一种航测相机自动航线选择与曝光装置的制作方法

[0001]
本发明属于航空摄影测量与遥感技术领域，尤其涉及一种航测相机自动航线选择与曝光装置。


背景技术：

[0002]
航空摄影测量具有自主性强、精度高、灵活方便等优点，是快速获取高精度地形数据的有效手段，随着技术的快速进度，先进航空摄影测量系统普遍配备了稳定平台，进一步提升了航空摄影照片的几何质量。
[0003]
传统航测相机采用定时或手动曝光方式，这些曝光方式会因飞行时速不均匀、气流变化等因素导致曝光间距差异、航片重叠率不稳定甚至漏拍等情况，更无法适应丘陵地带等变基线航空摄影需求。其次，稳定平台的补偿角存在限制，在飞机转弯时会因转角超过补偿角限制而卡住。传统上需在进出航线时手动开启、关闭稳定平台，对操作人员负荷较大。


技术实现要素：

[0004]
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种航测相机自动航线选择与曝光装置，可以依据实时导航数据和航线规划数据，自动判别航测相机的飞行状态，自动控制相机曝光与稳定平台开关，可以实现飞行任务的全自动作业，曝光点位精度高，可以适应变基线航空摄影要求。同时，具备机上航摄相片质量自动检查功能，可以及时对漏摄、几何或辐射质量差等问题航片进行补摄，有效提升飞行效率，减少飞行架次。
[0005]
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种航测相机自动航线选择与曝光装置，包括：
[0006]
数据采集模块，用于获取实时导航数据和航线规划数据；
[0007]
数据预处理模块，用于对实时导航数据和航线规划数据进行高斯投影处理，得到高斯平面坐标系下的实时导航数据和航线规划数据；
[0008]
飞行任务维护模块，用于将经数据预处理模块处理后得到的高斯平面坐标系下的航线规划数据存储为飞行任务矩阵；
[0009]
航线选择模块，用于根据高斯平面坐标系下的实时导航数据和飞行任务矩阵，进行航线判断；根据航线判断结果，确定飞机是否进入预设飞行航线；在确定飞机进入第i条预设飞行航线时，调用定点曝光模块，并向定点曝光模块传递第i条预设飞行航线的航线信息；
[0010]
定点曝光模块，用于在航线选择模块调用下，根据高斯平面坐标系下的实时导航数据和航线选择模块传递的第i条预设飞行航线的航线信息，进行曝光判断；根据曝光判断结果，确定飞机是否满足曝光条件。
[0011]
硬件控制模块，用于在航线选择模块确定飞机进入预设飞行航线时，向相机的稳定平台发起开启指令；在定点曝光模块确定飞机满足曝光条件时，向相机系统发出曝光脉
冲指令；以及，在航线选择模块确定飞机飞出预设飞行航线时，向相机的稳定平台发起关闭指令。
[0012]
在上述航测相机自动航线选择与曝光装置中，飞行任务维护模块，还包括：根据航线选择模块的航线判断结果和定点曝光模块的曝光判断结果，对飞行任务矩阵进行维护和更新，并维护飞机与航线规划数据中预设航线的关系，即飞机状态信息。
[0013]
在上述航测相机自动航线选择与曝光装置中，实时导航数据，包括：飞机的实时高度、实时位置、实时航向角；航线规划数据，包括：若干条预设飞行航线和位于各预设飞行航线上的若干个预设的有序拟曝光位置。
[0014]
在上述航测相机自动航线选择与曝光装置中，航线选择模块，具体用于：
[0015]
访问飞行任务维护模块，当飞机为位于预设飞行航线外时，遍历飞行任务矩阵中尚未完成的预设飞行航线的预设飞行航线数据；
[0016]
根据高斯平面坐标系下的实时导航数据和所述尚未完成的预设飞行航线的预设飞行航线数据，计算得到飞机的实时位置与所述尚未完成的预设飞行航线的两个航线端点之间的平面距离、飞机的实时高度与所述尚未完成的预设飞行航线的设计高度之间的差值、飞机的实时航向角与所述尚未完成的预设飞行航线之间的夹角；
