二次成像在分布式数字航空摄影相机系统中应用.doc

1、1二次成像在分布式数字航空摄影相机系统中应用摘要：现有数字式航摄相机普遍采用传统一次成像的光学构像方式，通过多影像校正拼接技术获取大幅面数字影像。该类数字航摄相机在中心投影构像严格性、几何精度等方面都存在不可避免的系统误差本文提出了一种新型的基于二次成像原理的分布式航摄相机设计思路，并开展了光学实验和测试该思路可以成为高精度大幅面数字航摄相机系统研究的新方向。 关键词：航空摄影测量、二次成像、数字传感器、分布式 中图分类号：D993.4 文献标识码：A 文章编号： 1 引言 航空摄影测量向诞生以来按照技术处理手段不同，其发展经历了模拟摄影测量、解析摄影测量，正在全面进入的全数字摄影测量阶段。全

2、数字摄影测量要求应用数字采集、数字处理、数字成图等技术全面实现摄影测量数字化。作为数字摄影测量工作流程数据获取的主要手段，数字航空摄影相机发挥着越来越重要的作用。同时。由于数字传感器发展现状还与航空摄影实际需求存在一定差距，数字航摄相机发展成为了制约数字摄影测最发展的一个重要瓶颈1,2。现有数字式航摄相机(UltraCamD，DMC 等)普遍采用传统一次成像的光学构像方式，通过多传感器影像校正拼接技术获取大幅面数字影像。该类数字航摄相机在中心2投影构像严格性、几何精度等方面都存在不可避免的系统误差。基于新型构像方式的数字航空相机系统亟待发展。 2 基于二次成像的分布式数字成像传感器系统 2.1

3、 二次成像原理光学构像 现有摄影相机系统(胶片以及数码相机)普遍是采用光学透镜(或透镜组)一次成像的构像方式。该构像方式在数字航空摄影应用中主要存在难于获取大幅面影像的不足。CCD 等数字传感器芯片面阵较小，所以为了获取大幅面数字影像必须通过多芯片拼接或增加曝光次数实现。通过多次曝光的方式，单张影像覆盖区域小，成像效率低，并且对相机系统提出了更高的曝光时间间隔要求。 基于二次成像的新型光学构像方式可以很好的解决上述问题，二次成像构像如图 1 所示。 图 1 基于二次成像原理的构像示意图 基于二次成像原理的光学构像过程包括一次承影和二次成像两个步骤。如图所示，L 1 为一次承影镜头，11 为一次

4、承影器件(11 左平面为承影面)，C1 和 C2 是分布式二次成像数字相机系统。二次成像过程如下：一次承影，一次承影器件 11 的承影面置于一次承影镜头的成像面处，并通过一次承影镜头 Ll 于承影面呈现物体的清晰影像；二次采集，通过若干数字成像传感器(C1 与 C2)获取一次承影器件所呈现的影像。各传感器采集影像区域具有， 。定的重叠率，通过校正拼接生成完成的一次承影器件的完整数字影像。 3基于二次成像的光学构像方式具有以下优点：（1）获取大幅面数字影像。通过二次成像的构像方式以及数字影像的拼接，可以实现与一次承影器件同等幅面的数字影像。该优点为二次成像方案存航空摄影仪系统的应用奠定了基础。

5、（2）若干数字传感器进行二次成像实现获取更高分辨率的数字影像。 （3）拼接生成的大幅面数字影像满足严格一次承影镜头的中心投影构像。 2.2 分布式数字成像传感器图像采集系统 分布式数字成像传感器技术已经在目标识别、跟踪与监视、三维重建、信息融合等领域得到了普遍的应用。为实现二次成像在航摄相机系统的应用，分布式数字成像传感器的设计是关键环节。 本文以四 CCD 成像传感器单元系统为例，介绍分布式二次成像系统的设计。分布式四 CCD 二次成像传感器单元系统实现网个 CCD 芯片的同步曝光及数据并行快速存储。该系统可以分为总控单元、CCD 感光成像单元及数据存储单元以及其他的外围设备等。总控单元实现

