專利名稱：輕小型激光雷達(dá)與三面陣相機(jī)互增強(qiáng)的低空航測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種輕小型激光雷達(dá)與三面陣相機(jī)互增強(qiáng)的低空航測(cè)系統(tǒng)，主要用于航空測(cè)量。
背景技術(shù)：
機(jī)載激光雷達(dá)(Lidar,Light Detection And Ranging)由激光掃描儀和定位定姿裝置(POS, Position and Orientation System)聯(lián)合構(gòu)成,是當(dāng)今世界先進(jìn)的航空測(cè)量設(shè)備。但是，目前市場(chǎng)現(xiàn)有的系統(tǒng)有兩個(gè)缺點(diǎn):1、高程精度依賴于空中GPS定位精度。激光測(cè)距精度在2 3cm，而空中GPS定位高程的精度在10 20cm。因此所量測(cè)的地面點(diǎn)高程精度降至10 20cm。2、平面精度依賴于慣性測(cè)姿系統(tǒng)(IMU, Inertial measurement unit)的角度測(cè)量精度。目前國(guó)際市場(chǎng)先進(jìn)的MU測(cè)角精度為，俯仰與側(cè)滾角0.005°，航偏角0.008°，以此計(jì)算其平面精度為航高的0.2 0.3%。例如航高IOOm時(shí)為20 30cm。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型目的是提供一種輕小型激光雷達(dá)與三面陣相機(jī)互增強(qiáng)的低空航測(cè)系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的高程精度和平面精度低的問(wèn)題。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種輕小型激光雷達(dá)與三面陣相機(jī)互增強(qiáng)的低空航測(cè)系統(tǒng)，包括等航高安全飛行的輕小型平臺(tái)，在該輕小型平臺(tái)上裝載有成像傳感系統(tǒng)，該成像傳感系統(tǒng)包括輕小型激光掃描儀和定位定姿裝置，其特征在于，該成像傳感系統(tǒng)還包括一套三面陣組合數(shù)碼相機(jī)和與其連接的同步控制電路，該三面陣組合數(shù)碼相機(jī)由三個(gè)相機(jī)沿飛行方向排成一直線，每 個(gè)相機(jī)的鏡頭中心都在此直線上，其中第一相機(jī)橫置，且向右傾斜
0.4倍的像場(chǎng)角；第二相機(jī)橫置，且向左傾斜0.4倍的像場(chǎng)角；第三相機(jī)縱置，且向前傾斜
0.5倍的像場(chǎng)角。所述的輕小型平臺(tái)能夠在300米以下低空保持與地形地物近似等航高安全飛行；所述的成像傳感系統(tǒng)的總重量不超過(guò)20Kg。沿航線中軸線布設(shè)一排地面控制點(diǎn)；沿航線兩側(cè)布設(shè)少量地面控制點(diǎn)。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是:針對(duì)單個(gè)相機(jī)構(gòu)建空中三角測(cè)量網(wǎng)精度不足的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出三相機(jī)組合系統(tǒng)，使空中三角測(cè)量構(gòu)網(wǎng)精度得以成倍提高；在工程測(cè)量作業(yè)時(shí)，利用已有的地面高精度控制網(wǎng)，提高空中三角測(cè)量網(wǎng)精度，從而提高Lidar與數(shù)碼影像聯(lián)合航測(cè)的成果精度，航帶影像寬度不小于兩倍航高，高程量測(cè)精度優(yōu)于5cm，平面精度達(dá)到10cm。