[0017]
根据计算得到的飞机的实时位置与所述尚未完成的预设飞行航线的两个航线端点之间的平面距离、飞机的实时高度与所述尚未完成的预设飞行航线的设计高度之间的差值、飞机的实时航向角与所述尚未完成的预设飞行航线之间的夹角，判断飞机是否进入预设飞行航线，并确定飞机进入哪一条预设飞行航线。
[0018]
在上述航测相机自动航线选择与曝光装置中，
[0019]
通过如下公式计算得到飞机的实时位置与所述尚未完成的预设飞行航线的两个航线端点之间的平面距离：
[0020]
d
i_a
＝sqrt((x
plane-x
i_a
)
2
+(y
plane-y
i_a
)
2
)
[0021]
d
i_b
＝sqrt((x
plane-x
i_b
)
2
+(y
plane-y
i_b
)
2
)
[0022]
其中，d
i_a
表示第i条预设飞行航线的起始端点a与飞机的实时位置之间的平面距离，d
i_b
为第i条预设飞行航线的结束端点b与飞机的实时位置之间的平面距离；x
plane
和y
plane
分别表示经高斯投影处理后的飞机的实时位置在高斯平面坐标系下的横坐标和纵坐标，x
i_a
和y
i_a
分别表示经高斯投影处理后的第i条预设飞行航线的起始端点a在高斯平面坐标系下的横坐标和纵坐标，x
i_b
和y
i_b
分别表示经高斯投影处理后的第i条预设飞行航线的结束端点b在高斯平面坐标系下的横坐标和纵坐标；
[0023]
通过如下公式计算得到飞机的实时高度与所述尚未完成的预设飞行航线的设计高度之间的差值：
[0024]
dh
i
＝abs(h
plane-h
i_a
)
[0025]
其中，dh
i
表示第i条预设飞行航线的设计高度与飞机的实时高度之间的差值，h
plane
表示经高斯投影处理后的飞机的实时高度，h
i_a
表示经高斯投影处理后的第i条预设飞行航线的起始端点a在高斯平面坐标系下的高度；
[0026]
通过如下公式计算得到飞机的实时航向角与所述尚未完成的预设飞行航线之间的夹角：
[0027][0028][0029]
其中，dangle
i
表示第i条预设飞行航线的设计飞行航线方向与飞机的实时航向角之间的夹角，angle
plane_yaw
表示飞机的航向角，angle
ab
表示第i条预设飞行航线的从起始端点a到结束端点b的设定航向，angle
ba
表示第i条预设飞行航线的从结束端点b到起始端点a的设定航向。
[0030]
在上述航测相机自动航线选择与曝光装置中，当d
i_a
、d
i_b
、dh
i
和dangle
i
同时满足如下条件时，确定飞机进入第i条预设飞行航线：
[0031]
d
i_a
或d
i_b
小于第一阈值；其中，第一阈值的取值小于任意两条预设飞行航线间距离的1/2，并且小于航测任务比例尺下、规范手册中规定的航线弯曲度；
[0032]
dh
i
小于第二阈值；其中，第二阈值的取值小于航测任务比例尺下、规范手册中规定的实际航高与设计航高的差值；
[0033]
dangle
i
小于第三阈值；其中，第三阈值小于35
°
。
[0034]
在上述航测相机自动航线选择与曝光装置中，定点曝光模块，具体用于：
[0035]
在航线选择模块调用下，根据高斯平面坐标系下的实时导航数据，按照进入的第i条预设飞行航线的航线方向，结合飞行任务矩阵，从第i条预设飞行航线中读取与飞机的实时位置最邻近的下一个未曝光点作为待曝光点；
[0036]
计算得到飞机的实时位置与待曝光点之间的平面距离、飞机的实时高度与曝光点的高度之间的差值，并确定飞机的实时位置与待曝光点之间的运动趋势；
[0037]
根据计算得到的飞机的实时位置与待曝光点之间的平面距离、飞机的实时高度与曝光点的高度之间的差值，以及确定的飞机的实时位置与待曝光点之间的运动趋势，确定飞机是否满足曝光条件。