6、根据航摄任务灵活设置系统各项参数、对各成像传感器单元曝光同步控制、系统工作状态的实时监视与反馈以及外部接口通讯等功能；CCD 感光成像单元实现高分辨率 CCD 数字成像系统，输出 CCD 原始数据；CCD 数据存储单元实现对 CCD 感光成像单元的影像数据管理。 2.3 基于二次成像原理的分布式航空摄影相机设计 充分发挥二次成像和分布式成像传感器系统的技术优势，同时考虑到降低自主研制数字航摄仪的难度，发挥原有胶片航摄相机的技术优势，以胶片航摄相机高精度光学镜头和稳定平台为基础。按照二次成像原理4和分布式数字传感器系统设计思路，开发数字后背取代原有胶片暗合，组成了该新型航空摄影仪系统。 通过分布

7、式四 CCD 数字传缚器系统，我们在每一个曝光点获得四张影像。四张子影像根据相邻图像的重叠区域进行原始影像或正射影像进行拼接(包括匀光、匀色以及几何和色调处理)生成高精度豹一次承影器件所成影像镶嵌图，并且该影像满地物经次一次承影光学镜头严格的中心投影。由于各 CCD 成像单元主光轴垂直于一次承影器件承影面，在每个曝光点 CCD 成像单元相对于一次承影器件的外方位元素(位置和姿态)参数同定不变，且经过数字传感器单元的精确固定后三个外方位元素的角元素数值也相对较小甚至可以忽略其影响，所以该影像拼接娃理较一般摄影测最处理中相邻航片影像拼接处理更为简单，容易操作。 4 光学实验与测试分析 为了验证二次

8、成像在 CCD 数字航空摄影相机系统中应用的可行性，按照二次戍像构像由式。 我们组建了光学系统开展了实验测试并获得到了清晰的影像。实验设备包括：RMK 胶片航摄相机 ISO12233 分辨率测试板(用作目标景物)，30m 和 10m 粗糙度颗粒的次承彰器件，NikonD200 高分辨率数码相机。 二次成像实验结果得到以下结论： 1、二次成像构像方式获取数字影像可行有效。 2、通过影像质量对比，得出一次承影器件的承影面晌粗糙颞粒度参数是影响图像质量的重要因素。 3、二次成像构像方式获取的数字影像较原始影像光亮度有所衰减，5可以通过一定的辐射校正与增强技术进行补偿。 光学传递函数(OTF)，由调制

9、传递函数(MTF)和位相传递函数(PTF)两部分组成。由于位相传递过程对影像的影响较小，所以，研究光学系统的成像质量时一般不考虑位相传递函数的影响，而用调制传递函数(MTF)来代表光学传递函数(OTF)。为更好的验证一次承影器件的光学特性，我们对上述实验采用的 10m 颗粒粗糙度一次承影器件的三个样品进行了调制传递函数 MTF 测试。 从测试结果可以得出，一次承影器件两种样均可以满足光学成像系统要求，测试最大空间频率为 100 线对毫米，对应空间频率为 50 线对毫米时的 MTF 值通常能够大于 0.5。由此判断该一次承影器件满足成像质量的要求。 4 结论 本文提出了一种基于二次成像构像原理的分步式数字航空摄影相机系统的设计方案，并且开展了二次成像光学系统的实验验证和测试。实验和测试结果表明基于二次成像构像原理摄影方案的可行性和有效性。二次成像光学构像方式以及分布式数字传感器设计思路为新型数字航空摄影相机系统的开发奠定了基础。 参考文献： 1 惠守文, 刘立国. 彩色大面阵数字航空遥感相机技术的研究J. 激光与红外, 2012,42(3). 2 崔红霞, 林宗坚, 孙杰. 无人机遥感监测系统研究J. 测绘通6报, 2005,(5).