圖1是本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型成像傳感系統(tǒng)的位置圖；圖3是本實(shí)用新型三面陣幾何構(gòu)像圖；[0013]圖4是本實(shí)用新型激光掃描帶與相機(jī)影像帶及地面控制點(diǎn)布設(shè)示意圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明:A、第一相機(jī)，B、第二相機(jī)，C、第三相機(jī)，D、地面控制點(diǎn)，E、激光掃描帶和第三相機(jī)影像帶，L、第一相機(jī)和第二相機(jī)的影像帶，F(xiàn)、航飛方向，A'、第一相機(jī)影像區(qū)，B'第二相機(jī)影像區(qū)，C'第三相機(jī)影像區(qū)。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1 圖4，本實(shí)用新型一種輕小型激光雷達(dá)與三面陣相機(jī)互增強(qiáng)的低空航測(cè)系統(tǒng)，包括等航高安全飛行的輕小型平臺(tái)I，及裝載在該輕小型平臺(tái)I上的成像傳感系統(tǒng)2，該成像傳感系統(tǒng)2包括由輕小型激光掃描儀、定位定姿裝置(POS)組成的機(jī)載激光雷達(dá)，以及一套三面陣組合數(shù)碼相機(jī)和與其連接的同步控制電路3，該三面陣組合數(shù)碼相機(jī)由三個(gè)相機(jī)A、B、C沿飛行方向排成一直線，每個(gè)相機(jī)的鏡頭中心都在此直線上，其中第一相機(jī)A橫置，且向右傾斜0.4倍的像場(chǎng)角；第二相機(jī)B橫置，且向左傾斜0.4倍的像場(chǎng)角；第三相機(jī)C縱置，且向前傾斜0.5倍的像場(chǎng)角。(如圖2)，三個(gè)相機(jī)的成像區(qū)域A'、B'、C'有一定的重疊，用以實(shí)現(xiàn)影像的自動(dòng)拼接和單中心轉(zhuǎn)換(如圖3)。所述的輕小型平臺(tái)I能夠在300米以下低空保持與地形地物近似等航高安全飛行；所述的成像傳感系統(tǒng)2的總重量不超過(guò)20Kg。本實(shí)用新型的Lidar (即激光掃描儀加P0S)與三面陣組合相機(jī)間的互增強(qiáng)作用是通過(guò)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。由三面陣組合相機(jī)影像進(jìn)行空中三角測(cè)量平差，能獲取到的外方位元素值比POS直接測(cè)量值的精度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可以用前者消除后者的累積誤差；由Lidar獲取的地面高程精度比三相機(jī)影像匹配所獲得的地面高程模型的精度高約一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此采用前者的高程值與后者的平面值聯(lián)合構(gòu)建地面三維模型。如圖4所示，可以通過(guò)布設(shè)地面控制點(diǎn)D的方法進(jìn)一步提高精度，沿航線中軸線布一排地面控制點(diǎn)D1，可以很有效控制航線模型的比例與彎曲誤差；沿航線兩側(cè)布少量地面控制點(diǎn)D2，可以很有效地控制航線模型的扭曲誤差。地面控制點(diǎn)Dl和D2屬于現(xiàn)有技術(shù)。所述的輕小型平臺(tái)1)，可以選擇有人駕駛直升機(jī)，無(wú)人駕駛直升機(jī)(旋翼機(jī))或無(wú)人駕駛飛艇，有效載荷不小于20Kg，具有良好的低空安全飛行性能。采購(gòu)或定制輕小型激光掃描儀，要求達(dá)到下列指標(biāo):0測(cè)距精度:5cm0 測(cè)角精度:0.02°0 掃描角:70°0 采樣頻率:IOOHz0儀器重量:彡IOKg所述的采購(gòu)面陣數(shù)碼相機(jī)，并加工組裝成三相機(jī)成像系統(tǒng)，每個(gè)相機(jī)的像場(chǎng)角不小于38° X53°，組合后的視場(chǎng)角不小于70° X90°。按攝影測(cè)量方法完成相機(jī)畸變差檢校和從三鏡頭到一個(gè)中心投影的二次成像轉(zhuǎn)換。采購(gòu)GPS板和IMU (測(cè)姿陀螺儀)，完成與激光掃描儀及三面陣相機(jī)的組裝聯(lián)調(diào)。
布設(shè)一定量的野外的地面控制點(diǎn)控制點(diǎn)(或利用現(xiàn)有的檢校場(chǎng))進(jìn)行試飛測(cè)試，進(jìn)一步校正成像系統(tǒng)的內(nèi)外方位元素值，作為出廠標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。[0030]互增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理:(I) Lidar數(shù)據(jù)獨(dú)立處理；(2)三面陣相機(jī)獨(dú)立處理(空中三角測(cè)量和數(shù)字高程模型)；(3)利用空中三角測(cè)量數(shù)據(jù)提高Lidar站位置精度；(4)進(jìn)行Lidar點(diǎn)云與面陣影像DSM的匹配和最小二乘平差融合；(5)生成高精度三維模型。