[0038]
在上述航测相机自动航线选择与曝光装置中，
[0039]
通过如下公式计算得到飞机的实时位置与待曝光点之间的平面距离：
[0040]
d
ij
＝sqrt((x
plane-x
ij
)
2
+(y
plane-y
ij
)
2
)
[0041]
其中，d
ij
表示飞机的实时位置与第i条航线上的第j个未曝光点之间的距离，第i条航线上的第j个未曝光点为确定的待曝光点，x
ij
和y
ij
分别表示待曝光点在高斯平面坐标系下的横坐标和纵坐标；
[0042]
通过如下公式计算得到飞机的实时高度与曝光点的高度之间的差值：
[0043]
dh
ij
＝abs(h
plane-h
ij
)
[0044]
其中，dh
ij
表示飞机的实时高度与第i条航线上的第j个未曝光点的高度之间的差值，h
ij
表示第i条航线上的第j个未曝光点的高度；
[0045]
根据获取的连续多帧计算得到的飞机的实时位置与待曝光点之间的平面距离d
ijk
、d
ijk+1
、
···
、d
ijk+4
，确定飞机的实时位置与待曝光点之间的运动趋势；其中，d
ijk
、d
ijk+1
、
···
、d
ijk+4
表示第k、k+1、
···
、k+4帧计算得到的飞机的实时位置与待曝光点之间
的平面距离。
[0046]
在上述航测相机自动航线选择与曝光装置中，当d
ij
、dh
ij
和连续多帧计算得到的飞机的实时位置与待曝光点之间的平面距离d
ijk
、d
ijk+1
、
···
、d
ijk+4
同时满足如下条件时，确定飞机满足曝光条件：
[0047]
d
ij
小于第四阈值；其中，第四阈值的大小根据飞机的飞行速度与曝光点位精度需求确定；
[0048]
dh
ij
小于第二阈值；
[0049]
d
ijk
≤d
ijk+1
≤
…
≤d
ijk+4
，即飞机的实时位置与待曝光点之间的运动趋势为远离。
[0050]
在上述航测相机自动航线选择与曝光装置中，还包括：摄影质量评估模块，用于在定点曝光模块确定飞机满足曝光条件时，判断摄影测量相机的辐射、几何质量是否满足需求。
[0051]
本发明具有以下优点：
[0052]
(1)本发明公开了一种航测相机自动航线选择与曝光装置，可以依据实时导航数据和航线规划数据，自动选择要进入的飞行航线；在进入航线后，再计算飞机当前位置与规划曝光点的关系，自主决曝光时机。从而实现飞机进入航线时，自主开启稳定平台；抵达规划曝光点后自主曝光；离开航线后自主关闭稳定平台。从而实现整个摄影测量系统的全自动控制与无人值守操作。
[0053]
(2)本发明公开了一种航测相机自动航线选择与曝光装置，在摄影测量相机曝光后，可以实时计算曝光的辐射与几何质量，并依据计算结果更新与维护飞行任务中规划曝光点的状态，以便于在当前架次就及时对漏摄曝光点、问题曝光点进行复拍，减少飞行架次，提升飞行效率。
[0054]
(3)本发明公开了一种航测相机自动航线选择与曝光装置，可以应用在不同型号的飞机上，控制不同型号的摄影测量遥感系统工作，具有良好的适应性。
附图说明
[0055]
图1是本发明实施例中一种航测相机自动航线选择与曝光装置的结构框图。
具体实施方式
[0056]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
[0057]
如图1，在本实施例中，该航测相机自动航线选择与曝光装置，包括：
[0058]
数据采集模块，用于获取实时导航数据和航线规划数据。
[0059]
在本实施例中，实时导航数据包括但不仅限于：飞机的实时高度、实时位置、实时航向角。航线规划数据包括但不仅限于：若干条预设飞行航线和位于各预设飞行航线上的若干个预设拟曝光位置。
[0060]
以第i条预设飞行航线为例，预设飞行航线具体是指：沿着设定航向angle
ab
