无人机视频测绘传感器内方位及畸变参数检定方法研究.pdf
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1、第25卷第1期2023年3月测绘技术装备Geo ma tic s Tec h n o l o gy a n d Eq u ipmen tVo l.25 No.1Ma e.2023无人机视频测绘传感器内方位及畸变参数 检定方法研究薛艳丽123,任亚锋123,薛晓娟123,戴 芳123,刘晓龙123,雒燕飞123(1.中测新图(北京)遥感技术有限责任公司,北京100039;2,自然资源部航空遥感技术重点实验室,北京100039;3.北京市低空遥感数据处理工程技术研究中心,北京100039)摘要摘要:视频测绘系统可实现视频流实时地理编码。为提高视频测绘成果的测量精度,本文研究了视 频传感器的精确几何
2、检定技术。针对视频传感器检定方法尚未定型的现状,本文从视频传感器成像 及检定机理出发,分析了常见视频传感器类别及特点,通过理论与实践相结合的方法,总结了视频测 绘传感器的检定方法、流程与指标,并通过试验验证分析,证明了该检定方法的合理性与可行性#关键词关键词:定焦视频传感器;变焦视频传感器;摄影测量学;几何检定;畸变参数中图分类号中图分类号:P237DOI:10.20006/j.n k i.61-1363/P.2023.01.011Geomet ric c al ibrat ion met hod of int erior orient at ion and dist ort ion para
3、met ers of anrbornemnnnvnual)en)orXUE Yanli113,REN Yaf engS,XUE Xiaoju an,,DAA Fang1,2,3,LIA Xiaoloog1,2,3,LUO Yanf ei.1,2,3(1.Ch in a TOPRS Tec h n o l o gy Co.,Ltd.,Beijin g 100039,Ch in a;2.Keg La bo r a to c fo c Aer ia l Remo teSen sin g Tec h n o l o gy o f th e Min istc o f Na tu r a l Reso u
4、 r c es,Beijin g 100039,Ch in a;3.Beijin g Lo w Al titu d e Remo te Sen sin g Da ta Pr o c essin g En gin eer in g Tec h n o l o gy Resea r c h Cen tec,Beijin g 100039,Ch in a)Abst rac t:Vid ee ma ppin g system c a n r ea l iee r ea l-time geo c o d in g o f v id ee str ea ms.In o r d ec to impr o v
5、 eth e mea su r emen t a c c u r a c y o f v id eo ma ppin g r esu l ts,th is pa pec stu d ies th e geo metr ic a c c u r a c y c a l ibr a tio n tec h n o l o gy o f v id eo sen so r s.Sin c e th e c a l igr a tio n meth o d fo c v id eo sen so r s h a s n o t been fin il y d etec-min ed,th is pa p
6、ec,th er efo r e,a n a l yzes th e types a n d c h a c c Wr istic s o f c o mmo n v id eo sen so r s fr o m th e per spec tiv e o f v id eo sen so r ima gin g a n d c a l ibr a tio n mec h a n ism,it su mma r izes th e c a l ibr a tio n meth o d s,pr o c esses a n d in d ic a to r s o f v id eo ma p
7、pin g sen so r s by c o mbin in g th e th eo c a n d pr a c tic e,a n d pr o v es th e r a tio n a l ity a n d fea sigil ity o f th e v ec fic a tio n meth o d th r o u gh test c a l ibr a tio n a n a l ysis.Keyworis:fix ed fo c u s v isu a l sen so r;zo o m v isu a l sen so r;ph o to gr a mmetc;geo
8、 metr ic c a l igc tio n;d isto r tio n pa ea meiee1引言无人机产业的蓬勃发展,促进了传感器性能的 提升,小而轻、全天候、精细化等新型传感器相继推 出。视频测绘传感器在应急测绘中发挥着重要作用1,为第一时间掌握灾害现场的情况,进行灾害 评估提供了快速、有效的方法。中测新图(北京)遥 感技术有限责任公司开发了 TOPVIDE0视频测绘 系统,实现了视频流实时地理编码、实时场景融合等 技术,在无人机遥感视频实时下传的同时,对视频流 收稿日期:2021-06-09基金金项目:国家重点研发计划(2018YFF0215301)%第一作者简介:薛艳丽,研究
