本發(fā)明涉及遙感影像處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種pos數(shù)據(jù)輔助下的無人機影像像控分布網(wǎng)構(gòu)建與航片可選范圍匹配方法。

背景技術(shù)：

無人機航攝技術(shù)是繼傳統(tǒng)的航空攝影之后出現(xiàn)的一種新的數(shù)字測繪航空攝影技術(shù)，相對于傳統(tǒng)航空攝影測量，無人機航攝具有起降靈活、受天氣影響小、成本低的特點。目前，運用低空數(shù)碼遙感影像技術(shù)生產(chǎn)的正射影像圖(dom)、數(shù)字線劃圖(dlg)，可滿足1∶5000、1∶2000和1∶1000等比例尺的精度要求。

pos系統(tǒng)，又稱為imu/dgps系統(tǒng)，可以在傳感器成像過程中實時測量其位置和姿態(tài)，獲取影像的外方位元素。但是無人機機身較輕，飛行姿態(tài)不夠穩(wěn)定，這導致其pos數(shù)據(jù)不夠精確，故使用無人機航攝生產(chǎn)dom、dlg產(chǎn)品時需要大量的像片控制點(以下將“像片控制點”簡稱“像控”)來提升其空三加密精度。根據(jù)成圖精度的不同，像控需要按照規(guī)范的網(wǎng)型布置在相應(yīng)的航片之間——均勻而穩(wěn)健的像控網(wǎng)型是保證空三加密的精度的必要條件。

由于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理人員無法得知實地情況，故多只圈定像控測量的大致范圍，即通過在航片中圈定范圍，以示像控測量人員需在此范圍內(nèi)選定合適的特征點并測量此點的地面坐標。但是無人機航攝所獲原始航片并不帶有地理坐標，且航片像幅較小，單張航片地面覆蓋范圍有限，外業(yè)像控測量人員難以僅憑原始航片找到標定位置。因此當前作業(yè)方式除了提供標定有測量范圍的原始航片之外，還應(yīng)提供像控分布圖。像控測量人員在谷歌地球上打開像控分布圖，了解像控的分布情況并作行程規(guī)劃；行至航片標定位置后，在其指定范圍內(nèi)選擇目標清晰、大小適中的特征位置進行坐標測量工作。

當前像控分布圖的制作及確定像控在航片上可選范圍采取目視判讀的方式完成，即作業(yè)員根據(jù)設(shè)計網(wǎng)型在谷歌地球上構(gòu)建像控分布網(wǎng)，保存為像控分布圖；然后通過目視判讀的方式，在原始航片中找出其匹配位置，并加以標定，生成“像控可選范圍”航片圖。這種作業(yè)方式存在著像控網(wǎng)型不夠規(guī)范、匹配困難、效率低下等問題，故亟待采取一種新的作業(yè)方式以實現(xiàn)快速、規(guī)范的像控分布網(wǎng)構(gòu)建與航片可選范圍匹配。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無人機影像像控分布網(wǎng)構(gòu)建與航片可選范圍匹配方法，該方法采取pos數(shù)據(jù)作為輔助信息，實現(xiàn)了無人機影像像控分布網(wǎng)的自動構(gòu)建與航片可選范圍的自動匹配。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種無人機影像像控分布網(wǎng)構(gòu)建與航片可選范圍匹配方法，包括如下步驟：

步驟(1)：pos數(shù)據(jù)處理及航帶恢復：

根據(jù)設(shè)定的地理參考及投影方式將pos數(shù)據(jù)的平面位置坐標投影到投影坐標系下；之后，由第一個pos點開始，依次計算每個pos點指向其相鄰pos點的向量坐標，并計算相鄰pos點向量之間的夾角；根據(jù)設(shè)定的航線彎曲度限值將同屬一條航帶的pos點歸組后，由n個pos點共恢復生成m條航帶；

其中恢復生成航帶的具體方法為：以第一個pos點作為第一條航帶的首端點，并從第一個夾角開始，依次比較每個夾角θi和航線彎曲度限值δθ，其中i＝2，3，…，n-1，如θi＜δθ，則認為第i個pos點屬于該條航帶，反之，則斷開此航帶，生成新航帶，并將第i-1個pos點作為該條航帶的末端點，第i個pos點作為新航帶的起始點；比較完所有夾角后，將最后一個pos點作為最后一條航帶的末端點；

