機載傾斜攝影相機攝影裝置的制作方法

技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及種機載攝影裝置，具體地說，是具有臺數(shù)為2-5的多臺面陣CCD相機來獲取以不同傾斜角度同步數(shù)據(jù)采集攝相裝置。
背景技術(shù)：
隨著城市規(guī)劃，建筑物景觀設(shè)計，三維導(dǎo)航等應(yīng)用對城市建筑物真三維重建的需要，建立鑲嵌建筑物真實墻面紋理具有非常現(xiàn)實的意義.
城市建模主要包括幾何建模和紋理建模兩部分。目前幾何建模和紋理建模所依賴的資料源都是分階段獲取。幾何建模的資料源通過衛(wèi)星、飛機獲取航天立體影像，或者激光掃描(LIDAR)資料；而紋理重建的資料源則主要基于計算機仿真的紋理和基于地面人工拍攝的影像.通過計算機仿真得到的紋理比較簡單，缺乏真實感；采用基于地面攝影方式獲取墻面紋理，即對每墻面攝取影像，由人機交互量測影像中墻面的角點，并切割、映像，從而得到墻面紋理，該方式不僅人工量非常大，勞動效率低，而且受到各種客觀環(huán)境的約束，比如攝影距離有限無法獲取高大建筑物的景，另外建筑物之間的遮擋非常嚴(yán)重。
考慮到幾何建模和紋理建模的資料源分階段獲取的工作量大和勞動效率低下，因而學(xué)者對于利用“單、多張影像”進(jìn)行建筑物的三維重建的理論和方法便非常重視(如張祖勛，Liebowitz等)，該方法利用其影像滅點原理解算影像的內(nèi)、外方位元元素，重建房屋的三維模型，同時建立影像和房屋的紋理映像關(guān)系，從而解決單個建筑物的幾何和紋理快速重建的問題；但該方法的資料源依然是基于地面人工拍攝方式獲取，因此，對于大面積的城市建筑物的真三維快速重建仍顯得力不從心。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前城市建筑物的三維重建存在勞動量大，效率低下，真實感較差等現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的是提供種同步獲取建筑物不同角度的序列影像的機載傾斜相機攝影裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)之缺陷。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下根據(jù)本發(fā)明的種機載傾斜相機攝影裝置，其點是包括臺數(shù)為2-5的多臺高空間分辨率面陣CCD相機組合裝置，以定角度安裝在標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定平臺上；姿態(tài)測量裝置，提供姿態(tài)和位置參數(shù)；數(shù)據(jù)存儲裝置；以及計算機系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對以上部件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制以及存儲維護，并發(fā)送同源觸發(fā)脈沖啟動該多臺面陣CCD相機，實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集。
本發(fā)明的裝置具有同步獲取前視、下視、后視、左視和右視等二個至五個不同角度的序列影像的能力.根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的需要來決定所需面陣CCD相機的個數(shù)。其中下視序列影像用于制作DEM、建筑物的三維空間模型和正射影像；其它角度的序列影像作為建筑物墻面紋理的資料源。由上看出本發(fā)明的裝置既提供了幾何建模的數(shù)據(jù)源，同時也具有了建筑物墻面的紋理源，為幾何建模和紋理建模體化的實現(xiàn)，提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于本發(fā)明的裝置是基于攝影，相對傳統(tǒng)基于地面攝影方式，其工作效率有著明顯的提高，房屋模型的真實感較強，而且為城市建模的半自動化、自動化提供條新的途徑。
多臺(2-5)相機同步工作，采用脈沖振蕩器發(fā)出同源脈沖給每臺相機和姿態(tài)量測系統(tǒng)(POS)，并通過相應(yīng)的傳感器使得每臺相機在同時刻曝光。通過記錄POS系統(tǒng)的時間數(shù)據(jù)，標(biāo)記每張影像的成像時刻，從而建立每臺相機之間的序列影像的索引關(guān)系。
