Разработка и исследование способов калибровки снимков с использованием средств спутниковой навигации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.34, кандидат технических наук Быков, Василий Леонидович

• Быков, Василий Леонидович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Быков, Василий Леонидович

Введение.

1 Ошибки снимков и способы их учета.

1.1 Влияние ошибок снимков на точность фотограмметрических измерений.

1.2 Требования к точности учета параметров центральной проекции и анализ способов калибровки съемочных фотокамер.

1.3 Современные средства спутникового позиционирования и их использование в задачах калибровки снимков.

2 Калибровка съемочных фотокамер по плоскому тест-объекту.

2.1 Лабораторная калибровка малоформатных цифровых фотокамер.

2.2 Калибровка широкоформатных фотокамер на равнинном испытательном полигоне.

2.3 Использование одиночных снимков при калибровке на равнинном испытательном полигоне.

3 Исследован^ способа калибровки снимков, основанного на фотограмметрической обработке изображений плоского тест-объекта в сочетании с данными спутникового координирования центров фотографирования.

3.1 Использование методики калибровки снимков при обработке данных цифровой аэрофотосъемки, полученных малоформатными цифровыми камерами.

3.2 Методика создания испытательного полигона.

3.3 Исследование способов калибровки широкоформатных снимков в условиях испытательного полигона.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование способов калибровки снимков с использованием средств спутниковой навигации»

Прогресс в области цифровых технологий способствовал появлению на рынке высококачественной цифровой фотосъемочной аппаратуры. Малоформатные и среднеформатные цифровые камеры с успехом используются при наземной стереотопографической съемке, а также при аэрофотосъемке с беспилотных, легких летательных аппаратов и средств малой авиации [84, 77, 68, 57]. Разрабатываются широкоформатные цифровые аэрофотосъемочные комплексы, способные конкурировать с лучшими образцами пленочных камер [77]. Внедрение цифровой фотографической техники в практику аэрофотосъемки упрощает технологию фотографирования и обработки материалов съемки, снимает ряд ограничений по динамическим условиям полета, позволяет получать высококачественные цветные и спектрозональные снимки. И все-таки производительность цифровых комплексов лишь приближается к производительности лучших образцов аналоговой аппаратуры, таких, как ЫС-ЗО.

С появлением цифровой техники для аэрофотосъемки существенно изменились подходы к определению элементов внутреннего ориентирования. На смену визуальным лабораторным способам калибровки, успешно применявшимся на протяжении многих лет, приходят лабораторные фотографические способы, основанные на использовании фотографий тест-объектов. Для широкоформатных цифровых камер актуальна задача калибровки снимков на испытательных полигонах. Для этих целей требуется в горных условиях создавать полигоны в горных районах, что связано с большими трудозатратами.

Исследованиям в области калибровки фотокамер и снимков посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных ученых: Коншина М.Д., Лобанова А.Н., Антипова И.Т., Гельмана Р.Н., Гука А.П., Дубиновского В.Б., Желтова С.Ю., Журкина И.Г., Малявского Б.К., Погорелова В.В.,.

Тюфлина Ю.С, Чебуничева А.Г., Куркова В.М., Михайлова А.П., Ackerman F., Norton C.L. и др.

В настоящее время широкое распространение получили спутниковые системы позиционирования. Использование спутниковых навигационных систем при калибровке снимков позволяет усовершенствовать известные методы калибровки, использование которых ограничивалось отсутствием эффективных средств позиционирования в пространстве. Исследования способов калибровки, основанных на сочетании методов фотограмметрии и спутникового позиционирования в условиях равнинных полигонов, представляются актуальными.

Цель - разработка и исследование методики калибровки фотосъемочных камер и снимков по испытательному на основе обработки плоских тест-объектов с использованием данных спутникового позиционирования центров фотографирования.

Для реализации поставленной цели необходимо решение следующих задач: выполнить анализ существующих способов калибровки; разработать методику лабораторной калибровки малоформатных фотокамер, основанную на двухъярусном фотографировании плоского тест-объекта; выполнить исследование способа полной калибровки снимков в условиях равнинного полигона, с определением разности высот фотографирования с помощью средств спутникового позиционирования; разработать технологию спутниковых наблюдений при калибровке снимков на равнинном испытательном полигоне; разработать технологию для внедрения в производство способа полной калибровки снимков.

Научная новизна заключается в разработке:

- методики калибровки малоформатных цифровых фотокамер, основанной на двухъярусном фотографировании плоского тест-объекта, что 4 позволяет оперативно выполнять калибровку и обновлять калибровочные данные;

- способа полной калибровки снимков по равнинному полигону, с использованием средств спутникового позиционирования для определения разности высот фотографирования;

- технологии спутниковых наблюдений для калибровки снимков по равнинному испытательному полигону, включающие установление местной системы координат, выполнение синхронных спутниковых наблюдений во время съемки полигона.