步驟(2)：在pos數(shù)據(jù)輔助下構(gòu)建像控分布網(wǎng)：

(2.1)計算航帶間距：每條航帶以其首尾端點的連線為該航帶所在的線段，以其線段所在的方向角作為該航帶的方向角；設(shè)第j條線段的方向角為αj，其中j＝1，2，3，…，m，則相鄰航帶之間的方向角之差的絕對值為|αj-αj+1|，若|αj-αj+1|＜δα，δα是為自定義的近似平行閾值，則判定兩條航帶近似平行，反之，則判定兩條航帶不近似平行；

從第一條航帶起，根據(jù)航帶間的平行性計算相鄰兩條航帶的間距，設(shè)第j條航帶和j+1條航帶的間距為dj，dj計算方法為：

當j和j+1條航帶近似平行時，設(shè)第j條航帶首尾端點到第j+1條航線的垂直距離分別l1和l2，則

當j和j+1條航帶不近似平行時，設(shè)像幅高為h，平均地面分辨率為r，則dj＝0.7×h×r；

(2.2)計算航飛的總面積：以航帶首尾端點之間的間距為該航帶的長度，設(shè)第j條航帶的長度為d′j，m條航帶間共有m-1個間距值，則航飛面積

(2.3)計算相鄰像控航向基線間隔：設(shè)像控密度ρ、像控旁向航線間隔數(shù)b1，則相鄰像控的航向基線間隔

(2.4)計算應(yīng)放置像控的航帶：從第一條航帶開始，在第j和j+1條航帶之間放置像控，j滿足：j＝1+t×b1，其中，t＝0，1，2，...，

(2.5)在航帶間放置像控：首先確定每相鄰兩個航帶間首個像控起始位置，即第j和j+1條航帶間首個像控起始位置，之后沿第j航帶向量方向，每間隔b2距離的間隔放置一個像控，直至像控在j航帶上的投影點超過尾端點前停止；

按照該方法在(2.4)中計算所得的所有航帶之間放置像控，即可構(gòu)建出像控分布網(wǎng)；

步驟(3)：將步驟(2.5)中放置的像控p的地面坐標(x′p，y′p)，自動匹配到像控p在影像上對應(yīng)的像點坐標(x″p，y″p)，并在影像上標定位置，生成像控可選范圍航片圖；

其具體步驟如下：

(3.1)從像控p所在的第j和j+1條航帶中的航片中挑選出離像控p最近的像片；遍歷兩條航帶中nj張像片的pos平面坐標(xi，yi)，其中nj為第j和j+1條航帶像片總和，計算每張像片對應(yīng)pos點和像控p的平面距離dp：

從中挑選出使dp值最小的pos點對應(yīng)的像片，作為要進行匹配的像片；

(3.2)根據(jù)匹配像片的pos數(shù)據(jù)及像控的地面坐標(x′p,y′p，z′p)，其中z′p取估計的測區(qū)平均高程值，采用攝影測量共線方程，計算出像控p對應(yīng)的像點坐標(x″p,y″p)；

其中a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3是像空間輔助坐標系和地面攝影測量坐標系之間旋轉(zhuǎn)矩陣的參數(shù)，f為相機焦距，旋轉(zhuǎn)矩陣參數(shù)和像片的姿態(tài)角ωi，κi之間的關(guān)系為：

b1＝sinκicosωi；

b2＝cosκicosωi；

b3＝-sinωi；

(3.3)判斷像點坐標是否在規(guī)定范圍內(nèi)：設(shè)像片的像幅寬和高分別為w和h，像元大小為μ；則像點坐標(x″p,y″p)應(yīng)在以下范圍內(nèi)：

如果不在范圍內(nèi)，則剔除該張像片，兩條航帶像片總數(shù)減1，并回到第(3.1)步；如在范圍內(nèi)，則繼續(xù)第(3.4)步；

(3.4)標定像控可選范圍：以匹配的像點坐標像點坐標(x″p,y″p)為圓心，以自定義的半徑r畫圓，所獲得的范圍即為該像控可選測量范圍，該可選測量范圍即為該像控對應(yīng)的航片標定位置；在原始航片上標定了該像控可選測量范圍后，即可得到標定有像控可選范圍的航片圖；其中r需滿足：r<0.35×h，且r<0.35×w。

進一步，優(yōu)選的是，步驟(1)具體為：pos數(shù)據(jù)記錄了航片的6個外方位元素，分別為位置坐標(x,y,z)及旋轉(zhuǎn)角其中平面位置坐標(x,y)為經(jīng)緯度形式的大地坐標；具體步驟如下：

(1.1)根據(jù)設(shè)定的地理參考及投影方式將pos數(shù)據(jù)的位置坐標投影到投影坐標系下；

(1.2)由第一個pos點開始，依次計算每個pos點指向其相鄰pos點的向量坐標；設(shè)第i個點的平面位置為(xi,yi),其中,i＝1,2，3，…，n；，該點形成的向量坐標為(xi+1-xi,yi+1-yi)；總數(shù)為n的pos點共生成n-1條pos點向量；