其整機的主要技術(shù)指針如下●地面分辨率GSD0.2m(按航高1000m計算)；●光學(xué)成像的總視場角44°；●資料動態(tài)范圍76dB；●位置和姿態(tài)參數(shù)度；■機上實時位置3-10m，速度0.5m/s，俯仰和側(cè)滾2’，航偏角10’；■事后處理位置10-30cm，速度0.05m/s，俯仰和側(cè)滾1’，航偏角2’；●穩(wěn)定平臺俯仰和側(cè)滾穩(wěn)定范圍不小于±12°。
●環(huán)境條件環(huán)境溫度-10～50℃，濕度70～80％rH；
●海拔高度小于2000m，通用航測飛機常規(guī)振動和沖擊。
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)步的說明


圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2-1和圖2-2為本發(fā)明的多臺面陣CCD相機組合裝置實施例的視圖示意圖。
圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)組成模塊圖。
具體實施例方式下面根據(jù)圖1-圖3給出本發(fā)明個較好實施例，并予以詳細(xì)描述，以便進(jìn)步給出本發(fā)明的技術(shù)細(xì)節(jié)，使能更好地說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)征和功能點，但不是用來限定本發(fā)明的范圍。
如圖1所示，本發(fā)明之機載傾斜相機攝影裝置的總體結(jié)構(gòu)包括多臺(2-5臺)高空間分辨率面陣CCD相機組合裝置13；姿態(tài)測量裝置14，提供姿態(tài)與位置參數(shù)，該多臺面陣CCD相機組合裝置13和姿態(tài)測量裝置14安裝在攝影穩(wěn)定平臺5上，數(shù)據(jù)存儲裝置12，臺計算機控制系統(tǒng)11，負(fù)責(zé)對以上部件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制以及存儲維護，并發(fā)送同源觸發(fā)脈沖啟動多臺(2-5臺)面陣CCD相機，從而實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集。
為了便于介紹，在實施例中，將整個裝置分成三部分加以說明，即多臺高空間分辨率面陣CCD相機組合裝置；穩(wěn)定平臺、位置姿態(tài)測量和導(dǎo)航子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集/控制/存儲子系統(tǒng)多臺高空間分辨率面陣面陣CCD相機組合裝置如圖2-1，2-2所示，多臺高空間分辨率面陣CCD相機組合裝置13由五臺相機組成。每臺相機參數(shù)為


下視相機133為垂直攝影，用于制作DEM、正射影像，其它相機(前視相機131、后視相機132、左視相機134和右視相機135)為傾斜攝影，提供城市建筑物墻面紋理，傾斜角度在20°-50°之間。
●穩(wěn)定平臺、位置姿態(tài)測量和導(dǎo)航子系統(tǒng)穩(wěn)定平臺、位置姿態(tài)測量和導(dǎo)航子系統(tǒng)由攝影穩(wěn)定平臺5、姿態(tài)測量裝置4(POS)和計算機控制系統(tǒng)1中的導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成。通過高度姿態(tài)和定位參數(shù)的獲得，穩(wěn)定平臺5提供定度的水平，并能提供員和飛行員各種參數(shù)和導(dǎo)航參數(shù)。
位置姿態(tài)測量將采用國外機載高度POS裝置解決，它將球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(IMU)有機地結(jié)合在起，以多種接口方式靈活地提供高度的姿態(tài)和位置參數(shù)，并有原始數(shù)據(jù)記錄功能，供數(shù)據(jù)后處理獲得更高度的姿態(tài)和位置參數(shù)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)位置2-3m，速度0.2m/s，俯仰和側(cè)滾1.8’，航偏角6’的實時度。通過軟件事后處理能獲得位置10-30cm，速度0.04m/s，俯仰和側(cè)滾1’，航偏角2’的姿態(tài)定位度。
