本发明涉及测量与遥感技术，尤其涉及一种单镜头数字航测相机的单机检校方法及装置。
背景技术：
：随着科技的发展，非量测数码相机，尤其是单镜头数字航测相机，以其低廉的价格、灵巧、便携等特点在惯性测量单元(IMU，InertialMeasurementUint)/差分全球定位系统(DGPS，DifferentialGlobalPositioningSystem)辅助航空摄影测量中得到广大应用，但单镜头数字航测相机没有准确测定内方位元素的模块或不能提供这方面的数据，其包含的透镜组的排列没有进行严格的校正，往往有畸变差等光学缺陷存在，不能直接进行像位的解析计算。因此，在摄影测量时，为了保证非量测数码相机(摄影测设备)能够提供较高的量测精度，需要对非量测数码相机的各参数指标进行精度检校。单镜头数字航测相机参数是影像摄影测量成果精度的重要量，是影响成果精度的重要因素之一，单镜头数字航测相机参数检校质量的高低直接关系着能否满足测量精度的要求。在检校过程中，恢复每张影像光束的正确位置，即利用内方位元素恢复摄影中心与像片(影像)之间的相对几何关系，是摄影测量处理方法中的一个作业流程。而为了正确恢复摄影时的光束形状和位置，需要获取光学畸变系数。狭义上来说，检查和校正单镜头数字航测相机内方位元素和光学畸变系数的过程称之为单镜头数字航测相机的检校；广义上的单镜头数字航测相机检校涉及的内容比较广泛，在实际的应用领域中，可根据精度要求和目的不同来选择部分参数进行检校。在单镜头数字航测相机的检校中，加工和安装工艺、光学系统、电荷耦合元件(CCD，ChargeCoupledDevice)图像传感器等硬件是单镜头数字航测相机的主要误差来源。具体表现为CCD面阵引起的误差和镜头镜片组引起的误差，包括主点位置(x0，y0)的测定、主距(f)的测定、光学畸变系数的测定和CCD面阵内的变形系数的测定。其中，镜头镜片组引起的误差是由相机物镜系统设计不完美、加工不精确和装配不准确、发生机械形变而导致像点偏离其正确位置的误差，主要是指光学畸变差，即各种像差。像差由轴对称像差和非对称像差两大类组成，轴对称像差又称为径向畸变，包括球面像差、彗形像差、像散、像场弯曲等；非对称像差主要由因镜片组光心不共线造成的不对心像差(即偏心畸变)和因为镜片设计、制造以及摄像机组装不完美而造成的薄透镜畸变。非对称像差既包含径向畸变也包含切向畸变。目前，还没有一种有效的单镜头数字航测相机的单机检校方法，对单镜头数字航测相机的各参数指标进行精度检校。技术实现要素：有鉴于此，本发明实施例提供一种单镜头数字航测相机的单机检校方法及装置，能够对单镜头数字航测相机进行有效校验。第一方面，本发明实施例提供一种单镜头数字航测相机的单机检校方法，包括：构建室外的墙面检校场，在所述墙面检校场设置总数为第一阈值的控制点，所述控制点的标志均采用铝质材料，标志为直径为第二阈值的圆，拍摄距离为第三阈值，标志直径为6倍的地面采样间隔，采用丝网印刷技术将所述标志表面印成黑色，牢固附着于墙体上；初始化单镜头数字航测相机；利用初始化的单镜头数字航测相机，按照预先设置的拍摄策略，对构建的所述墙面检校场进行拍摄，得到检校场影像；利用所述检校场影像，获取检校参数。结合第一方面，在第一方面的第一种实施方式中，所述方法还包括：采用高精度全站仪测回法观测所述标志，采用多站分块观测和多点重叠过渡统一坐标系的方法，对观测后的所述标志进行整体平差处理。结合第一方面，在第一方面的第二种实施方式中，所述利用所述检校场影像，获取检校参数包括：所述检校参数为相机畸变参数，将所述检校场影像输入墨尔本大学的Australis软件，自动匹配控制点后采集所述检校场影像中的控制点中心坐标，形成两万个以上的有效观测量；以光束法平差计算得到包含实际焦距、内方位元素和畸变参数值的模型参数；利用预先设置的畸变纠正软件读取模型参数，对所述检校场影像进行畸变差改正，得到检校场改正影像；将所述检校场改正影像导入到Australis软件，以光束法平差计算得到畸变改正后的模型参数，所述模型参数为相机畸变参数。