基于图像的行星近景摄影测量相机安装参数的测量方法与流程

本发明涉及一种数据处理方法，特别是一种基于图像的行星近景摄影测量相机安装参数的测量方法。
背景技术：
近景摄影测量是摄影测量的一个分支，是利用对300m以内近距离目标摄影所获取的图像来确定其形态、几何位置和大小的技术。在月球探测、火星探测等行星探测任务中，近景摄影测量相机是重要的科学载荷，包括我国嫦娥三号月球探测任务、美国火星探险漫游者(mer)、火星科学实验室(msl)等多个月球与火星探测任务均携带了全景相机、导航相机等近景摄影测量相机，我国即将实施的嫦娥五号和首次火星探测任务也将携带近景摄影测量相机。通过获取着陆区、巡视区周围场景的立体图像，基于摄影测量原理，可以恢复拍摄区域的地形，据此可开展行星表面地形地貌研究、地质构造解析、着陆器或巡视器定位、巡视探测路径规划等科学研究和工程应用。行星近景摄影测量相机一般安装在行星探测器上可转动的指向机构上(如巡视器桅杆)，利用摄影测量原理进行地形恢复的关键是获取每幅图像的外方位元素，具体涉及相机在指向机构上的安装参数(包括旋转矩阵和偏移矩阵)、相机指向机构的转动角度、指向机构在探测器上的安装参数、以及探测器在行星表面上的实时位置与姿态等参数。其中，相机指向机构的转动角度、探测器的位置与姿态将由行星上相关传感器测量并以遥测参数的形式返回地面，而相机与指向机构的安装参数是相对固定的常数，必须在任务开始前对安装参数进行精确测量，确保图像外方位元素的解算精度及行星表面地形的恢复精度。安装参数测量的主要目的是建立相机坐标系和行星探测器坐标系之间的转换关系，通常需要借助光学立方镜(基准镜)实现相关坐标系过渡。传统的安装参数测量方法需要利用高精度经纬仪等仪器设备对基准镜进行自准直，建立传递坐标系，实现各坐标之间的转换。然而，由于坐标系的概念比较抽象，基准镜自准直过程中随机误差较大，极大的影响了参数测量效率和精度。技术实现要素：(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于图像的行星近景摄影测量相机安装参数的测量方法。本发明能够对行星近景摄影测量相机的安装参数进行高精度测量，可操作性强，理论严密，并且显著提高测量效率。(二)技术方案根据本发明的一个方面，提供了一种基于图像的行星近景摄影测量相机安装参数的测量方法，包括以下步骤：步骤1，建立行星近景摄影测量相机安装参数测量涉及的坐标系；步骤2，确定安装参数类型；步骤3，搭建安装参数的测量环境；步骤4，获取解算安装参数所需的观测数据；步骤5，解算行星近景摄影测量相机的安装参数。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明至少具有以下有益效果：能够对行星近景摄影测量相机的安装参数进行高精度测量，可操作性强，理论严密，并且显著提高测量效率。附图说明图1为本发明实施例行星近景摄影测量相机安装参数的测量方法的流程图。图2为本发明实施例嫦娥五号着陆器本体坐标系示意图。图3为本发明实施例近景摄影测量相机摄测坐标系示意图。图4a和图4b为本发明实施例嫦娥五号全景相机安装参数测量观测场景示意图。【主要部件】1-第一标记点；2-第二标记点；3-第三标记点。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。在本发明的示例性实施例中，提供了一种基于图像的行星近景摄影测量相机安装参数的测量方法。图1为本发明实施例行星近景摄影测量相机安装参数的测量方法的流程图。如图1所示，本发明的测量方法包括以下步骤：步骤1，建立行星近景摄影测量相机安装参数测量涉及的坐标系；步骤2，确定安装参数类型；步骤3，搭建安装参数的测量环境；步骤4，获取解算安装参数所需的观测数据；步骤5，解算行星近景摄影测量相机的安装参数。在步骤1中，涉及的坐标系包括行星探测器本体坐标系、行星探测器基准镜坐标系、相机指向机构基准镜坐标系、相机指向机构偏航零位坐标系、相机指向机构俯仰零位坐标系、左、右相机摄测坐标系等与相机安装参数测量相关的坐标系。进一步地，相机指向机构偏航零位坐标系与相机指向机构俯仰零位坐标系应保证其中一个坐标轴指向重合，另外两个坐标轴指向相互平行。