、按照设定高度，从一个三维坐标表示的起始端点a到一个三维坐标表示的结束端点b的飞行轨迹；其中，起始端点a与结束端点b的高度应保持一致。进一步的，第i条预设飞行航线上设置有若干个预设拟曝光位置，预设拟曝光位置为给定的摄影测量系统相机曝光的三维坐标。
[0061]
数据预处理模块，用于对实时导航数据和航线规划数据进行高斯投影处理，得到高斯平面坐标系下的实时导航数据和航线规划数据。
[0062]
在本实施例中，通过数据采集模块获取的实时导航数据和航线规划数据为未投影的地理坐标数据，不能直接用于解算。因此，需要将数据采集模块获取的实时导航数据和航线规划数据转换为高斯平面坐标系下的数据。其中，在进行高斯投影处理时，为提升投影精度，应构建局部投影坐标系，以测区中心的经线作为局部独立坐标系投影的中央经线，然后进行坐标系的转换。
[0063]
飞行任务维护模块，用于将经数据预处理模块处理后得到的高斯平面坐标系下的航线规划数据存储为飞行任务矩阵；根据航线选择模块的航线判断结果和定点曝光模块的曝光判断结果，对飞行任务矩阵进行维护和更新，并维护飞机与航线规划数据中预设航线的关系，即飞机状态信息。
[0064]
在本实施例中，由飞行任务维护模块所维护的飞行任务矩阵是航线选择与定点曝光选择的基础数据。
[0065]
优选的，对飞行任务矩阵进行维护和更新具体可以包括如下几点：
[0066]
1)在初始时刻，将数据预处理模块处理后得到的高斯平面坐标系下的航线规划数据中所有预设飞行航线中的所有预设拟曝光位置均初始化为未曝光状态,初始化飞机状态为航线外。
[0067]
2)当根据航线选择模块确定飞机进入某一预设飞行航线后，更新飞机状态为进入航线。
[0068]
3)当根据定点曝光模块确定某个待曝光点曝光后，则将该某个待曝光点在飞行任务矩阵中的状态标记为已曝光状态；当根据定点曝光模块确定错过某个待曝光点的曝光后，则维持该某个待曝光点在飞行任务矩阵中的状态(即，仍为未曝光状态)。
[0069]
4)当根据定点曝光模块确定飞机所进入的第i条预设飞行航线中的所有待曝光点均完成曝光后，则将第i条预设飞行航线在飞行任务矩阵中的状态标记为已完成状态。
[0070]
5)当根据航线选择模块确定飞机离开预设飞行航线后，更新飞机状态为航线外。
[0071]
航线选择模块，用于根据高斯平面坐标系下的实时导航数据和飞行任务矩阵，进行航线判断；根据航线判断结果，确定飞机是否进入预设飞行航线；在确定飞机进入第i条预设飞行航线时，调用定点曝光模块，并向定点曝光模块传递第i条预设飞行航线的航线信息。
[0072]
在本实施例中，航线选择模块主要用于判定飞机是否进入预设飞行航线，及进入的是哪一条预设飞行航线：访问飞行任务维护模块，当飞机为位于预设飞行航线外时，遍历飞行任务矩阵中尚未完成的预设飞行航线的预设飞行航线数据；根据高斯平面坐标系下的实时导航数据和所述尚未完成的预设飞行航线的预设飞行航线数据，计算得到飞机的实时位置与所述尚未完成的预设飞行航线的两个航线端点之间的平面距离、飞机的实时高度与所述尚未完成的预设飞行航线的设计高度之间的差值、飞机的实时航向角与所述尚未完成的预设飞行航线之间的夹角；根据计算得到的飞机的实时位置与所述尚未完成的预设飞行航线的两个航线端点之间的平面距离、飞机的实时高度与所述尚未完成的预设飞行航线的设计高度之间的差值、飞机的实时航向角与所述尚未完成的预设飞行航线之间的夹角，判断飞机是否进入预设飞行航线，并确定飞机进入哪一条预设飞行航线。
[0073]
优选的：
[0074]
可以通过如下公式计算得到飞机的实时位置与所述尚未完成的预设飞行航线的两个航线端点之间的平面距离：
[0075]
d
i_a
＝sqrt((x
plane-x
i_a
)
2
+(y
plane-y
i_a
)
2
)
[0076]
d
i_b
＝sqrt((x
