一种机载三线阵CCD相机标定方法与流程

本发明属于摄影测量与遥感测绘技术领域，具体涉及一种机载三线阵ccd相机标定方法。

背景技术：

三线阵ccd相机几何关系稳定、影像清晰、三维量测精准、测绘生产效率高，在航空航天遥感方面广泛应用，是目前主流的测绘相机。对三线阵ccd相机进行标定，检校其系统误差是保证数据产品几何定位精度的关键步骤。

星载三线阵ccd相机平台稳定，系统误差单一，标定难度小，其标定技术目前已经非常成熟。我国的“天绘一号”和“资源三号”三线阵ccd立体测绘卫星的数据产品已经投入市场。机载三线阵ccd相机采用飞机作为遥感平台，平台抖动大，系统误差复杂，标定难度大。国内普遍使用国外引进的ads40/80/100系列相机，采用配套orima软件进行标定和几何处理，处理研究也局限于orima软件处理后的数据产品。关于机载三线阵ccd相机研制和几何处理研究相对滞后，缺乏对机载三线阵ccd相机标定和几何误差处理的深入研究。

gfxj是在我国高分辨率对地观测系统重大专项支持下自行研制的首台机载大视场三线阵ccd相机。课题组首创性地对我国自主产权机载大视场三线阵ccd相机的相机标定技术展开了深入研究。gfxj相机采用三线阵推扫方式成像，在航摄过程中可同时从前视、下视、后视三个不同角度对地面目标进行推扫成像，提供3个视角的全色影像与4个波段的多光谱(r，g，b，nir)影像。每条ccd(charge-coupleddevice，电荷耦合元件)线阵列达到32756个像元，且为整条ccd而非多片拼接，是目前像元最多的单条线阵ccd。像元大小为5um，相机焦距达到130mm。与ads系列相机相比，该相机焦距更长，ccd更宽，覆盖范围更广。为了提高影像定位精度，满足1：1000比例尺地形图测制的要求，进一步提高该测绘相机的无控直接定位精度水平和降低空中三角测量处理中对地面控制点的依赖，需要对机载三线阵ccd相机立体测绘中的固有系统误差源进行标定处理。

本

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种机载三线阵ccd相机标定方法，可大幅提高三线阵ccd定位精度、降低相机几何误差，且普适性强。

本发明采用如下技术方案：

一种机载三线阵ccd相机标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

s01：针对机载三线阵ccd相机影像建立严格成像模型；

s02：对所述机载三线阵ccd影像进行基于gpu加速处理的多航线影像匹配，并提取连接点的数据信息；

s03：构建外方位元素平差模型，利用控制点数据和影像匹配获得的连接点数据，构建多航线的区域网，建立所述影像的大规模平差区域网，进行空中三角测量处理；

s04：构建所述机载三线阵ccd相机的变形参数模型，并固定所述外方位元素平差模型中的外方位元素值，以每个定向片为采样数据，进行相机变形参数标定，获得所述相机变形参数的标定值；

s05：以分段所述机载三线阵cd相机的所述标定值为基础，计算所述机载三线阵ccd相机的阵列上每一探元的像点坐标(tan(ψx),tan(ψy))、指向角(ψx,ψy)；

s06：根据所述探元的所述指向角，重新计算所述控制点和连接点的像平面坐标，并更新所述像平面坐标，重新确定所述平差区域网的平差；

s07：根据所述平差区域网的所述平差，循环计算所述步骤s04-s06中的所述相机参数标定值与所述像点坐标；

当第n次循环的所述外方位元素值的改正数与第n-1次循环的所述外方位元素值的所述改正数之差小于预定值、第n次循环的所述相机参数标定值的修正数与第n-1次循环的所述相机参数标定值的所述修正数均小于预设值，进行步骤s08；