在步骤2中，安装参数类型包括两坐标系之间的偏移矩阵和旋转矩阵，其中，偏移矩阵为两坐标系原点的偏移量，旋转矩阵由一坐标系各轴指向相对于另一坐标系各轴指向的方向余弦构成。特殊的，如存在两坐标系原点重合的情况，则所述的安装参数仅包含旋转矩阵。在步骤3中，安装参数的测量环境通过以下方式搭建：在观测场地中安置行星近景摄影测量相机、全站仪等仪器设备；在行星近景摄影测量相机前方布设若干标志牌；在相机指向机构的关节部位布设标志点。在步骤4中，解算安装参数所需的观测数据通过以下方式获取：按照预先设定的步进，控制相机指向机构进行偏航、俯仰方向的转动，利用全站仪等设备测量转动前、后指向机构关节标志点的三维坐标；利用行星近景摄影测量相机拍摄相机指向机构转动到规定方向后的地面标志牌；利用全站仪等设备分别从两个相互垂直的方向对行星探测器基准镜、相机指向机构基准镜进行自准直；完成每个方向自准直观测后，利用全站仪等设备测量地面标志牌的坐标。在步骤5中，安装参数的解算方法包括：利用行星近景摄影测量相机拍摄的立体像对，解算左、右相机拍摄的图像的外方位元素，构建相机摄测坐标系；利用相机指向机构的关节标志点的三维坐标，拟合相机指向机构偏航轴、俯仰轴的空间指向，解算两轴公垂线，构建相机指向机构偏航零位坐标系和相机指向机构俯仰零位坐标系；根据基准镜自准直方向的观测结果，构建行星探测器基准镜坐标系和相机指向机构基准镜坐标系，并解算坐标系之间的偏移矩阵和旋转矩阵。进一步地，解算左、右相机拍摄的图像的外方位元素时，采用摄影测量空间后方交会的方法。拟合相机指向机构偏航轴、俯仰轴的空间指向时，采用基于标志点三维坐标序列应位于同一个圆上的最小二乘拟合方法。行星探测器基准镜坐标系和相机指向机构基准镜坐标系之间的转换基于七参数转换原理，所需控制点坐标为地面标志牌的观测坐标。实施例：本发明适用于对月球探测器近景摄影测量相机的安装参数测量，为了描述的方便，本发明以嫦娥五号任务全景相机为例对安装参数的测量方法进行具体阐述。首先介绍一下嫦娥五号任务及全景相机的组成和工作原理。我国探月工程三期嫦娥五号任务(ce-5)将实施月球采样并返回地球，其科学目标包括采样区现场就位探测和月球样品的分析研究。其中，采样区现场就位探测包括采样区月表形貌和地质构造调查等内容，为月壤取样对象选取提供依据，并建立现场探测数据与实验室分析数据的联系。ce-5着陆器上搭载了全景相机，由安装在相机指向机构上的两台相机组成。月面工作过程中，相机指向机构带动全景相机进行俯仰和偏航运动，左、右全景相机获取的图像构成一个立体像对，利用摄影测量原理，可恢复采样区地形，可实现采样过程图像信息支持、采样区地形地貌研究、地质构造解析等科学研究。本发明中，安装参数是指建立全景相机坐标系和嫦娥五号着陆器本体坐标系之间的转换关系，进而求解每幅全景相机图像的外方位元素，恢复采样区地形所需的相关参数，该参数应在任务开始前进行精确测量。如图1所示，本发明用于行星近景摄影测量相机安装参数的测量方法包含以下步骤：步骤1，建立行星近景摄影测量相机安装参数测量涉及的坐标系。对于嫦娥五号全景相机安装参数的测量，所涉及的坐标系主要包括：ce-5着陆器本体坐标系(如图2所示)、着陆器基准镜坐标系、相机指向机构基准镜坐标系、相机指向机构偏航零位坐标系、相机指向机构俯仰零位坐标系、左、右全景相机摄测坐标系(如图3所示)等六种坐标系。其定义分别如表1～表6所示。表1ce-5着陆器本体坐标系定义表2着陆器基准镜坐标系定义表3相机指向机构基准镜坐标系定义表4相机指向机构偏航零位坐标系定义表5相机指向机构俯仰零位坐标系定义表6全景相机摄测坐标系定义优选地，为了保证安装参数测量方法的可操作性强，相机指向机构偏航零位坐标系、相机指向机构俯仰零位坐标系设计为其中一个轴系重合(y轴)，另外两个轴系相互平行的形式，参见表4、表5。步骤2，确定安装参数类型。针对步骤1建立的坐标系，安装参数类型包括：右全景相机摄测坐标系相对于左全景相机摄测坐标系的偏移矩阵和旋转矩阵；左全景相机摄测坐标系相对于相机指向机构俯仰零位坐标系的偏移矩阵和旋转矩阵；相机指向机构俯仰零位坐标系相对于相机指向机构偏航零位坐标系的偏移矩阵和旋转矩阵；相机指向机构偏航零位坐标系相对于相机指向机构基准镜坐标系的偏移矩阵和旋转矩阵；相机指向机构基准镜坐标系相对于着陆器基准镜坐标系的偏移矩阵和旋转矩阵；着陆器基准镜坐标系相对于着陆器本体坐标系的偏移矩阵和旋转矩阵。