(1.3)計算相鄰pos點向量之間的夾角，第i個pos點相鄰向量的夾角為n-1條pos點向量形成n-2個夾角；其中,i＝2，3，…，n-1；

(1.4)根據(jù)設(shè)定的航線彎曲度限值將同屬一條航帶的pos點歸組，恢復航帶；以第一個pos點作為第一條航帶的首端點，并從第一個夾角開始，依次比較每個夾角θi和航線彎曲度限值δθ，如θi＜δθ則認為第i個pos點屬于該條航帶，反之則斷開此航帶，生成新航帶，并將第i-1個pos點作為該條航帶的末端點，第i個pos點作為新航帶的起始點；比較完n-2個夾角后，將第n個pos點作為最后一條航帶的末端點。

進一步，優(yōu)選的是，航線彎曲度限值δθ為15°。

進一步，優(yōu)選的是，步驟(2.1)δα設(shè)為5°。

進一步，優(yōu)選的是，步驟(2.5)的具體方法為：

首先確定每相鄰兩個航帶間首個像控起始位置，即第j和j+1條航帶間首個像控起始位置，確定第j和j+1條航帶間首個像控起始位置的具體方法為：

首先設(shè)立像控坐標系，以第j條航帶首端點為坐標原點，以首端點指向尾端點方向作x軸，以垂直于x方向并指向j+1條航帶方向作y軸；設(shè)起始像控在像控坐標系下的坐標為(x0，y0)，起始像控到第j航帶的垂直距離為航帶間距的一半，即

當j＝1時，即第1條和第2條航帶間首個像控的

當j不為1時，設(shè)第j-b1和j-b1+1條航帶間最后放置的一個像控為xk_last，在建立的坐標系內(nèi)，xk_last在第j條航帶上的投影為(x_last，0)；

若則

若則

確定了航帶間首個像控坐標(x0，y0)后，沿x方向每隔b2距離放置一個像控，直至超過第j條航帶尾端點的x坐標值xend之前停止；

設(shè)第j和j+1條航帶間第p個像控的坐標為(xp，yp)，則有：

xp＝x0+b2×p，且需滿足xp≤xend；

最后，計算本步驟建立坐標系和測區(qū)坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將像控在像控坐標系中坐標(xp，yp)，轉(zhuǎn)換為地面坐標(x′p，y′p)。

進一步，優(yōu)選的是，步驟(3.2)中平均高程值在谷歌地球上判斷。

本發(fā)明通過對pos數(shù)據(jù)的處理，恢復出航帶模型，并根據(jù)簡單的輸入?yún)?shù)自動計算出像控網(wǎng)型參數(shù)，在pos數(shù)據(jù)的輔助下，自動構(gòu)建像控分布網(wǎng)，生成像控分布圖；然后基于攝影測量共線方程，自動挑選出符合要求的航片，匹配像控分布網(wǎng)節(jié)點在航片上的標定位置，生成標定有像控可選范圍的航片圖。

本發(fā)明提出的一種無人機影像像控分布網(wǎng)構(gòu)建與航片可選范圍匹配方法，基本思路是：

(1)在pos數(shù)據(jù)的輔助下，通過自動恢復航帶、計算航飛面積、計算相鄰像控的航向基線間隔的方式，構(gòu)建像控分布網(wǎng)，生成像控分布圖。

(2)在pos數(shù)據(jù)的輔助下，基于攝影測量共線方程，計算像控分布網(wǎng)節(jié)點在對應(yīng)航片上的像點坐標，并在航片上標定出匹配位置，生成像控可選范圍航片圖。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為：

本發(fā)明方法通過少量的參數(shù)設(shè)置便能夠構(gòu)建規(guī)范的像控網(wǎng)型，本發(fā)明構(gòu)建像控分布網(wǎng)具有如下有益特征：

(1)用戶僅需輸入簡單的參數(shù)，即可自動構(gòu)建規(guī)范的像控分布網(wǎng)。

(2)像控分布均勻，像控分布網(wǎng)任意一節(jié)點與周圍節(jié)點的距離均最大限度趨近于節(jié)點平均距離。

本發(fā)明能夠由像控分布網(wǎng)快速的匹配航片標定位置，本發(fā)明匹配出標定有像控可選范圍的航片圖具有如下有益特征：

(1)保證像控可選范圍盡量居中，方便外業(yè)找點工作。

(2)像控地面坐標的高程值的獲取簡單，像控地面坐標的平面坐標值x,y為構(gòu)建的像控分布網(wǎng)中的節(jié)點坐標，高程值z取測區(qū)平均高程值。