本實(shí)用新型針對(duì)當(dāng)前Lidar系統(tǒng)的高程精度受制于GPS和平面精度受制于IMU的缺陷，利用面陣數(shù)碼相機(jī)構(gòu)建高精度空中三角測(cè)量網(wǎng)，以提高聯(lián)合系統(tǒng)精度。針對(duì)單個(gè)相機(jī)構(gòu)建空中三角測(cè)量網(wǎng)精度不足的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出三相機(jī)組合系統(tǒng)，使空中三角測(cè)量構(gòu)網(wǎng)精度得以成倍提高。在工程測(cè)量作業(yè)時(shí)，利用已有的地面高精度控制網(wǎng)(由地面控制點(diǎn)組成)，提高空中三角測(cè)量網(wǎng)精度，從而提高Lidar與數(shù)碼影像聯(lián)合航測(cè)的成果精度。本實(shí)用新型的 航帶影像寬度不小于兩倍航高，高程量測(cè)精度優(yōu)于5cm，平面精度達(dá)到 IOcm0
權(quán)利要求1.一種輕小型激光雷達(dá)與三面陣相機(jī)互增強(qiáng)的低空航測(cè)系統(tǒng)，包括等航高安全飛行的輕小型平臺(tái)，在該輕小型平臺(tái)上裝載有成像傳感系統(tǒng)，該成像傳感系統(tǒng)包括輕小型激光掃描儀和定位定姿裝置，其特征在于，該成像傳感系統(tǒng)還包括一套三面陣組合數(shù)碼相機(jī)和與其連接的同步控制電路，該三面陣組合數(shù)碼相機(jī)由三個(gè)相機(jī)沿飛行方向排成一直線，每個(gè)相機(jī)的鏡頭中心都在此直線上，其中第一相機(jī)橫置，且向右傾斜0.4倍的像場(chǎng)角；第二相機(jī)橫置，且向左傾斜0.4倍的像場(chǎng)角；第三相機(jī)縱置，且向前傾斜0.5倍的像場(chǎng)角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輕小型激光雷達(dá)與三面陣相機(jī)互增強(qiáng)的低空航測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的輕小型平臺(tái)能夠在300米以下低空保持與地形地物近似等航高安全飛行；所述的成像傳感系統(tǒng)的總重量不超過(guò)20Kg。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輕小型激光雷達(dá)與三面陣相機(jī)互增強(qiáng)的低空航測(cè)系統(tǒng)，其特征在于 ，沿航線中軸線布設(shè)一排地面控制點(diǎn)；沿航線兩側(cè)布設(shè)少量地面控制點(diǎn)。
專利摘要一種輕小型激光雷達(dá)與三面陣相機(jī)互增強(qiáng)的低空航測(cè)系統(tǒng)，包括等航高安全飛行的輕小型平臺(tái)，在該輕小型平臺(tái)上裝載有成像傳感系統(tǒng)，該成像傳感系統(tǒng)包括輕小型激光掃描儀、定位定姿裝置、一套三面陣組合數(shù)碼相機(jī)和與其連接的同步控制電路，該三面陣組合數(shù)碼相機(jī)由三個(gè)相機(jī)沿飛行方向排成一直線，每個(gè)相機(jī)的鏡頭中心都在此直線上，其中第一相機(jī)橫置，向右傾斜0.4倍的像場(chǎng)角；第二相機(jī)橫置，向左傾斜0.4倍的像場(chǎng)角；第三相機(jī)縱置，向前傾斜0.5倍的像場(chǎng)角。本實(shí)用新型利用面陣數(shù)碼相機(jī)構(gòu)建高精度空中三角測(cè)量網(wǎng)，提高了聯(lián)合系統(tǒng)精度。針對(duì)單個(gè)相機(jī)構(gòu)建空中三角測(cè)量網(wǎng)精度不足的問(wèn)題，利用三相機(jī)組合系統(tǒng)，使空中三角測(cè)量構(gòu)網(wǎng)精度得以成倍提高。
文檔編號(hào)G01C11/02GK203100733SQ20122065680
公開(kāi)日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者蘇國(guó)中, 潘寶玉, 田慧, 范存國(guó), 李永榮, 張?zhí)m, 楊應(yīng), 柳躍東, 張松, 裴文悅 申請(qǐng)人:北京測(cè)科空間信息技術(shù)有限公司, 山東省地質(zhì)測(cè)繪院