基于最小生成树的特殊无人机影像空三自由网构建方法技术

本发明专利技术提供的基于最小生成树的特殊无人机影像空三自由网构建方法，针对落水、云遮挡、重叠漏洞等特殊的无人机影像，解决了常规的自动空中三角测量时，出现相对定向、模型连接失败等问题，在不提供POS辅助数据的情况下，自动地构建整个区域的空三自由网，获得测区内所有影像的外方位元素和物方点坐标的初值，并进行光束法区域网平差，整体求解全区域内每张影像的外方位元素和所有物方点的空间坐标。若是提供少量已知的控制点坐标，则可以使整个区域纳入到已知的控制点地面坐标系中，实现绝对定向。使特殊无人机影像的处理水平和处理能力得到大大提高。

【技术实现步骤摘要】
基于最小生成树的特殊无人机影像空三自由网构建方法
本专利技术涉及一种无人机影像空三自由网构建方法，特别涉及一种基于最小生成树的特殊无人机影像空三自由网构建方法，属于无人机影像处理方法

技术介绍
低空遥感系统是一种高机动性、低成本的小型化、专用化遥感监测系统。它以无人驾驶飞行器为飞行平台，以高分辨率遥感设备为机载传感器，以获取高分辨率遥感数据为应用目标，具有对地快速实时调查监测能力。作为一种新兴遥感技术，其优势主要体现在以下几个方面：一是不需机场(一般情况下，不必申请空域)，升降灵活、方便实施各类紧急任务；二是设备便于携带，转移方便，机动性强；三是平台构建、维护以及作业的成本极低；四是受天气影响较小，空中飞行灵活，适用于中小区域的快速作业；五是低空摄影，影像空间分辨率高；六是能够获取高重叠度的影像，有利于提高后续数据处理的可靠性和精度。无人机低空遥感系统因其独特优势，近些年得到了迅速发展与应用，特别是在林业调查、国土资源调查、地质灾害监测、大比例尺地形测绘和地图更新、城市三维建模等方面发挥着巨大作用。当无人机在几百米低空进行作业时，由于其自身的重量较轻、气流影响大，使其在空中的飞行姿态很不稳定，导致获取的影像存在较大旋偏和重叠度不够等问题，从而引起航摄漏洞，影响无人机数据的后期处理，这些问题给无人机遥感影像的自动空三处理带来以下困难：一是相邻影像的旋偏角大，比例尺差异大，降低了灰度相关的成功率和可靠性，影响到后续的自动相对定向等一系列问题；二是飞行航线弯曲，航向重叠度和旁向重叠度不规则，给连接点的提取带来困难；三是航摄漏洞导致传统的航带构建方法失败，无法进行测区全自动空中三角测量。空中三角测量作为摄影测量中的一项关键技术，是后续一系列摄影测量产品与应用的基础，如创建DTM，数字正射影像(DOM)，立体测图等。对于一般的无人机影像(相对于本专利技术提到的“特殊”影像而言)，按照常规的摄影测量空三作业流程，进行区域网平差即可获得测区全部影像的外方位元素和加密点的地面坐标，进而进行后续处理得到所需要的产品(如DEM，DOM等)。但是，现有技术还无法实现全自动、高效率和高精度的空中三角测量。例如对于落水影像，采用人工处理的方式在标准点位添加连接点或者沿水域边缘量测一定数量的连接点，再执行相对定向有时可以帮助解决空三中断的问题。然而，这种最传统的手工加点方式因存在非智能、效率低、耗费劳动力等弊端，严重阻碍了生产效益的提高。不仅如此，对于大面积落水影像，有时人工加点的方法也无法解决相对定向、模型连接失败的情况。这时，只能将航线分成数段以跳过落水区域。然而传统的空三区域划分是根据实际地形进行人工划分和设计的，即人眼通过对每张影像进行浏览，然后判断哪些影像可能无法进行自动匹配、相对定向或模型连接等。这种传统的、以人眼主观判断来划分区域的方式往往准确率不高，而且极易出现误判断或遗漏。需要反复对测区进行子测区的划分和修改，从而大大增加了作业的复杂性和工作量，也严重影响了生产效率。现有技术利用GPS/IMU定位定向技术进行海岛空中三角测量时，通过在无人机设备上搭载高精度的POS系统来直接测定摄影瞬间落水影像的外方位元素，并进行前方交会以求得海岛和陆岸影像物方点的空间坐标。这种利用POS系统进行直接地理定位的方法可以实现测区内无地面控制，提高了作业效率，这也是直接定向法最显著的优势。但是，这种方法由于集成方法还不够严密，目前还难以满足大比例尺地形图测绘的精度要求，并且通常需要进行严格的系统参数检校从而增加了作业的复杂性。目前，由于无人机系统的体积一般都较小，载荷较轻，在实际的飞行作业中装载POS系统进行低空摄影存在一定难度。