所述步骤s08：确定所述机载三线阵ccd相机的阵列上所述探元的所述像点坐标(tan(ψx),tan(ψy))、所述指向角(ψx,ψy)，并最终生产标定文件。

优选的，在本发明中，在所述步骤s03中，以每条扫描行的gnss/imu观测值为初值，获得定向片的所述外方位元素值和每条扫描行的所述外方位元素改正数

优选的，在本发明中，在所述步骤s06中，

设所述像点p0的所述像素坐标为(s,l)，用s表示p0的整数列号，即：

在所述探元的所述指向角中，如果第j个和第(j+1)个ccd探元的探元指向角分别为(ψx1,ψy1)和(ψx2,ψy2)，则所述像点p0的指向角(ψx,ψy)为：

进一步，根据所述指向角(ψx,ψy)，重新计算所述像素坐标(tan(ψx),tan(ψy))，更新像平面坐标。

优选的，在本发明中，所述外方位元素平差模型与所述机载三线阵ccd相机的所述变形参数模型分别为：

其中，x为外方位元素改正数向量；xg为所述控制点的坐标改正数向量；xs为待标定的相机参数构成的参数向量；vs为相机参数观测值残差向量，vx像点坐标观测值残差向量，v1、v2分别为等值约束条件和1阶连续约束条件下的观测值残差向量，vg为地面坐标观测值残差向量；(a,b,c,a1,a2,es,eg)为设计矩阵；lx为像点坐标的观测值矢量；lg为控制点坐标观测值矢量；ls，l1，l2为相应的常数项矢量；px为像点坐标的权矩阵，ps为待标定参数的权矩阵，p1和p2为约束条件的权矩阵，pg为控制点坐标的权矩阵。

优选的，在本发明中，所述机载三线阵ccd相机的阵列上所述每一探元的所述指向角的变化方程为：

其中，s为ccd探元的列号，si为第i分段ccd的起始列号，对于线阵ccd上探元s其像空间坐标为(tan(ψx),tan(ψy),-1)，其初值为实验室测量值(tan(ψx0),tan(ψy0),-1)，ψx0为沿轨方向指向角初值，ψy0为垂轨方向的指向角初值；为自检校标定模型中所述第i分段ccd的待标定参数。

优选的，在本发明中，所述等值约束条件为：

其中，是i段ccd分段的待标定变形参数，是i+1段ccd分段的待标定参数。

优选的，在本发明中，所述1阶连续约束条件为：

其中，为标定模型中第i个ccd分段的待标定参数。

优选的，在本发明中，所述严格成像模型为：

式中，(x,y,z)为地面点坐标，为第j扫描行的外方位线元素，(ai,bi,ci),i＝1,2,3为外方位角元素所构旋转矩阵的系数。

优选的，在本发明中，所述定向片的所述外方位元素模型：

其中，xs^k，ys^j，...，κ^j为第k片定向片的外方位元素，xs^k+1，ys^k+1，...，κ^k+1为第k+1片定向片的外方位元素，是由第k片和第k+1片定向片的成像时间计算得到的权系数，δxj,δyj,δzj,δωj,,δκj为改正项；

进一步，经过线性化处理，得

其中，lx，ly为常数项，dx，dy，dz为控制点坐标的改正数。

本发明有益技术效果

本发明通过采用机载线阵ccd相机分段标定模型和循环两步法标定方法进行三线阵ccd相机标定，可大幅提高三线阵ccd定位精度、降低相机几何误差，普适性强；且基于cam标定文件，利用少量控制点进行区域网平差，就可有效消除pos原始观测数据中的误差因素，使得定位精度进一步提高。

附图说明

图1为本发明一实施例定向片模型示意图；

图2为本发明一实施例中试验区域和控制点分布图；

图3为本发明一实施例中试验区域和控制点分布图；

图4为本发明一实施例中前视ccd探元指向角定标值分析图；

图5为本发明一实施例中下视ccd探元指向角定标值分析图；

图6为本发明一实施例中后视ccd探元指向角定标值分析图。

具体实施例

下面结合说明书附图1-6对本发明所提出的一种机载三线阵ccd相机标定方法作进一步阐述。

gfxj相机的镜头光学畸变误差可分为径向畸变、偏心畸变和像平面畸变等。其中由镜头形状引起的使像点沿径向产生的偏差称为径向畸变，偏心畸变主要是由镜头光学系统的光心与几何中心不一致造成的，像平面畸变可分为像平面不平引起的畸变和像平面内的平面畸变。ccd变形和移位误差主要包括：像元尺寸的变化、ccd在焦平面内的平移、ccd在焦平面内的旋转。其中像元尺寸的变化主要对成像比例尺造成影响，线阵ccd的整体平移将使得实验室标定的像主点偏离原定位置，而ccd在焦平面内的旋转和弯曲、缩放等几何变形可对像点坐标产生影响。