结合第一方面的第二种实施方式，在第一方面的第三种实施方式中，所述以光束法平差计算得到包含实际焦距、内方位元素和畸变参数值的模型参数包括：获取CCD的4个角点像素所在的位置作为单镜头数字航测相机框标的位置，依据获取的框标位置构建单镜头数字航测相机的框标坐标系；利用预先设置的径向畸变多项式，获取框标坐标系下的像点坐标改正量；利用预先设置的偏心畸变公式，获取非线性偏心畸变；对所述像点坐标改正量以及非线性偏心畸变进行中心投影处理，得到像平面坐标偏差；利用所述像点坐标改正量、非线性偏心畸变以及像平面坐标偏差计算误差改正；利用所述像点坐标改正量、非线性偏心畸变、像平面坐标偏差以及误差改正计算旋转矩阵；对所述旋转矩阵进行线性化，得到包含模型参数的误差方程。结合第一方面，在第一方面的第四种实施方式中，所述方法还包括：对每次检校的所述畸变改正后的模型参数进行验证。第二方面，本发明实施例提供一种单镜头数字航测相机的单机检校装置，包括：墙面检校场构建模块、相机初始化模块、检校场影像获取模块以及检校参数获取模块，其中，墙面检校场构建模块，用于构建室外的墙面检校场，在所述墙面检校场设置总数为第一阈值的控制点，所述控制点的标志均采用铝质材料，标志为直径为第二阈值的圆，拍摄距离为第三阈值，标志直径为6倍的地面采样间隔，采用丝网印刷技术将所述标志表面印成黑色，牢固附着于墙体上；相机初始化模块，用于初始化单镜头数字航测相机；检校场影像获取模块，用于利用初始化的单镜头数字航测相机，按照预先设置的拍摄策略，对构建的所述墙面检校场进行拍摄，得到检校场影像；检校参数获取模块，用于利用所述检校场影像，获取检校参数。结合第二方面，在第二方面的第一种实施方式中，所述墙面检校场构建模块还用于采用高精度全站仪测回法观测所述标志，采用多站分块观测和多点重叠过渡统一坐标系的装置，对观测后的所述标志进行整体平差处理。结合第二方面，在第二方面的第二种实施方式中，所述检校参数获取模块包括：匹配单元、模型参数计算单元、检校改正单元以及畸变改正单元，其中，匹配单元，用于将所述检校场影像输入墨尔本大学的Australis软件，自动匹配控制点后采集所述检校场影像中的控制点中心坐标，形成两万个以上的有效观测量，所述检校参数为相机畸变参数；模型参数计算单元，用于以光束法平差计算得到包含实际焦距、内方位元素和畸变参数值的模型参数；检校改正单元，用于利用预先设置的畸变纠正软件读取模型参数，对所述检校场影像进行畸变差改正，得到检校场改正影像；畸变改正单元，用于将所述检校场改正影像导入到Australis软件，以光束法平差计算得到畸变改正后的模型参数，所述模型参数为相机畸变参数。结合第二方面的第二种实施方式，在第二方面的第三种实施方式中，所述模型参数计算单元包括：框标坐标系获取子单元、改正量获取子单元、偏心畸变获取子单元、坐标偏差获取子单元、误差改正子单元、旋转矩阵获取子单元以及误差方程子单元，其中，框标坐标系获取子单元，用于获取CCD的4个角点像素所在的位置作为单镜头数字航测相机框标的位置，依据获取的框标位置构建单镜头数字航测相机的框标坐标系；改正量获取子单元，用于利用预先设置的径向畸变多项式，获取框标坐标系下的像点坐标改正量；偏心畸变获取子单元，用于利用预先设置的偏心畸变公式，获取非线性偏心畸变；坐标偏差获取子单元，用于对所述像点坐标改正量以及非线性偏心畸变进行中心投影处理，得到像平面坐标偏差；误差改正子单元，用于利用所述像点坐标改正量、非线性偏心畸变以及像平面坐标偏差计算误差改正；旋转矩阵获取子单元，用于利用所述像点坐标改正量、非线性偏心畸变、像平面坐标偏差以及误差改正计算旋转矩阵；误差方程子单元，用于对所述旋转矩阵进行线性化，得到包含模型参数的误差方程。