步骤3，搭建安装参数的测量环境。如图4a和图4b所示，安装参数的测量环境通过以下方式搭建：在试验场地中安置ce-5全景相机和全站仪；进行全站仪设站并建立观测坐标系；在全景相机前方布设25个标志牌(如图4a所示)；全景相机及相机指向机构上粘贴3个十字丝标记点，作为标志点，其中第一标记点1为相机指向机构俯仰方向的关节标志点，第二标记点2和第三标记点3均为相机指向机构偏航方向的关节标志点(如图4b所示)。步骤4，获取解算安装参数所需的观测数据。解算安装参数所需的观测数据通过以下方式获取：步骤4.1，在相机指向机构偏航角为0°的情况下控制俯仰机构按步进5°由俯仰角0°旋转至俯仰角-90°，利用全站仪观测第一标记点1的坐标位置，共获取19组观测值，见表7所示。表7第一标记点1的坐标位置观测值列表标记点观测号x(m)y(m)z(m)1001501.7879500.0947501.35511002501.7881500.0941501.34731003501.7879500.0925501.33971004501.7887500.0904501.33211005501.7876500.0876501.32491006501.7879500.0843501.31781007501.7882500.0803501.31121008501.7885500.0758501.30491009501.7889500.0707501.29881010501.7887500.065501.29331011501.7898500.0592501.28851012501.7903500.0525501.2841013501.7897500.0462501.28051014501.791500.0395501.27751015501.791500.0321501.27491016501.7919500.0247501.27281017501.7924500.0171501.27151018501.7932500.0092501.2711019501.7935500.0015501.271相机指向机构每次转动到位后，全景相机对地面的标志牌进行拍图，共获取19对全景相机图像。步骤4.2，在指向机构俯仰角为0°的情况下控制偏航机构按步进5°由偏航角80°旋转至偏航角-20°，利用全站仪观测第二标记点2的坐标位置，共获取21组观测值，见表8所示。表8第二标记点2的坐标位置观测值列表标记点观测号x(m)y(m)z(m)2001501.9727500.1017501.32192002501.9574500.1032501.32192003501.9414500.103501.3222004501.9256500.1017501.32212005501.9105500.099501.32242006501.8955500.0949501.32262007501.8807500.0895501.32292008501.8662500.0829501.32322009501.8526500.075501.32352010501.8399500.066501.32392011501.8285500.056501.32422012501.8183500.0459501.32472013501.8087500.0342501.32512014501.7992500.0215501.32552015501.7921500.008501.32592016501.7863499.9938501.32642017501.7793499.9791501.3272018501.7754499.9639501.32752019501.7758499.9485501.32782020501.7788499.9326501.3282021501.7733499.9172501.3288保持相机指向机构俯仰角为0°，控制偏航机构按步进5°由偏航角90°旋转至偏航角-5°，利用全站仪观测第三标记点3的坐标位置，共获取20组观测值，见表9所示。表9第三标记点3的坐标位置观测值列表相机指向机构每次转动到位后，全景相机对地面的标志牌进行拍图，共获取41对全景相机图像。