plane-x
i_b
)
2
+(y
plane-y
i_b
)
2
)
[0077]
其中，d
i_a
表示第i条预设飞行航线的起始端点a与飞机的实时位置之间的平面距离，d
i_b
为第i条预设飞行航线的结束端点b与飞机的实时位置之间的平面距离；x
plane
和y
plane
分别表示经高斯投影处理后的飞机的实时位置在高斯平面坐标系下的横坐标和纵坐标，x
i_a
和y
i_a
分别表示经高斯投影处理后的第i条预设飞行航线的起始端点a在高斯平面坐标系下的横坐标和纵坐标，x
i_b
和y
i_b
分别表示经高斯投影处理后的第i条预设飞行航线的结束端点b在高斯平面坐标系下的横坐标和纵坐标。
[0078]
可以通过如下公式计算得到飞机的实时高度与所述尚未完成的预设飞行航线的设计高度之间的差值：
[0079]
dh
i
＝abs(h
plane-h
i_a
)
[0080]
其中，dh
i
表示第i条预设飞行航线的设计高度与飞机的实时高度之间的差值，h
plane
表示经高斯投影处理后的飞机的实时高度，h
i_a
表示经高斯投影处理后的第i条预设飞行航线的起始端点a在高斯平面坐标系下的高度。
[0081]
可以通过如下公式计算得到飞机的实时航向角与所述尚未完成的预设飞行航线之间的夹角：
[0082][0083][0084]
其中，dangle
i
表示第i条预设飞行航线的设计飞行航线方向与飞机的实时航向角之间的夹角，angle
plane_yaw
表示飞机的航向角，angle
ab
表示第i条预设飞行航线的从起始端点a到结束端点b的设定航向，angle
ba
表示第i条预设飞行航线的从结束端点b到起始端点a的设定航向。
[0085]
在本实施例中，当d
i_a
、d
i_b
、dh
i
和dangle
i
同时满足如下条件时，确定飞机进入第i条预设飞行航线：
[0086]
1)d
i_a
或d
i_b
小于第一阈值。
[0087]
第一阈值的取值小于任意两条预设飞行航线间距离的1/2，并且小于航测任务比例尺下、规范手册中规定的航线弯曲度。
[0088]
2)dh
i
小于第二阈值。
[0089]
第二阈值的取值小于航测任务比例尺下、规范手册中规定的实际航高与设计航高的差值。
[0090]
3)dangle
i
小于第三阈值。
[0091]
第三阈值小于35
°
。
[0092]
在本实施例中，航线选择模块在确定飞机进入第i条预设飞行航线之后，还可以用于判定飞机是否飞出第i条预设飞行航线，如果判定飞机飞出第i条预设飞行航线，则重新进入飞机是否进入预设飞行航线判定的逻辑。
[0093]
优选的，当满足如下情况中的任意一种时，可以确定飞机飞出第i条预设飞行航线：
[0094]
1)飞机的实时位置超出起始端点a与结束端点b的区间。
[0095]
2)dangle
i
超出第三阈值。
[0096]
3)飞行任务维护模块中所维护的飞行任务矩阵中记录的该第i条预设飞行航线中的所有预设拟曝光位置均已完成曝光或已经漏曝。
[0097]
定点曝光模块，用于在航线选择模块调用下，根据高斯平面坐标系下的实时导航数据和航线选择模块传递的第i条预设飞行航线的航线信息，进行曝光判断；根据曝光判断结果，确定飞机是否满足曝光条件。
[0098]
在本实施例中，如前所述，通过航线选择模块确定飞机进入了第i条预设飞行航线，定点曝光模块则按照进入的第i条预设飞行航线的航线方向，结合飞行任务矩阵，从第i条预设飞行航线中读取与飞机的实时位置最邻近的下一个未曝光点作为待曝光点；计算得到飞机的实时位置与待曝光点之间的平面距离、飞机的实时高度与曝光点的高度之间的差值，并确定飞机的实时位置与待曝光点之间的运动趋势；根据计算得到的飞机的实时位置与待曝光点之间的平面距离、飞机的实时高度与曝光点的高度之间的差值，以及确定的飞机的实时位置与待曝光点之间的运动趋势，确定飞机是否满足曝光条件。