结合第二方面，在第二方面的第四种实施方式中，所述检校参数获取模块还用于利用所述检校场影像，获取检校参数。本发明实施例提供的一种单镜头数字航测相机的单机检校方法及装置，构建室外的墙面检校场，在所述墙面检校场设置总数为第一阈值的控制点，所述控制点的标志均采用铝质材料，标志为直径为第二阈值的圆，拍摄距离为第三阈值，标志直径为6倍的地面采样间隔，采用丝网印刷技术将所述标志表面印成黑色，牢固附着于墙体上；初始化单镜头数字航测相机；利用初始化的单镜头数字航测相机，按照预先设置的拍摄策略，对构建的所述墙面检校场进行拍摄，得到检校场影像；利用所述检校场影像，获取检校参数。这样，能够对单镜头数字航测相机进行有效校验，提升检校精度。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为本发明的实施例一单镜头数字航测相机的单机检校方法流程示意图；图2为本发明的实施例二单镜头数字航测相机的单机检校装置结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。图1为本发明的实施例一单镜头数字航测相机的单机检校方法流程示意图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：步骤101，构建室外的墙面检校场，在所述墙面检校场设置总数为第一阈值的控制点，所述控制点的标志均采用铝质材料，标志为直径为第二阈值的圆，拍摄距离为第三阈值，标志直径为6倍的地面采样间隔，采用丝网印刷技术将所述标志表面印成黑色，牢固附着于墙体上；本实施例中，作为一可选实施例，第一阈值为750，第二阈值为6cm，第三阈值为50m。本实施例中，作为一可选实施例，该方法还包括：在所述控制点的标志的中心粘贴反光片，以便于观测。本实施例中，作为另一可选实施例，该方法还包括：采用高精度全站仪测回法观测所述标志，采用多站分块观测和多点重叠过渡统一坐标系的方法，对观测后的所述标志进行整体平差处理。本实施例中，可以根据控制场观测条件和精度要求，所有标志点采用高精度全站仪测回法观测，采用多站分块观测和多点重叠过渡统一坐标系的方法，观测后整体平差，可以使墙面检校场整体精度明显提高。例如，点位精度优于3mm，整体标定精度达到四分之一像元，优于2μm，可以满足相机检测的要求。步骤102，初始化单镜头数字航测相机；本实施例中，初始化单镜头数字航测相机包括：镜头自动对焦关闭、自动旋转关闭、焦距调至无穷远影像清晰。步骤103，利用初始化的单镜头数字航测相机，按照预先设置的拍摄策略，对构建的所述墙面检校场进行拍摄，得到检校场影像；本实施例中，作为一可选实施例，预先设置的拍摄策略可以是从墙面检校场的预定位置，和/或，预定摄影角度进行拍摄，例如，拍摄72张不同位置且多个摄影角度的墙面检校场，得到检校场影像。步骤104，利用所述检校场影像，获取检校参数。本实施例中，利用所述检校场影像，获取检校参数包括：A11，所述检校参数为相机畸变参数，将所述检校场影像输入墨尔本大学的Australis软件，自动匹配控制点后采集所述检校场影像中的控制点中心坐标，形成两万个以上的有效观测量；本实施例中，控制点自动匹配由Australis软件自动完成，控制点坐标由全站仪实测得到。A12，以光束法平差计算得到包含实际焦距、内方位元素和畸变参数值的模型参数；本实施例中，利用Australis软件生成模型参数。本实施例中，作为一可选实施例，以光束法平差计算得到包含实际焦距、内方位元素和畸变参数值的模型参数包括：B11，获取CCD的4个角点像素所在的位置作为单镜头数字航测相机框标的位置，依据获取的框标位置构建单镜头数字航测相机的框标坐标系；本实施例中，由于单镜头数字航测相机不存在物理上的框标，而是将CCD的4个角点像素所在的位置作为单镜头数字航测相机框标的位置，并由此构成框标坐标系。