步骤4.3，利用全站仪观测地面的标志牌的坐标位置，共获取20组观测值，见表10所示。表10地面标志牌的坐标位置观测值列表标志牌序号x(m)y(m)z(m)1501.1591509.4953499.462501.1586503.7175499.58133502.2309510.9434499.43844502.1854503.8142499.58355501.6295503.7872499.58496501.79501.4719500.05027501.0005504.9357499.56278501.4505506.2992499.52959500.7354506.2266499.528910502.144509.4884499.478311501.7192502.0903499.900912501.1041510.8997499.430412500.1808509.3579499.46113502.0612502.0853499.902814501.5232504.9939499.563315502.1891505.0395499.569316500.4362507.7501499.501817501.2939507.8236499.50518502.2343506.265499.536919502.169502.8808499.592119502.2276507.8282499.509920499.9868510.8462499.417121501.2457502.7871499.59122501.736502.8525499.59423501.3853502.0671499.923501.1591509.4953499.4624501.1586503.7175499.581324502.2309510.9434499.438425502.1854503.8142499.5835步骤4.4，保持观测环境不变，利用全站仪对相机指向机构基准镜的一面进行自准直，记录自准直后全站仪的方位角和俯仰角读数，并观测基准镜平面内十字丝中心坐标。换站，利用全站仪对相机指向机构基准镜的另一垂直面进行自准直，记录自准直后全站仪的方位角和俯仰角读数，并观测基准镜平面内十字丝中心坐标。换站前、后分别利用全站仪观测至少5个标志牌的坐标位置，用于建立全站仪换站前后观测坐标系的转换关系。步骤4.5，按照步骤4.4的方法对着陆器基准镜进行自准直并观测标志牌的坐标位置。步骤5，解算行星近景摄影测量相机的安装参数。解算安装参数的方法包括：步骤5.1，构建左、右全景相机摄测坐标系。利用步骤4.1、4.2所拍摄的图像，以及步骤4.3所测量的标志牌的坐标位置，根据摄影测量空间后方交会原理，解算相机指向机构不同俯仰角、偏航角状态下左、右相机图像的外方位元素，包括投影中心位置(摄测坐标系原点)、相机在观测坐标系中的姿态，进而构建左、右相机摄测坐标系。步骤5.2，构建相机指向机构俯仰零位坐标系和相机指向机构偏航零位坐标系。首先，根据步骤4.1获取的俯仰方向标志点第一标记点1的观测坐标序列，解算俯仰轴的空间指向(记为vfyz)，具体方法为基于最小二乘法_拟合计算第一标记点1的观测坐标位置序列所构成的球面方程和平面方程，该球面与平面相交构成的圆曲线即为第一标记点1绕俯仰轴转动的轨迹，则过该圆圆心的圆平面法线即为指向机构俯仰轴的空间指向。记第一标记点1的观测坐标位置序列所构成的球面方程表达式为：(x-a)2+(y-b)2+(z-c)2＝r2展开可得：x2+y2+z2+a2+b2+c2-2ax-2by-2cz＝r2令a＝2a,b＝2b,c＝2c,d＝a2+b2+c2-r2，则有：ax+by+cz-d＝x2+y2+z2对于每一个第一标记点1的观测坐标位置，都能列出一个如上方程，因此，对于n个观测坐标位置所列的方程组可表达为如下矩阵形式：由此，可基于最小二乘原理解算a,b,c,d，进而解算球面球心位置和半径(a,b,c,r)。同时，记第一标记点1的观测坐标位置序列所构成的平面方程表达式为：a′x+b′y+c′z-1＝0同理，对于n个观测坐标位置所列的方程组可表达为如下矩阵形式：由此，可基于最小二乘原理解算(a′,b′,c′)，即解算平面的法向量。至此，所求圆平面的圆心即为球心到该平面的垂足，问题转化为求平面外一点到平面的垂线问题。