综合分析镜头和ccd的形变特点，可以建立gfxj相机的物理几何变形模型如下：

其中，xp,yp为主点偏移，δf为焦距变化，k1,k2为径向畸变参数，p1,p2为偏心畸变参数，b1,b2,b3为比例尺缩放、旋转和弯曲的综合影响参数。

物理几何模型描述了各种变形因素的物理意义，但物理几何模型中相机参数间的强相关性以及过度参数化，将导致相机定标难以获得稳定可靠的标定值。因此采用一种数学意义上的经验模型综合描述各种几何畸变的影响，对三线阵ccd相机的几何畸变曲线进行拟合。

首先采用主距归一化的处理方式，建立描述像点p像空间坐标值(x′,y′,z′)的指向角模型：

其中，(x,y)是像平面坐标系下的像点坐标，(x′,y′,z′)是归一化后的像空间坐标，p(x′,y′,z′)与地面点p(x,y,z)满足共线条件模型。ψx是沿轨方向的指向角，ψy是垂轨方向的指向角。

设置ccd指向角标定模型，其中ccd阵列上每一探元的指向角变化方程为：

其中，s为ccd探元的列号，si为第i分段ccd的起始列号，对于线阵ccd上探元s其像空间坐标为(tan(ψx),tan(ψy),-1)，其初值为实验室测量值(tan(ψx0),tan(ψy0),-1)，ψx0为沿轨方向指向角初值，ψy0为垂轨方向的指向角初值；为自检校标定模型中所述第i分段ccd的待标定参数。在此，需要指出的是，对于机载三线阵ccd相机，前视、后视、下视ccd的待标定参数互不相同、且相互各自独立。

在ccd分段边界处，相邻分段i和i+1计算出的指向角应满足等值约束条件：

其中是i段ccd分段的待标定变形参数，是i+1段ccd分段的待标定参数。

此外，如果考虑到曲线光滑，还应附加一阶导数相等的条件，即：

基于ccd指向角标定模型，建立机载三线阵ccd影像的严格成像模型：

式中，(x,y,z)为地面点坐标，(xs^j,ys^j,zs^j)为第j扫描行的外方位线元素，(ai,bi,ci),i＝1,2,3为外方位角元素所构旋转矩阵的系数。

采用定向片模型对gfxj相机进行空中三角测量平差和相机标定。定向片的外方位元素模型为：

其中，xs^k，ys^j，...，κ^j为第k片定向片的外方位元素，xs^k+1，ys^k+1，…，κ^k+1为第k+1片定向片的外方位元素，是由第k片和第k+1片定向片的成像时间计算得到的权系数，δxj,δyj,δzj,δωj,δκj为改正项，可利用gnss/imu观测值计算。

将(7)代入成像模型(6)，得到

把(8)线性化，得到方程

其中lx，ly为常数项，dx，dy，dz为控制点坐标的改正数。

组合方程(3)、(4)、(5)、(9)，提出适用于gfxj相机标定的整体标定方程如下：

vx＝ax+bxg+cxs-lxpx

vs＝esxs-lsps

v1＝a1xs-l1p1(10)

v2＝a2xs-l2p2

vg＝egxg-lgpg

式中：x为外方位元素改正数向量；xg为控制点坐标的改正数向量；xs为待标定相机参数构成的参数向量；vs为相机参数观测值残差向量，vx像点坐标观测值残差向量，v1、v2分别为等值约束条件和1阶连续约束条件下的观测值残差向量，vg为地面坐标观测值残差向量；(a,b,c,a1,a2,es,eg)为相应的设计矩阵；lx为像点坐标的观测值矢量；lg为控制点坐标观测值矢量；ls，l1，l2为相应的常数项矢量；px为像点坐标的权矩阵，ps为待标定参数的权矩阵，p1和p2为约束条件的权矩阵，pg为控制点坐标的权矩阵。变形即可得到：