本發(fā)明大幅減少了各環(huán)節(jié)的人工操作工作量，提高了像控分布網(wǎng)構(gòu)建與航片匹配的效率。經(jīng)統(tǒng)計，相比傳統(tǒng)的作業(yè)方式，采用基于本專利發(fā)明算法而開發(fā)的像控構(gòu)網(wǎng)與航片匹配軟件可將效率提升1000％左右。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的總流程圖。

圖2為本發(fā)明實施例構(gòu)建的像控網(wǎng)型圖。

圖3為本發(fā)明實施某像控航片標定位置匹配效果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，下列實施例僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)視為限定本發(fā)明的范圍。實施例中未注明具體技術(shù)或條件者，按照本領(lǐng)域內(nèi)的文獻所描述的技術(shù)或條件或者按照產(chǎn)品說明書進行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。

本發(fā)明技術(shù)方案可采用計算機軟件技術(shù)實現(xiàn)自動運行。如圖1所示，實施例的技術(shù)方案流程包括以下步驟：

步驟一：pos數(shù)據(jù)處理及航帶恢復。pos數(shù)據(jù)記錄了航片的6個外方位元素：位置坐標(x,y,z)及旋轉(zhuǎn)角其中平面位置(x,y)多為經(jīng)緯度形式的大地坐標。pos數(shù)據(jù)處理及航帶恢復具體步驟如下：

(1)根據(jù)設(shè)定的地理參考及投影方式將pos數(shù)據(jù)的位置坐標投影到投影坐標系下。

(2)由第一個pos點開始，依次計算每個pos點指向其相鄰pos點的向量坐標。設(shè)第i個點的平面位置為(xi,yi),該點形成的向量坐標為(xi+1-xi,yi+1-yi)。總數(shù)為n的pos點共生成n-1條pos點向量。

(3)計算相鄰pos點向量之間的夾角，第i個pos點相鄰向量的夾角為n-1條pos點向量形成n-2個夾角。

(4)根據(jù)設(shè)定的航線彎曲度限值將同屬一條航帶的pos點歸組，恢復航帶；以第一個pos點作為第一條航帶的首端點，并從第一個夾角開始，依次比較每個夾角θi和航線彎曲度限值δθ，如θi＜δθ則認為第i個pos點屬于該條航帶，反之則斷開此航帶，生成新航帶，并將第i-1個pos點作為該條航帶的末端點，第i個pos點作為新航帶的起始點；比較完n-2個夾角后，將第n個pos點作為最后一條航帶的末端點。

按照步驟一所述方法可自動恢復航帶，設(shè)共生成m條航帶。

步驟二：在pos數(shù)據(jù)輔助下構(gòu)建像控分布網(wǎng)。像控分布網(wǎng)構(gòu)建的具體步驟如下：

(1)計算航帶間距。從第一條航帶起，計算航帶間距。每條航帶以其首尾端點的連線為該航帶所在的線段。計第j(j＝1，2，3…m)條線段的方向角為αj，計算相鄰航帶之間的方向角之差的絕對值，若|αj-αj+1|＜δα(δα是為近似平行閾值，通常設(shè)置為5°)則認為兩條航帶近似平行，第j條和j+1條航帶間距為dj的計算方法為：

①當j和j+1條航帶近似平行時，設(shè)第j條航帶首尾端點到第j+1條航線的垂直距離分別l1和l2，

②當j和j+1條航帶不近似平行時，根據(jù)相機參數(shù)及地面分辨率，設(shè)像幅高h，平均地面分辨率r，dj＝0.7×h×r。

(2)計算航飛的總面積。以航帶首尾端點之間的間距為該航帶的長度，設(shè)第j條航帶的長度為d′j，m條航帶間共有m-1個間距值，可得航飛面積

(3)計算相鄰像控航向基線間隔。根據(jù)自定義設(shè)定的像控密度ρ，以及像控旁向航線間隔數(shù)b1，則相鄰像控的航向基線間隔

(4)計算應(yīng)放置像控的航帶。從第一條航帶開始，在第j和j+1條航帶之間放置像控，j滿足：j＝1+t×b1(t＝0，1，2，...，)。

(5)在航帶間放置像控。確定第j和j+1條航帶間首個像控起始位置后，沿第j航帶向量方向(j航帶首端點指向尾端點)，每間隔b2距離的間隔放置一個像控，直至像控在在j航帶上的投影點超過尾端點前停止。具體方法為：