9、员,主要研究方向为航空航天遥感技术研究及应用第1期薛艳丽,等:无人机视频测绘传感器内方位及畸变参数检定方法研究57进行实时地理编码,使每一帧影像都具有地理坐标,同时进行关键帧的实时提取,并在地理信息系统中 与历史影像进行实时叠加,将视频流与地理信息系 统进行深度融合,从而可以对视频流影像进行定量 的空间分析,为应急指挥决策提供更及时、更全面的 地理信息支持。当视频从传统的浏览播放演变为应 急测绘量测分析时,必必须对视频传感器的内方位元 素及物镜畸变差值进行精确检定,检定精度很大程 度上决定了视频测绘成果应用的准确性和精度 指标(2)。目前,我国光学航空摄影仪检定规程已有行业标 准,针对视频传感
10、器的检定已形成大量的研究成 果3-10,然而,针对测绘视频传感器的检定规范尚属 空白。当前,视频传感器的检定参数完全由厂家提 供,存在检定项不一致、指标表述不统一等问题。厂 家提供检定参数的精度和完整度等均不能满足应急 测绘需求,导致当测绘成果存在质量问题时无法溯 源,一定程度上制约了无人机视频测绘技术的发展%无人机视频测绘是一种新型的对地观测技术,测绘成果的几何精度是评价成果质量的关键因素 本文首先研究了视频传感器成像模型及检定机理,分析了常见视频传感器的分类及特点,比较了常规 的光学像机传感器检定方法;其次,针对视频传感器 内方位元素及其物镜畸变差值,提出了一套适宜的 检定方法与流程;最后
11、,以几种常见定焦视频传感器 和变焦视频传感器为例,对该检定方法进行试验验 证,并评价了本文所提出的视频传感器检定方法的 合理性和可行性2无人机视频测绘传感器畸变改正 模型视频影像是三维空间在二维平面上的映射投 影,摄影测量技术是通过物像空间的映射原理实现 对物方目标测量的一个过程受生产工艺限制,视 频传感器的镜头和感光器件在生产过程中存在制造 和装配误差,导致光学系统存在不同程度的非线性 畸变,破坏了地面点、投影中心与对应像点三者之间 的严格数学关系视频传感器光学畸变包括径向畸变、切向畸变、平面不平畸变和平面内变形畸变等为了将视频传 感器应用于航空摄影测量,需要对传感器进行严格 检校,标定出传
12、感器的内方位元素及各项畸变参数,以便在数据后处理中消除影像的畸变差,从而恢复 摄影光束的正确形状其中,内方位参数包括主距/和像主点坐标(”0,.0),畸变参数包括径向畸变参 数、数、面 面 形变等经典像机畸变差改正模型如式(1)所示:=K(V Q2+V2 Q+V3 Q)+p1(Q2+2 K2)+2p2 XV(1).(V1Q2+V2 Q4+V3 r6)+p2(Q2+2.2)+2p1 K.式中:V1、V2、V为径向畸变参数,p、p为切向畸变参 数,Q为像点到中心点的距离径向畸变是由传感器组成过程中透镜与成像平 面不严格平行引起的,其数学模型如式(2)所示:=V1 Q3+V2 Q5+V3 Q7(2)
13、式中:Q为像点到中心点的距离。若令K=r s in/,y=r c osa,则距离主点r处k和.方向的径向畸变”和如式(3)所示:*”=”(V1 Q+V2 Q+V3 q6),(3)=.(V1 Q2+V2Q4+V3Q6)切向畸变主要是透镜组中各透镜不同轴造成 的,距离主点处”和.方向的切向畸变和 式(4)所:=P1(q2+2.2)+2pK.+G1 q22 2 2(4)=2P1 K.+p(q2+2.2)+G q2式中:G、G为薄棱镜畸变参数,一般较小,可以忽 略因此,本文主要研究的是视频传感器的径向畸 变和切向畸变的检定方法3视频测绘传感器检定方法与流程3.1检定方法检定方法光学传感器的检定方法主要
14、包括基于控制场的 检定方法、自检定方法、主动视觉检定方法(11)和测 角检定方法等,上述方法的对比分析如表1所示为了满足视频测绘成果精度要求,本文中视频 传感器的检定采用基于控制场检定的方法,控制场 选用布有标志志点的建筑物侧面墙体,如图1所示58测绘技术装备第25卷表1光学传感器检定方法对比Tab.1 Comparison of c al idraUon met Uods foiropt nc al eeneore检方法点点缺点适用场基于控制场检利用已知的景物结构信息可以使用于任意的像检 程,需要高精度要求高,像方法机模型,且检定精度高精度检定场机 数基自检定方法仅依靠多幅图像之间的对应关不
15、需要已知检定场,灵非线性检定,鲁棒性不需要经常调整像系进行检定活性、实用性好高,精度不高机主动视觉检已知传感器的某些运动信息像机模型参数线性求不能使用于像机运动未像机运动信息已方法通过测定平行光线的入射角度解,计算简,鲁棒性高知 无法控 的场知测法和其对应像片上的像点坐标,根无需检定场,检测精度检定过程复杂,需要专精度要求高,像据镜头畸变平方和最小的原则,解出方元 数高业的检测设备,成本高机 数基图1光学传感器检定室外控制场Fig 1 Out door c ont rol fiel d for opt ic al seesor verinc at ion3.2视频测绘传感器检定基本流程视频测绘
16、传感器检定基本流程测 感器检定基本流程包括靶标(检定 场场)、样提取 数标定1)靶标(检定场)将视频传感器焦距锁定,在保证其内方位元 数保持不变的情况,对检校场室内靶标进行不同角度、位置的拍摄%2)样提取导出 成果,进行 帧样片 提取,自动 靶标像点,并进行平面坐标量测3)数标定利用确 数及,通过 平差解算完成 感器的参数标定4 Wf 专感器检定关键技术与指标研究4.1拍摄距离研究拍摄距离研究测绘用 感器因其应用场景场景为搭载无人机 平台开始空对地,景景深要求求为无,但在传感 检定时,用 或 外外地面检校场进行检校,往往往往受到检校场场纵深的 为解决此 题,必须将 感器对焦无 获得清清晰的图像
17、,使其在超 超 状态下,模拟拟实现景深无穷远的视 频拍摄频拍摄效果果超焦距指当镜头超焦距指当镜头对焦在无穷远时穷远时,景景 深前界(离离镜头最近清晰点)到镜的距离当镜 头对焦在超焦距点时,从超 超 点到像机 的距 离离开始到无穷远都是清清晰的,2所示%图2超焦距及超焦距应用Fig.2 Hyperfoc al dist anc c and it s appl ic at ions通过超焦距,可计算得到传感器检定时的拍摄 距离超焦距的 公式如式(5)所:9=一+&xF(5)第1期薛艳丽,等:无人机视频测绘传感器内方位及畸变参数检定方法研究59式中:&为容许弥散圈直径,/为镜头焦距,为镜头 拍摄光圈
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