Положения, выносимые па защиту:

- методика калибровки малоформатных цифровых фотокамер, основанная на двухъярусном фотографировании плоского тест-объекта;

- способ полной калибровки снимков по равнинному полигону, с использованием средств спутникового позиционирования для определения разности высот фотографирования;

- технология спутниковых наблюдений, обеспечивающая калибровку снимков на равнинном испытательном полигоне;

- технология калибровки снимков по равнинному испытательному полигону.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе аналитической фотограмметрии с использованием теории вероятностей и математической статистики. Экспериментальные исследования были выполнены с использованием методов математического моделирования, также проведены опытно-производственные работы на реальных объектах.

Реализация работы. В результате теоретических и экспериментальных исследований разработана методика лабораторной калибровки малоформатных цифровых камер, создана методика, позволяющая рассчитать параметры тест-объектов и калибровочных полигонов, предвычислить точность результатов калибровки. Разработана программа научных исследований, принятая к внедрению в ФГУП «Госземкадастрсъемка» ВИСХАГИ. Создан 5 калибровочный полигон на территории Омского аэроклуба РОСТО. Выполнены экспериментальные работы.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на LUI Международной технической конференции СГГА, международных научных конгрессах «Гео-Сибирь» (2005-2007), научных конференциях профессорско-преподавательского состава СибАДИ (2004-2005), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ОмГАУ (2004-2005), научно-производственной конференции «Кадастр объектов недвижимости. Современные технологии сбора, обработки и предоставления геоинформации» (2005).

Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 8 научных работах (из них 7 - в соавторстве). Одна статья опубликована в журнале «Геодезия и картография», входящем в список рецензируемых научных журналов ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа изложена на 173 страницах ( из них 55 - приложения), содержит 20 таблиц, 17 рисунков. Список литературы включает 100 наименований, в том числе 11 на иностранных языках.

Заключение диссертации по теме «Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия», Быков, Василий Леонидович

Выводы. Анализ полученных данных показал:

• Решение достигается при любом из заданных значений колебания рельефа и коэффициента регуляризации.

• Точность решения определяется количеством итераций и заданным допуском на значения поправок к неизвестным. В сочетании с коэффициентом регуляризации подбор этих критериев позволяет повысить точность результатов калибровки.

Полученные результаты не парадоксальны. Их следует рассматривать как частное решение. Основной задачей калибровки на испытательном полигоне является обеспечение переноса параметров калибровки в условия реального объекта, то есть в другие условия фотографирования, колебания рельефа. Поэтому опасность ошибки при переносе частного решения в более общие условия возрастает. По этой причине метод регуляризации не следует применять при калибровке снимков на испытательном полигоне. Он может найти применение скорее при самокалибровке снимков в конкретных условиях

81 фотографирования. Например, для определения параметров внутреннего ориентирования цифровых камер с неизвестными или переменными элементами внутреннего ориентирования при локальных комбинированных съемках зданий, сооружений, когда каркас объекта снимается геодезическим способом, а детали объекта воспроизводятся по снимкам. Избыток опорных точек создает благоприятные условия для самокалибровки снимков, снимает ограничения по использованию трансфокации объективов при фотографировании.

Таким образом, при использовании одиночных снимков для определения элементов внутреннего ориентирования в условиях равнинного полигона, надежные результаты можно получить с помощью спутниковых приемников для определения координат центра фотографирования. Недостатком такого решения является необходимость контроля параметров калибровки с использованием избыточных снимков, так как точность определения параметров внутреннего ориентирования зависит от точности определения элементов внешнего ориентирования.

3 Исследование способа калибровки снимков, основанного на фотограмметрической обработке изображений плоского тест-объекта в сочетании с данными спутникового координирования центров фотографирования

3.1 Использование методики калибровки снимков при обработке данных цифровой аэрофотосъемки, полученных малоформатными цифровыми камерами

Исследование способа лабораторной калибровки выполнено методом имитационного моделирования.

Целью исследования было изучение влияния случайных и систематических ошибок снимка на точность определения фокусного расстояния фотокамеры с использованием четырех алгоритмов. Исследования проводились на различных моделях фотосъемки. Оценка точности определения фокусного расстояния производилась по его уклонению от среднего значения, полученного в нескольких реализациях. Для решения этой задачи была создана программа в среде Delphi 7. Блок-схема и текст программы приведены в приложении Д.