实施例1

如图2所示为实验区域1和控制点分布图，在实验区域1进行了两次实验飞行。其中实线框表示获取的四条十字交叉航线数据，影像覆盖区域内分布108个控制点，其中50个控制点位于多条航线重叠范围内，虚线框表示获取的两条往返航线数据，分布85个控制点，13个控制点位于多条航线重叠范围内。

如图3所示为实验区域2和控制点分布图，在实验区域2进行了一次实验飞行。其中红色#型半透明区域是获取的四条交叉航线数据，采用gps野外量测的方式采集了200个控制点。

利用三组实验数据得到的三组前、下、后视ccd探元的指向角标定值见图4、图5和图6，其中(a)是飞行方向的ccd探元指向角，图(b)是ccd方向的ccd探元指向角。三组数据在图例中分别标记为dataa，、datab和datac。

从图4-图6中可以看出，得到的三组标定值中，在ccd方向上，前、下和后视的指向角变化很小，趋势高度一致；在飞行方向上，前视和后视ccd标定值曲线形状基本保持一致，而下视ccd的指向角标定值差异较大。以实验数据b为参考，统计其相对于实验数据a和c的标定值差异。统计结果见表1，其中统计了沿飞行方向和ccd方向的32756个ccd探元的指向角差异大小，并将其转换到像元尺寸，以像元个数为衡量单位。

表1指向角标定值统计分析

从表1中可以看出实验数据b和a相对比，沿飞行方向的ccd探元位置差异(像元)，前视ccd均值是2.07个像元，下视ccd是3.34个像元，后视是4.61像素,均方根误差都在1个像素内；ccd方向的ccd探元位置差异(像元)，前视ccd均值是1.26个像元，下视ccd是1.34个像元，后视是1.98像素,均方根误差都在1个像素内。两组数据标定的ccd指向角值差异很小，非常稳定。

将实验数据a、b和c获得的指向角标定值相加取均值，对前/下/后视ccd上每一探元，根据指向角计算其像坐标(tan(ψx),tan(ψy))，得到标定后的cam文件，并通过后续的直接定位实验，验证cam文件的有效性、精度和可靠性。

基于cam文件的再次直接定位

根据上述标定的cam文件，采用cam文件和gnss/imu测量值再次进行直接定位实验，

表2基于cam像点坐标文件的直接定位实验

从表2中可以看出，采用cam像点坐标文件进行直接定位，x和y方向的平面定位精度略有提高，高程精度提高非常显著。这同时证实采用本文提出的gfxj相机的分段自检校标定模型和循环两步法标定方案可以有效可靠地标定gfxj相机的镜头和ccd等畸变误差，标定后的cam像点坐标文件有效消除了gfxj相机的内部固有误差。

基于cam文件的区域网平差

cam像点坐标标定文件对gfxj相机的内部固有误差进行了有效标定，但是gnss/imu测量值中还存在影响定位精度的系统误差和偶然误差，需要利用控制点进行区域网平差，对gnss/imu测量值中的观测误差进行消除，以提高定位精度。

设计控制点布设方案：每条航线两端布设2个控制点,每端的2个控制点尽量接近图像的顶边和底边。对实验数据a、b和c采用所述控制点布设方案进行区域网平差，得到结果如表3所示。

表3基于cam像点坐标文件的区域网平差实验

表3的实验结果证实，标定后的cam像点坐标文件有效消除了相机的固有内部变形误差。采用cam像点坐标文件进行gfxj相机定位，影响几何精度的主要因素是gnss/imu测量值中的观测误差。此时采用少量合理分布的控制点，进行区域网平差，就可有效消除gnss/imu测量值中的观测误差，有效提高几何定位精度。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。