①以第j條航帶首端點為坐標原點，以首端點指向尾端點方向作x軸，以垂直于x方向并指向j+1條航帶方向作y軸。

②設(shè)起始像控在此坐標系下的坐標為(x0，y0)，起始像控到第j航帶的垂直距離為航帶間距的一半，即

③第1條和第2條航帶間首個像控(亦是整個測區(qū)首個像控)，在第1條航帶上的投影坐標應(yīng)和首端點距離為像控航向基線間隔距離的一半，即全測區(qū)首個像控為保證不同航帶間像控呈現(xiàn)交錯排列，其他航帶間首個像控x0的確定方法為：

設(shè)第j-b1和j-b1+1條航帶間最后放置的一個像控為xk_last(即上一航帶間放置的最后像控)，在①中建立的坐標系內(nèi)，xk_last在第j條航帶上的投影為(x_last,0)。

若則

若則

④確定了航帶間首個像控坐標(x0，y0)后，沿x方向每隔b2距離放置一個像控，直至超過第j條航帶尾端點的x坐標值xend之前停止。設(shè)航帶間第p個像控的坐標為(xp，yp),則有：

xp＝x0+b2×p，且需滿足xp≤xend；

⑤計算①中建立坐標系和測區(qū)坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將像控在①中坐標(xp，yp)，轉(zhuǎn)換為測區(qū)坐標(x′p,y′p)。

上述步驟完成之后，即可獲得依據(jù)自定義網(wǎng)型參數(shù)生成的像控分布網(wǎng)，如圖2所示，本專利構(gòu)建的像控網(wǎng)型具有如下特征：

①通用性強，適用于各種航飛軌跡布網(wǎng)。對于一些奇異的飛行軌跡亦能構(gòu)建出穩(wěn)定的像控網(wǎng)型。

②像控分布均勻，不同航帶間像控呈交錯排列。

③參數(shù)指定簡單，用戶只用設(shè)定像控分布密度與像控旁向航線間隔數(shù)。

步驟三：在pos數(shù)據(jù)輔助下，從步驟二中放置的像控p的地面坐標(x′p,y′p)，自動匹配到像控在影像上對應(yīng)的像點坐標(x″p,y″p)，并在影像上標定位置，生成“像控可選范圍航片圖”。其具體步驟如下：

(1)從像控所在的第j和j+1條航帶中的航片中挑選出離像控最近的像片。遍歷兩條航帶中nj(nj為第j和j+1條航帶像片總和)張像片的pos平面坐標(xi，yi)，計算每張像片對應(yīng)pos點和像控p的平面距離:

從中挑選出使dp值最小的pos點對應(yīng)的像片，作為要進行匹配的像片。

(2)根據(jù)匹配像片的pos數(shù)據(jù)及像控的地面坐標(x′p,y′p，z′p)，其中z′p取估計的測區(qū)平均高程值(平均高程值可在谷歌地球上判斷)，采用攝影測量共線方程，計算出像控p對應(yīng)的像點坐標(x″p,y″p)。

其中a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3是像空間輔助坐標系和地面攝影測量坐標系之間旋轉(zhuǎn)矩陣的參數(shù)，f為相機焦距，旋轉(zhuǎn)矩陣和像片的姿態(tài)角ωi，κi之間的關(guān)系為：

b1＝sinκicosωi

b2＝cosκicosωi

b3＝-sinωi

(3)判斷像點坐標是否在規(guī)定范圍內(nèi)。設(shè)像片的像幅寬和高分別為w和h，像元大小為μ。則像點坐標(x″p,y″p)應(yīng)在以下范圍內(nèi):

如果不在范圍內(nèi)，則剔除該張像片，兩條航帶像片總數(shù)減1，并回到第(1)步；如在范圍內(nèi)，則繼續(xù)第(4)步。

(4)標定像控可選范圍。以匹配的像點坐標像點坐標(x″p,y″p)為圓心，以自定義的半徑r(r滿足：r<0.35×h,且r<0.35×w)畫圓，所獲得的范圍即為該像控可選測量范圍。此種標定方式乃是考慮如下因素：

①內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理人員不在實地的情況下，直接選取目標未必合適——可能存在目標已經(jīng)不存在，或?qū)嶋H目標不符合要求的情況。故只指定一個可選取目標的范圍。

②初始pos數(shù)據(jù)不夠精確且像控地面高程坐標為估計值，故計算的對應(yīng)像點位置非精確值。

③在規(guī)定范圍選取測量目標，對像控分布網(wǎng)型影響小。

上述步驟完成之后，即可匹配獲得每個像控對應(yīng)的航片標定位置，生成標定有“像控可選范圍”的航片圖，如圖3所示。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。