POS系統(tǒng)與多臺(2-5)相機組合裝置13以統(tǒng)共同剛性地安裝在二軸穩(wěn)定平臺15上。二軸穩(wěn)定平臺15提供相機組合裝置13個較低度的平臺，避免飛機由于氣流不穩(wěn)定(在城市上空飛行)中抖動引起姿態(tài)的突變，保證測量的度，降低幾何校正的困難。導(dǎo)航設(shè)備將系統(tǒng)參數(shù)、儀器狀態(tài)、姿態(tài)參數(shù)、定位參數(shù)、飛行航線、導(dǎo)航參考以直觀、GUI方式提供給員和飛行員。
●數(shù)據(jù)采集/控制/存儲子系統(tǒng)該子系統(tǒng)由計算機控制系統(tǒng)1中的數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)控制模塊、存儲模塊三個模塊組成。主要完成高空間分辨力相機成像、POS/SP/AV子系統(tǒng)的多源數(shù)據(jù)傳輸、采集、控制、存儲和實時顯示等功能。整個子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集器、磁盤陣列記錄器、工業(yè)控制計算機和POS處理機。
基于小型化、輕量化、體化結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，在數(shù)據(jù)采集/控制/存儲子系統(tǒng)上通過同源觸發(fā)脈沖同步啟動多臺面陣相機。
計算機控制系統(tǒng)主要包括人機交互設(shè)備，同步控制設(shè)備，高速存儲接口，高速光纖數(shù)據(jù)通道，數(shù)據(jù)接收處理單元(a)計算機控制系統(tǒng)的組成計算機控制系統(tǒng)的組成設(shè)備的選取和功能如下人機交互設(shè)備包括顯示設(shè)備、鍵盤、鼠標(biāo)等通用輸入/輸出設(shè)備。考慮到機載系統(tǒng)殊的工作環(huán)境，選用的標(biāo)準(zhǔn)為抗震性和電磁兼容性能良好，攜帶方便、安裝簡易、操作便捷。
同步控制設(shè)備，這部分主要包括三個主要功能生成GPS信息，提供給存儲模塊生成GPS數(shù)據(jù)文件；在數(shù)據(jù)采集過程中，同步向多臺(2~5)相機發(fā)送同周期性脈沖信號；同時將該信號與GPS上提供的時鐘信息相結(jié)合，生成事后時鐘校準(zhǔn)所需的時間標(biāo)志。
高速光纖數(shù)據(jù)通道從高空間分辨力相機的數(shù)碼設(shè)備中獲取圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)由高速存儲設(shè)備接口送入高速存儲外設(shè)進(jìn)行存儲。
高速存儲設(shè)備接口正常運行時，多臺高空間分辨力相機同時成像，其海量數(shù)據(jù)對存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲率要求很高，普通的存儲設(shè)備無法滿足要求，所以在系統(tǒng)中采用了高速、穩(wěn)定、可靠，抗震性能良好的高速存儲外設(shè)完成數(shù)據(jù)采集工作，利用高速存儲設(shè)備接口與之連接，將數(shù)據(jù)通道中獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過實時壓縮后送入高速存儲設(shè)備中。
數(shù)據(jù)接收處理接口獲取當(dāng)前的飛行姿態(tài)信息，同時將相機曝光觸發(fā)信號，發(fā)送給POS處理器的Event Mark記錄器，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)與POS數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。
(b)存儲設(shè)備把多臺高空間分辨率面陣相機采集的二維圖像數(shù)據(jù)和輔助參數(shù)即時轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)存儲器中，供地面后處理系統(tǒng)使用。位置和姿態(tài)參數(shù)同時被記錄在高空間分辨力數(shù)據(jù)和高光譜分辨力數(shù)據(jù)中，供事后用軟件方法處理進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。
單臺相機輸出圖像的大小4096*4096*3/(1024*1024)＝48MBps曝光時間間隔為2.45s按五臺相機同步工作1小時飛行時間計算，圖像所需的存儲設(shè)備容量為344GB，使用SCSI總線硬盤陣列，實現(xiàn)大容量、高速數(shù)據(jù)存儲模塊，記錄速度大于50Mbyte/second。采用兩種容量的磁盤陣列，種為540G，另種為216G，都具有機上更換能力，能夠完成次長時間飛行任務(wù)。
