直线L。 采用本发明的技术，可在由于灾难或其它无法通过地面人工作业获取条地面控制 点参数的情况下，有效地获取地面控制点参数，完成地形图绘制。
图1、本发明采用传感器平台的侧视图。
图2、图1的俯视图。
图3、图2的K向视图。
具体实施例方式
结合图1图2和图3，依据无人机平台，将相机(2)与三个或以上(在本实施例中 为三个)激光测距仪集成在一个刚性平台(1)上，激光测距仪(11)、 (12)、 (13)安装在垂 直于航向的平面上并限制指向地面被摄影区，各个激光测距仪指向相机摄影区域的不同方 向，在本例中，激光测距仪ll)、 (12)和(13)分别指向平台航向方向的左下、垂直和右下方 向。每个激光测距仪的激光束与相机成像射线束里一条确定的射线平行。随着无人机的飞 行，相机对勘测目标完成成像；经一微小时间间隔(飞行器沿航向移动一段相当于相机镜 头光轴与某测距仪之间安装距离的用时)，该激光测距仪运动到相机成像的位置，该激光测 距仪的激光射线与相机成像时对应的一条射线重合时，该激光测距仪完成一次测距。由图 3可看到实施测距的激光束组合为一个扇面，该扇面垂直于飞行轴线。激光束与相机焦点 所在的水平面形成的交点与相机的焦点处在同一条直线(飞行轴线)L上，通过延时实现激 光射线与相机成像时对应的一条射线在空间位置上的重合。多条激光束射线与数字图像上 多个指定的象元一一对应。激光测距单元测出的距离，就是成像中心与该象元代表的地面 面元之间的距离。利用成像中心的位置参数和相机姿态参数再加上多个对应象元的测距结 果，可以解算那些指定象元代表的地面面元的三维空间值，这些点的值代替我们传统航测 外业工作中地面控制点的测量值。扇面排列的多个激光测距单元的同步测距值就对应于图 像上多个象元与地面面元的距离值，所测得到的距离与此时成像光学中心的位置参数、相 机姿态参数一并输入计算单元，解算指定象元代表的地面面元所在位置的三维空间值。随 着飞行平台的前进和航向、旁向大比例重叠的成像，完成了成像和空中测距方式确定地面 控制点的工作。这样就能快速完成无地面控制点测绘流程的震后地形图测绘。
前期准备设备阶段可以在光学仪器厂将常规相机与多个激光测距仪集成在一个 刚性平台上。多个激光测距单元形成一个或多个垂直于航向的扇面，各个激光测距仪之间 保持确定的间距，且每个激光测距仪的指向角与相机成像射线束里与航向垂直的平面里确 定的一条射线平行。当该激光测距仪运动到相机成像的位置时，激光测距单元的激光射线 与相机对应的一条射线重合。这条射线与数字图像的某一个指定的象元相对应。激光测 距单元测出的距离，就是成像中心与该象元代表的地面面元的距离。利用成像中心的位置 参数和成像时相机的姿态参数再加上多个对应象元的测距结果，可以解算那些指定象元代 表的地面面元的三维空间值，这些点的值代替我们通常地面控制点的测量值。扇面排列的 多个激光测距单元的同步测距值就对应于图像上多个象元与地面面元的距离值，进一步就 可以计算出被摄视场地面面元的地理坐标值。随着飞行平台的前进和航向大比例重叠的成像，完成了成像和空中测距确定地面控制点的工作。 激光测距仪的测距单元不能少于三个，垂直于航向扇面排列(分别指向机下和两 侧)。根据飞行平台的荷载能力，可以增加激光测距单元。每个测距单元间的光束夹角相 同。最外侧两个测距单元的夹角是组合式多点激光测距仪的视场角。这个角度小于相机成 像面垂直航向的视场角，避免控制点象元太靠近畸变较大的象幅边缘。 根据《摄影测量与遥感》相关规范，飞行时像片的航向重叠度一般应为60% 65%，个别最大不得大于75%，最小不得小于56% ;相邻航线的像片旁向重叠度一般应为 30 % 35 % ，个别最小不得小于13 % 。在本项发明中，由于是基于无人机平台，考虑到其不 稳定性，建议航向重叠率大于80%，旁向重叠率30%------50%。 相机与激光测距仪集成在满足上述光学要求的刚性平台上。平台的姿态与摄影相 机与组合式多点激光测距仪的姿态参数一致。正常飞行时的航线与机身轴线平行(或重 合)，当飞机有俯仰、偏航时，实施激光测距的空间位置与成像时的相机中心位置不同，导致 测距地面点与指定象元的地面点产生旋转和平移偏差。通过平台的三轴陀螺伺服系统可以 修正较小的旋转偏差，平移偏差。较大的旋转偏差，平移偏差可以根据飞机姿态参数和位置 参数修正。 根据相机与各激光测距仪之间的固定间距，利用精密时钟，将机载GPS数据的采 集时间、摄影成像的时间、激光测距的时间统一在同一个时间参照系，解决机载GPS数据采 样率低导致相机摄影空间位置误差较大的问题。同时统一参照系的精密时钟可以提高摄影 后激光测距延时的精度，保证测距地面点与指定象元的一致性。 根据激光测距仪测出的距离、成像时的姿态角、以及机载GPS测量的值，计算出各 激光测距仪相对应的象元的空间三维坐标，最后转换成地面地理坐标，用于测图工作。
权利要求
无控制点地区地形图低空测图技术，其特征在于，采用相机与激光测距仪组合为刚性结构的传感器平台及计算单元快速获得无控制点地区的地形图，其工作步骤包括(1)、至少三个激光测距仪安装在垂直于航向的平面上并限制指向地面被摄影区，各激光测距仪指向相机摄影区域的不同方向，低空飞行平台移动至确定的勘察区域完成成像作业；一次成像完成后，经一个微小延时当任意一个激光测距仪运动到相机成像的位置，即该激光测距仪的激光射线与相机成像时对应的一条射线重合时，各激光测距仪完成一次测距；(2)、将(1)得到的图像里某象元代表的地面瞬时视场与成像中心的距离会同此时该图像成像光学中心的位置参数、相机姿态参数输入计算单元，解算指定象元代表的地面面元所在位置的三维空间值；(3)、重复执行(1)和(2)操作得到勘察区域特定控制点的三维空间值数据集。
2. 实现根据权利要求1所述之无控制点地区地形图低空测图技术的设备，其特征在 于，所述搭载在低空飞行平台上的传感器平台由一台相机与至少三个激光测距仪组成，各 激光测距仪的激光束与相机成像射线束里一条确定的射线平行；激光测距仪分散排列，其 激光束与相机焦点所在的水平面形成的各交点与相机焦点F共直线L。
全文摘要
本发明公开了一种无控制点地区地形图低空测图技术和设备，至少三个激光测距仪安装在垂直于航向的平面上并限制指向地面被摄影区，一次成像完成后，经一个微小延时当任意一个激光测距仪运动到相机成像的位置即该激光测距仪的激光射线与相机成像时对应的一条射线重合时，各激光测距仪完成一次测距，得到成像中心到某象元代表的地面瞬时视场的距离。所测得到的距离会同此时成像光学中心的位置参数、相机姿态参数输入计算单元，解算指定象元代表的地面面元所在位置的三维空间值。本发明方法可在由于灾难或其它无法通过地面人工作业获取地面控制点参数的情况下，有效地获取地面控制点参数，完成地形图绘制。
文档编号G01S17/08GK101762269SQ201010106638
公开日2010年6月30日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者秦军 申请人:西南交通大学