B12，利用预先设置的径向畸变多项式，获取框标坐标系下的像点坐标改正量；本实施例中，径向畸变是与光轴对称的畸变，有枕形和梯形畸变，精确定心的镜头的畸变可表示为一个奇次多项式：Δr＝k1r3+k2r5+k3r7+...式(1)式中，Δr为像点坐标改正量；k1，k2，k3...为径向畸变系数；r为像点的径向距离。其中，式中，(x0，y0)为主点的像平面坐标。像点坐标改正量包括：像点横坐标改正量以及像点纵坐标改正量，其中，利用下式计算像点横坐标改正量以及像点纵坐标改正量：式中，Δxr为像点横坐标改正量；Δyr为像点纵坐标改正量。B13，利用预先设置的偏心畸变公式，获取非线性偏心畸变；本实施例中，偏心畸变是在镜头组装过程中由于没能精确对心而引起的微小非线性畸变，利用下式计算非线性偏心畸变：式中，p1、p2为偏心畸变系数；Δxd为非线性偏心横畸变；Δyd为非线性偏心纵畸变。B14，对所述像点坐标改正量以及非线性偏心畸变进行中心投影处理，得到像平面坐标偏差；本实施例中，中心投影的共线方程式为：式中，为像平面坐标偏差；Xs、Ys、Zs为摄站点的物方空间坐标；X、Y、Z为物方点的物方空间坐标。B15，利用所述像点坐标改正量、非线性偏心畸变以及像平面坐标偏差计算误差改正；本实施例中，利用下式计算误差改正：进行变换后，得到：式中，Δx、Δy为误差改正；Δf为相机主距的改正量；Δxf为相机主距的改正量的横坐标分量，即相机主距的改正量Δf通过共线方程转换改正得到的x轴方向的分量。B16，利用所述像点坐标改正量、非线性偏心畸变、像平面坐标偏差以及误差改正计算旋转矩阵；本实施例中，联立式(4)-式(6)，可以得到：式中，X‾Y‾Z‾RTX-X-Y-Y‾Z-Z‾,]]>R为旋转矩阵；(x，y)是像点坐标；(X，Y，z)为相应点地面坐标，相应点是指地面上一点在物方坐标系下坐标为(X，Y，Z)，其在影像上的平面坐标系下为(x，y)。为影像的六个外方位元素，其中，ω为侧滚角；为俯仰角；κ为航偏角，以度为单位。(x0，y0，f)为相机的内方位元素。其中，B17，对所述旋转矩阵进行线性化，得到包含模型参数的误差方程。本实施例中，根据预先设置的方法对旋转矩阵，即式(9)线性化，即可列出光束法平差中像点坐标观测值的误差方程：V＝AXE+BXI+CXAD+L式(10)式中，A、B和C为系数矩阵；L为常数；XE为影像的外方位元素改正向量；XI为影像的内方位元素改正向量；XAD为包含光学畸变改正项的附加参数改正向量。本实施例中，通过检校场的数字影像，用其中控制点的坐标和相应像点坐标建立误差方程，由误差方程解算出相应的模型参数。在表1中，xp和yp为主点位置坐标(x0，y0)，即主点的像平面坐标B1，B2为式8中A13，利用预先设置的畸变纠正软件读取模型参数，对所述检校场影像进行畸变差改正，得到检校场改正影像；本实施例中，利用Australis软件生成的模型参数可直接输入畸变纠正软件，得到无畸变影像，即检校场改正影像，以用于检验精度。A14，将所述检校场改正影像导入到Australis软件，以光束法平差计算得到畸变改正后的模型参数，所述模型参数为相机畸变参数。本实施例中，利用单镜头数字航测相机的单机检校方法进行单相机检校后，其主点坐标改正接近于零，各项畸变参数数值也都有显著下降甚至接近于零。如表1所示。表1本实施例中，通过畸变改正后的模型参数即可检验单机检测的可靠性并得到畸变改正后的信息。为了保证检校参数准确可靠，该方法还包括：对每次检校的所述畸变改正后的模型参数进行验证。本实施例中，对每次检校的参数进行验证。有两种方法可以验证参数准确性，一种方法是多次检校比较法，即多次检校同一相机，并将每次检校的参数比较，如果各次测定的参数非常接近，则说明检校参数合格；另一种方法是畸变改正前后的参数比较法，此方法是通过对同一相机同次拍摄影像重采样(畸变改正)前后计算所得参数比较来验证检校参数的准确性。