(c)計算機控制軟件功能模塊劃分如圖3所示，主要控制軟件分成以下幾個功能模塊，它們的功能如下人機交互模塊10，該軟件為系統(tǒng)的控制中心，主要功能包括生成人機交互界面，部分元數(shù)據(jù)信息的顯示和獲取，圖像瀏覽，控制指令的獲取和執(zhí)行。
元數(shù)據(jù)管理模塊110，主要功能包括元數(shù)據(jù)信息的獲取和存儲，數(shù)據(jù)來源于人機交互模塊110。
數(shù)據(jù)獲取和處理模塊112從高空間分辨力成像設(shè)備中獲取圖像數(shù)據(jù)和IMU結(jié)果數(shù)據(jù)，生成所需的結(jié)果數(shù)據(jù)文件111。
導(dǎo)航控制模塊113(即姿態(tài)量測控制模塊)獲取IMU數(shù)據(jù)，提供給人機交互界面，用于生成導(dǎo)航操作所需的控制信息。
探測器控制模塊114從人機交互界面中獲取操作員對探測器的控制指令，并加以執(zhí)行。
狀態(tài)檢測模塊115成像設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，并將有效數(shù)據(jù)送入狀態(tài)記錄模塊116加以存儲和顯示。
圖3中表示數(shù)據(jù)流，而“→”表示控制流；輸入輸出設(shè)備2包括顯示設(shè)備、鍵盤、鼠標(biāo)等。
以上所介紹的，僅僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，不能以此來限定本發(fā)明實施的范圍，即本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所作的等同的變化，以及本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員熟知的改進(jìn)、變化，都應(yīng)仍屬于本發(fā)明涵蓋的范圍。
權(quán)利要求
1.種機載傾斜相機攝影裝置，其征在于包括臺數(shù)為2-5的多臺高空間分辨率面陣CCD相機，以定角度安裝在攝影穩(wěn)定平臺上；姿態(tài)測量裝置，提供影像姿態(tài)和位置參數(shù)，安裝在攝影穩(wěn)定平臺上；數(shù)據(jù)存儲裝置；計算機控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對以上部件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制以及存儲維護，并發(fā)送同源觸發(fā)脈沖啟動該多臺面陣CCD相機，實現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機載傾斜相機攝影裝置，其征在于該多臺高空間分辨率面陣CCD相機攝影裝置包括前視相機，下視相機，后視相機，左視相機，右視相機。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機載傾斜相機攝影裝置，其征在于，該下視相機為垂直攝影，用于制作DEM，正射影像。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機載傾斜相機攝影裝置，其征在于，所述前視相機、后視相機、左視相機和右視相機都為傾斜攝影，用于獲取建筑物墻面紋理影像，傾斜角度在20-50°之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機載傾斜相機攝影裝置，其征在于，該多臺高空間分辨率面陣CCD相機中的每臺相機通過相應(yīng)的個傳感器成像時間對準(zhǔn)實現(xiàn)成像同步。

種機載傾斜相機攝影裝置，包括臺數(shù)為2－5m多臺高空間分辨率面陣CCD相機；姿態(tài)測量裝置，提供影像姿態(tài)和位置參數(shù)；數(shù)據(jù)存儲設(shè)備；計算機控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對以上部件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制以及存儲維護，并發(fā)送同源觸發(fā)脈沖啟動該多臺面陣CCD相機，從而實現(xiàn)同步采集資料。本發(fā)明具有獲取不同角度的高空間分辨率影像、工作效率高和穩(wěn)定可靠等點。