Для исследования алгоритмов был выполнен аналитический расчет моделей фотосъемки, которая может быть выполнена с помощью малоформатного цифрового фотоаппарата фирмы «Sony». При моделировании использовались принципы, изложенные в работе [46]. Моделировалась съемка плоского тест-объекта с двух высот фотографирования. Все моделируемые съемки могли быть выполнены на калибровочной установке, построенной в Западно-Сибирском филиале ФГУП «Госземкадастрсъемка».

При создании моделей фотосъемки учитывались следующие параметры:

- фокусное расстояние,

- высота фотографирования крупномасштабного снимка,

- гиперфокальное расстояние объектива,

- отношение высот фотографирования.

При моделировании задавались координаты крестов калибровочной сетки, при этом начало координат сетки совмещено с левым нижним углом сетки. Координаты крестов сетки в системах координат крупномасштабного и мелкомасштабного снимков вычисляются с помощью формул связи координат точек снимка и местности при заданных элементах внутреннего ориентирования.

Для исследования были приняты модели фотоснимков с фокусными расстояниями 8 и 10 мм. Отношения высот фотографирования мелкомасштабного и крупномасштабного снимков составляли 1,5 и 2. Высота фотографирования крупномасштабного снимка моделируемой съемки при фокусном расстоянии 8 мм составила 1150 мм, а при фокусном расстоянии 10 мм - 1800 мм. Такие высоты фотографирования превышают гиперфокальные расстояния для заданных фокусных расстояний при допустимом кружке нерезкости 0,02 мм.

Эксперимент устанавливал зависимость точности определения фокусного расстояния при изменении отношения случайных и систематических ошибок, вводимых в имитационные модели. Значения случайных ошибок вводились по нормальному закону распределения с математическим ожиданием, равным 0, и со среднеквадратическим отклонением, равным 0,01 мм в масштабе снимка. Систематические ошибки вводились в соответствии с формулой (2.43).

Фокусное расстояние определяется по моделям с введенными случайными и систематическими ошибками. Вычисление фокусного расстояния производится по формуле (2.3).

Разность высот считается известной, так как в условиях лабораторной калибровки она определяется по отсчетному устройству с точностью до 0,1 мм, а отношение высот фотографирования задается при создании модели. Вычисление разности масштабов производится по соответственным отрезкам на крупномасштабном и мелкомасштабном снимках. В эксперименте участвуют четыре способа выбора соответственных отрезков.

При первом способе отрезки строятся по точкам, лежащим в противоположных четвертях снимка. Точки для создания отрезков выбираются симметрично относительно начала координат на снимке, таким образом минимизируется ошибка за угол наклона снимка. Предельная асимметрия точек составляет 1 мм. Длина отрезка, принимаемого в вычислениях, выбирается в интервале от 0.5 до 1.0 от диагонали кадра.

Второй способ построен на использовании квазиопорных точек. Квазиопорная точка - это мнимая точка, координаты которой получены как среднее из всех координат опорных точек в каждой четверти снимка. Такой способ позволяет более полно использовать опорные данные, поскольку в вычислениях участвуют координаты даже тех опорных точек, которые могли быть отбракованы в первом способе.

В третьем способе выбор отрезков производится аналогично первому, но координаты точек дополнительно трансформируются по элементам внешнего и ориентирования. Благодаря трансформированию при лабораторной калибровке на результат определения фокусного расстояния не влияет угол наклона снимка, а значит, и ошибки, вызванные остаточной (даже допустимой) асимметрией базисов.

Четвертый способ - это способ построения отрезков по квазиопорным точкам, созданным на дополнительно трансформированных изображениях. В этом случае фокусное расстояние определяется по второму способу. Четвертый способ, как и третий, имеет преимущества, связанные с устранением влияния угла наклона снимка. Кроме того, опорные данные в вычислениях используются в полном объеме, аналогично второму способу. Эти факторы позволяют надеяться на получение наиболее точных результатов при определении значения фокусного расстояния по сравнению с другими описанными способами.

Для анализа рассмотренных методов выполнялось вычисление фокусного расстояния в четырех имитационных моделях при фокусных расстояниях 8 и 10 мм и отношениях высот фотографирования 1,5 и 2.

Оценка точности выполнялась по уклонениям полученного фокусного расстояния от среднего значения. Для повышения достоверности оценка производилась по уклонениям фокусного расстояния в 100 реализациях. Средняя квадратическая ошибка определения фокусного расстояния вычислялась по формуле (3.1) т{

3.1)

V 71-1 ' где 8{ - уклонение вычисленного фокусного расстояния от среднего значения.

Результаты исследований приведены в таблице 3.1.