本实施例为民用相机用于航空遥感提供了新方法、新思路，通过对相机的有效加固和精密检校有效保障航拍影像的几何精度，为后期4D产品的制作提供保障，能够对单镜头数字航测相机进行有效校验，提升检校精度。图2为本发明的实施例二单镜头数字航测相机的单机检校结构示意图，如图2所示，本实施例的装置可以包括：墙面检校场构建模块21、相机初始化模块22、检校场影像获取模块23以及检校参数获取模块24，其中，墙面检校场构建模块21与相机初始化模块22相连，相机初始化模块22与检校场影像获取模块23相连，以及，检校场影像获取模块23与检校参数获取模块24相连。墙面检校场构建模块21，用于构建室外的墙面检校场，在所述墙面检校场设置总数为第一阈值的控制点，所述控制点的标志均采用铝质材料，标志为直径为第二阈值的圆，拍摄距离为第三阈值，标志直径为6倍的地面采样间隔，采用丝网印刷技术将所述标志表面印成黑色，牢固附着于墙体上；本实施例中，作为一可选实施例，墙面检校场构建模块21还用于采用高精度全站仪测回法观测所述标志，采用多站分块观测和多点重叠过渡统一坐标系的装置，对观测后的所述标志进行整体平差处理。相机初始化模块22，用于初始化单镜头数字航测相机；检校场影像获取模块23，用于利用初始化的单镜头数字航测相机，按照预先设置的拍摄策略，对构建的所述墙面检校场进行拍摄，得到检校场影像；检校参数获取模块24，用于利用所述检校场影像，获取检校参数。本实施例中，作为一可选实施例，检校参数获取模块24包括：匹配单元、模型参数计算单元、检校改正单元以及畸变改正单元(图中未示出)，其中，匹配单元与模型参数计算单元相连，模型参数计算单元与检校改正单元相连，以及，检校改正单元与畸变改正单元相连。匹配单元，用于将所述检校场影像输入墨尔本大学的Australis软件，自动匹配控制点后采集所述检校场影像中的控制点中心坐标，形成两万个以上的有效观测量，所述检校参数为相机畸变参数；模型参数计算单元，用于以光束法平差计算得到包含实际焦距、内方位元素和畸变参数值的模型参数；本实施例中，作为一可选实施例，模型参数计算单元包括：框标坐标系获取子单元、改正量获取子单元、偏心畸变获取子单元、坐标偏差获取子单元、误差改正子单元、旋转矩阵获取子单元以及误差方程子单元，其中，框标坐标系获取子单元与改正量获取子单元相连，改正量获取子单元与偏心畸变获取子单元相连，偏心畸变获取子单元与坐标偏差获取子单元相连，坐标偏差获取子单元与误差改正子单元相连，误差改正子单元与旋转矩阵获取子单元相连，以及，旋转矩阵获取子单元与误差方程子单元相连。框标坐标系获取子单元，用于获取CCD的4个角点像素所在的位置作为单镜头数字航测相机框标的位置，依据获取的框标位置构建单镜头数字航测相机的框标坐标系；改正量获取子单元，用于利用预先设置的径向畸变多项式，获取框标坐标系下的像点坐标改正量；偏心畸变获取子单元，用于利用预先设置的偏心畸变公式，获取非线性偏心畸变；坐标偏差获取子单元，用于对所述像点坐标改正量以及非线性偏心畸变进行中心投影处理，得到像平面坐标偏差；误差改正子单元，用于利用所述像点坐标改正量、非线性偏心畸变以及像平面坐标偏差计算误差改正；旋转矩阵获取子单元，用于利用所述像点坐标改正量、非线性偏心畸变、像平面坐标偏差以及误差改正计算旋转矩阵；误差方程子单元，用于对所述旋转矩阵进行线性化，得到包含模型参数的误差方程。检校改正单元，用于利用预先设置的畸变纠正软件读取模型参数，对所述检校场影像进行畸变差改正，得到检校场改正影像；畸变改正单元，用于将所述检校场改正影像导入到Australis软件，以光束法平差计算得到畸变改正后的模型参数，所述模型参数为相机畸变参数。本实施例中，作为一可选实施例，检校参数获取模块还用于利用所述检校场影像，获取检校参数。本实施例的装置，可以用于执行图1所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。当前第1页1 2 3