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具有前向像移补偿功能的彩色大面阵测绘相机内方位元素标定研究

作　者: 远国勤
导　师: 丁亚林
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 彩色大面阵航空测绘相机内方位元素标定分组渐近算法前向像移补偿中心投影构象方程
分类号: V245.6
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

航空测量在军事及国民建设等领域具有广阔的应用前景。随着人类科学技术的不断发展，对航空测量成像的要求也越来越高。本文从具有前向像移补偿功能的彩色大面阵航空测绘相机的几何标定出发，对前向像移补偿、内方位元素精密标定、畸变纠正等相关技术进行了深入研究。对主点、主距、畸变系数等内方位元素进行标定是研究测绘相机中的一个重要部分，精确标定出测绘相机的内方位元素是实现高精度测绘的前提，精密测角法是测绘相机常用的一种内方位元素标定方法，原理是利用平行光管作为目标发生器，根据平行光线的入射角度及其对应的像点坐标，以镜头畸变平方和最小为约束条件对内方位元素和光学畸变进行计算。精密测角法标定测绘相机内方位元素中具有理论误差和标定精度容易受观测点分布状态影响的缺陷，针对这个问题，提出了一种基于精密测角法的分组渐进标定算法。提出的算法包括２个部分：采用分组渐近方式调整精密转台零点位置，减小了理论误差；对每组观测数据引入了数据一致性约束，消除观测值分布、数量对标定结果的影响。精度分析实验数据显示，在相同试验环境条件下，分组渐进标定算法中主点、主距标定精度比精密测角算法分别提高了2.43倍和2.00倍，表明分组渐进标定算法提高了标定精度。由于航空测绘相机在载机前向飞行中成像，曝光过程中存在前向像移，降低了图像的分辨率，并影响大比例尺图像的制作。为了提高航空测绘性能，研究了一种基于等径共轭凸轮的前向像移补偿机构并对关键部件进行了优化设计，利用驱动CCD探测器的方式补偿前向像移，实验表明本机构可有效提高成像分辨率。前向像移补偿机构造成了测绘相机内方位元素的变化，本文根据中心投影的构象方程建立了前向像移补偿下内方位元素的标定数学模型。航空检校试验表明，提出的标定模型有效的保证了测绘精度及图像分辨率。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-13
图表目录  13-16
第1章绪论  16-26
  1.1 课题背景及研究意义  16-17
  1.2 航空测绘相机的发展现状  17-22
    1.2.1 航空测绘相机的类型  17
    1.2.2 航空测绘相机国内外发展现状  17-22
  1.3 成像分辨率与成图比例尺的关系  22-23
  1.4 测绘相机内方位元素标定方法  23
  1.5 本文研究内容  23-26
第2章彩色大面阵航空测绘相机前向像移补偿机构研究  26-42
  2.1 航空测绘相机成像方式  27-28
  2.2 像移补偿机构研究  28-29
  2.3 彩色大面阵航空测绘相机前向像移补偿机构  29-40
    2.3.1 离合器  30-31
    2.3.2 补偿前向像移时CCD探测器的运动分析  31-33
    2.3.3 前向像移补偿机构关键部件优化  33-40
  2.4 成像测试  40-41
    2.4.1 实验室内成像测试  40-41
    2.4.2 飞行成像测试  41
  2.5 本章小结  41-42
第3章前向像移补偿下航空测绘相机内方位元素标定步骤  42-58
  3.1 像方空间坐标系的定义  42-45
    3.1.1 像平面坐标系  43
    3.1.2 数字图像坐标系  43
    3.1.3 辅助数字图像坐标系  43-44
    3.1.4 辅助图像坐标系  44
    3.1.5 相机坐标系（像空间坐标系）  44-45
  3.2 像方空间坐标系的定义  45-46
    3.2.1 地面测量坐标系  45-46
    3.2.2 地面摄影测量坐标系  46
  3.3 航空测绘成像过程的中心投影构象方程及其投影变换  46-50
    3.3.1 光学畸变对成像过程的影响  48-50
  3.4 正直摄影条件下曝光过程中外方位元素变化造成的像点位移  50-52
  3.5 曝光过程中消除像点位移时内方位元素变化  52-54
  3.6 前向像移补偿下测绘相机内方位元素标定分析  54-55
    3.6.1 前向像移补偿下航空测绘相机像点位置误差影响因素分析  54-55
    3.6.2 前向像移补偿下航空测绘相机内方位元素影响因素分析  55
  3.7 前向像移补偿下测绘相机内方位元素标定步骤  55-56
  3.8 本章小结  56-58
第4章航空测绘相机静态内方位元素值的标定  58-80
  4.1 测绘相机内方位元素标定内容  58-59
  4.2 静态下测绘相机常用的内方位元素标定方法  59-67
    4.2.1 精密测角法  60
    4.2.2 三维试验场标定方法  60-61
    4.2.3 基于径向约束的两步标定方法  61-63
    4.2.4 张正友的标定方法  63-66
    4.2.5 基于衍射元件的标定方法  66-67
    4.2.6 自标定方法  67
  4.3 基于精密测角法的分组渐近算法  67-79
    4.3.1 精密测角算法简介  67-72
    4.3.2 分组渐近测量（PAGM）法  72-76
    4.3.3 PAGM算法精度分析  76
    4.3.4 PAGM算法流程  76-77
    4.3.5 PAGM算法实验验证  77-79
  4.4 本章小结  79-80
第5章前向像移补偿中航空测绘相机内方位元素标定实现  80-116
  5.1 理想成像过程中前向像移补偿对航空测绘相机几何标定的影响  80-83
  5.2 实际成像过程中前向像移补偿对航空测绘相机几何标定的影响  83
  5.3 像点位置误差分析  83-93
    5.3.1 载机飞行姿态误差对像点位置误差的影响及纠正  83-88
    5.3.2 前向像移补偿机构中加工、装调因素造成的像点位置误差  88-93
  5.4 前向像移补偿过程中像点位置误差一级纠正模型  93-97
    5.4.1 像点位置误差的纠正处理及精度分析  95-97
  5.5 像片一级纠正实现  97-99
  5.6 畸变分析  99-109
    5.6.1 前向像移补偿过程中主点位置变化造成的畸变  99-101
    5.6.2 前向像移补偿过程中的非共面性误差造成的畸变  101-104
    5.6.3 前向像移补偿过程中畸变的变化量  104
    5.6.4 前向像移补偿过程中畸变变化量的数学模型  104-106
    5.6.5 畸变模型系数解算  106-109
  5.7 外场试验  109-115
    5.7.1 POS系统辅助空中三角测量模型  109-112
    5.7.2 外场试验数据处理与精度分析  112-115
  5.8 本章小结  115-116
第6章结论与展望  116-118
  6.1 学位论文完成的主要研究工作  116
  6.2 学位论文的创新点  116-117
  6.3 展望  117-118
参考文献  118-124
在学期间学术成果情况  124-126
指导老师与作者简介  126-128
致谢  128

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