[0099]
优选的：
[0100]
可以通过如下公式计算得到飞机的实时位置与待曝光点之间的平面距离：
[0101]
d
ij
＝sqrt((x
plane-x
ij
)
2
+(y
plane-y
ij
)
2
)
[0102]
其中，d
ij
表示飞机的实时位置与第i条航线上的第j个未曝光点之间的距离，第i条航线上的第j个未曝光点为确定的待曝光点，x
ij
和y
ij
分别表示待曝光点在高斯平面坐标系下的横坐标和纵坐标。
[0103]
可以通过如下公式计算得到飞机的实时高度与曝光点的高度之间的差值：
[0104]
dh
ij
＝abs(h
plane-h
ij
)
[0105]
其中，dh
ij
表示飞机的实时高度与第i条航线上的第j个未曝光点的高度之间的差值，h
ij
表示第i条航线上的第j个未曝光点的高度。
[0106]
可以根据获取的连续多帧计算得到的飞机的实时位置与待曝光点之间的平面距离d
ijk
、d
ijk+1
、
···
、d
ijk+4
，确定飞机的实时位置与待曝光点之间的运动趋势。其中，d
ijk
、d
ijk+1
、
···
、d
ijk+4
表示第k、k+1、
···
、k+4帧计算得到的飞机的实时位置与待曝光点之间的平面距离。
[0107]
在本实施例中，当d
ij
、dh
ij
和连续多帧计算得到的飞机的实时位置与待曝光点之间的平面距离d
ijk
、d
ijk+1
、
···
、d
ijk+4
同时满足如下条件时，确定飞机满足曝光条件：
[0108]
1)d
ij
小于第四阈值。
[0109]
第四阈值的大小根据飞机的飞行速度与曝光点位精度需求确定。
[0110]
2)dh
ij
小于第二阈值。
[0111]
3)d
ijk
≤d
ijk+1
≤
…
≤d
ijk+4
，即飞机的实时位置与待曝光点之间的运动趋势为远
离。
[0112]
在本实施例中，在确定飞机满足曝光条件后，可以调用硬件控制模块发出曝光指令，并选取飞机当前所进入的第i条预设飞行航线的下一未曝光点作为为待曝光点，进行循环计算、判定、曝光。其中，若d
ij
大于第四阈值、飞机的实时位置与待曝光点之间的运动趋势为远离，则舍弃该待曝光点，选取下一未曝光点作为待曝光点进行计算、判定、曝光。
[0113]
硬件控制模块，用于在航线选择模块确定飞机进入预设飞行航线时，向相机的稳定平台发起开启指令；在定点曝光模块确定飞机满足曝光条件时，向相机系统发出曝光脉冲指令；以及，在航线选择模块确定飞机飞出预设飞行航线时，向相机的稳定平台发起关闭指令。
[0114]
摄影质量评估模块，用于在定点曝光模块确定飞机满足曝光条件时，判断摄影测量相机的辐射、几何质量是否满足需求。
[0115]
在本实施例中，摄影质量评估模块可以在定点曝光模块确定飞机满足曝光条件时，通过解算得到当前时刻的相片灰度均值、相片旋角、相片倾角、相片航线偏离度和相片重叠率等摄影质量评估参数，将摄影质量评估参数与相应的国家标准进行对比，确定摄影测量相机拍摄图片的辐射、几何质量是否符合要求。其中，对于未曝光点，无需对摄影测量相机的辐射、几何质量进行判断。
[0116]
人机交互模块，用于将飞机、地图、飞行任务等在显示界面中绘制出来，供摄影测量系统操作人员实时监控摄影测量作业任务执行情况。其中，飞机、地图、飞行任务中的航线、拟定曝光点应该按照同一坐标系在人机界面中绘制，以保证彼此间地理空间相对位置准确；曝光点应由不同颜色绘制，分别代表成功曝光点、问题曝光点和未曝光点。
[0117]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
[0118]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。