圆平面的圆心坐标(a‘,b’,c’)及其半径r‘为：进一步，根据圆心坐标解算结果和第一标记点1任意两个位置的观测坐标，构建矢量v1和v2，则俯仰轴的空间指向为两矢量的叉积，即：vfy_z＝v1×v2其次，按照同样的方法，根据步骤4.2获取的相机指向机构偏航方位标志点第二标记点2和第三标记点3的观测坐标序列，解算偏航轴的空间指向(记为vph_x)。最后，解算相机指向机构俯仰轴和偏航轴的公垂线方向，作为相机指向机构俯仰零位坐标系和相机指向机构偏航零位坐标系的公共轴系(记为vph_y)，公垂线分别与俯仰轴、偏航轴的交点作为指向机构俯仰零位坐标系、偏航零位坐标系的原点，按右手系构建指向机构俯仰零位坐标系和偏航零位坐标系。vfy_y＝vph_y＝vfy_z×vph_xvph_z＝vph_x×vph_yvfy_x＝vfy_y×vfy_z步骤5.3，构建相机指向机构基准镜坐标系和着陆器基准镜坐标系。根据步骤4.4获取的对相机指向机构基准镜两个相邻、相互垂直面自准直后的方位、俯仰角度，以及十字丝中心的观测坐标，解算相机指向机构基准镜相邻两面的法线。根据步骤4.4观测的地面标志牌坐标，解算换站前、后全站仪观测坐标系的转换七参数，实现两条法线的坐标系统一，进而解算两法线的交点，作为相机指向机构基准镜坐标系的原点，按右手系构建相机指向机构基准镜坐标系。根据步骤4.5的观测结果，按照同样的方法构建着陆器基准镜坐标系。步骤5.4，根据探测器设计值构建着陆器本体坐标系。步骤5.5，解算各类安装参数。其中，右全景相机摄测坐标系相对于左全景相机摄测坐标系的偏移矩阵和旋转矩阵，应根据步骤5.1中构建的相机指向机构不同俯仰、方位角状态下左、右全景相机摄测坐标系进行解算，解算结果取各状态的加权平均值。其中，左全景相机摄测坐标系相对于相机指向机构俯仰零位坐标系的偏移矩阵和旋转矩阵，应根据步骤5.1中构建的指向机构俯仰角0°、方位角0°状态下左全景相机摄测坐标系，与步骤5.2中构建的相机指向机构俯仰机构零位坐标系进行解算。其中，相机指向机构俯仰机构零位坐标系相对于相机指向机构偏航机构零位坐标系的偏移矩阵和旋转矩阵，应根据步骤5.2中构建的相机指向机构俯仰机构、偏航机构零位坐标系进行解算。其中，相机指向机构偏航机构零位坐标系相对于相机指向机构基准镜坐标系的偏移矩阵和旋转矩阵，应根据步骤5.2中构建的相机指向机构偏航机构零位坐标系，与步骤5.3中构建的相机指向机构基准镜坐标系进行解算。其中，相机指向机构基准镜坐标系相对于着陆器基准镜坐标系的偏移矩阵和旋转矩阵，应根据步骤5.3中构建的相机指向机构基准镜坐标系与着陆器基准镜坐标系进行解算。其中，着陆器基准镜坐标系相对于着陆器本体坐标系的偏移矩阵和旋转矩阵，应根据步骤5.3中构建的着陆器基准镜坐标系，与步骤5.4中构建的着陆器本体坐标系进行解算。至此，可以得到嫦娥五号全景相机的安装参数为：右相机到左相机偏移矩阵＝(262.81mm,0mm,0mm)左相机到相机指向机构俯仰零位坐标系偏移矩阵＝(-9.01mm,-137.33mm,28.40mm)相机指向机构俯仰零位坐标系到偏航零位坐标系偏移矩阵＝(0.00mm,0.00mm,84.21mm)相机指向机构偏航零位坐标系到相机指向机构基准镜偏移矩阵＝(99.83mm,0.05mm,184.74mm)相机指向机构基准镜到着陆器基准镜偏移矩阵＝(0mm,0mm,0mm)着陆器基准镜到着陆器本体偏移矩阵＝(0mm,0mm,0mm)至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于图像的行星近景摄影测量相机安装参数的测量方法有了清楚的认识。本发明提出了一种几何光学测量与立体影像相结合的行星近景摄影测量相机安装参数的测量方法，结合行星近景摄影测量相机的特点解算高精度的相机安装参数，解算精度满足后续图像外方位元素解算和地形恢复的需求。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属
技术领域：
中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。还需要说明的是，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12