甚至有的无人机低空遥感系统无法搭载GPS/IMU系统，因此也就无法直接获取困难区域(如落水、荒漠区等)影像的外方位元素，这也是一个在实际应用中经常遇到的问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供的基于最小生成树的特殊无人机影像空三自由网构建方法，在对一类比较“特殊”的无人机影像(如存在大面积落水、大面积森林覆盖或有云遮挡、摄影漏洞的影像等)在进行常规的空中三角测量作业过程中因相对定向或模型连接失败导致自动创建航带失败、空三中断，在不提供POS辅助数据的情况下，自动地构建整个区域的空三自由网，获得测区内所有影像的外方位元素和物方点坐标的初值，并进行光束法区域网平差，整体求解全区域内每张影像的外方位元素和所有物方点的空间坐标。若是提供少量已知的控制点坐标，则可以使整个区域纳入到已知的控制点地面坐标系中，实现绝对定向。使特殊无人机影像的处理水平和处理能力得到大大提高。为达到以上技术效果，本专利技术所采用的技术方案如下：基于最小生成树的特殊无人机影像空三自由网构建方法，对特殊无人机影像进行空中三角测量处理，包含三个步骤：第一步，建立子航带模型，对各子航带按照连续法相对定向建立单个立体模型，然后进行模型连接建立子航带自由网；建立子航带模型按照划分好的各条子航带，建立相应的子航带模型，包括以下几步：一是量测像点坐标并进行系统误差改正；二是采用连续法相对定向，建立单个立体模型；三是模型连接，建立子航带自由网；第二步，构建区域自由网，首先计算相邻子航带间的连接强度大小并建立相应的子航带关系图，然后基于最小生成树的原理选取区域网的有效连接边并寻找最佳的起始点，最后通过绝对定向把区域中所有子航带的坐标系统一起来；构建区域自由网将测区内所有的子航带通过绝对定向连接起来，成为一个整体，包括以下几步：一是上下子航带间的连接关系定义，即权值定义；二是根据定义好的连接关系建立整个子航带的关系图，即邻接矩阵；三是基于最小生成树的原理选取区域网最佳的连接边，并找到一个最佳的起始子航带作为区域增长的起点，将它的坐标系作为基准坐标系，通过绝对定向把其它子航带的坐标纳入到与起始子航带统一的坐标系中，完成整个测区的空三自由网构建；第三步，光束法区域网平差，利用像点、物方点和摄影中心三点共线条件，整体求解测区所有影像的外方位元素和加密点坐标的严密解，作为对构网结果的检验；光束法区域网平差包括以下几步：一是确定每张影像外方位元素和待定点坐标的近似值，将每个立体像对进行相对定向和模型连接构建自由航带网，利用航带中的控制点及相邻航线间的公共点对航线进行绝对定向以求得每一张像片的外方位元素和加密点的地面坐标，作为未知数的近似值；二是从每幅影像上控制点和待定点的像点坐标出发，按照每条摄影光线的共线条件方程列出误差方程式；三是逐点法化建立改化法方程式，按循环分块的求解方法，先求每幅影像的外方位元素；四是按照空间前方交会求得待定点的地面坐标，对于相邻影像的公共点取其均值作为最后的结果。基于最小生成树的特殊无人机影像空三自由网构建方法，进一步的，建立子航带模型的具体方法为：第1步，量测像点坐标并进行系统误差改正；量测每个像对事先选定好的加密点像平面坐标，并对其进行系统误差改正；第2步，采用连续法相对定向，建立单个立体模型；以子航带中每个像对的左像片为基准，求出右像片相对于左像片的相对定向元素，计算出像对的相对定向元素以后，按前方交会法求出模型点在各自像空间辅助坐标系中的坐标，建立了单个立体模型；第3步，模型连接，建立子航带自由网；将单个模型连接成为本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于最小生成树的特殊无人机影像空三自由网构建方法，其特征在于，对特殊无人机影像进行空中三角测量处理，包含三个步骤：第一步，建立子航带模型，对各子航带按照连续法相对定向建立单个立体模型，然后进行模型连接建立子航带自由网；建立子航带模型按照划分好的各条子航带，建立相应的子航带模型，包括以下几步：一是量测像点坐标并进行系统误差改正；二是采用连续法相对定向，建立单个立体模型；三是模型连接，建立子航带自由网；第二步，构建区域自由网，首先计算相邻子航带间的连接强度大小并建立相应的子航带关系图，然后基于最小生成树的原理选取区域网的有效连接边并寻找最佳的起始点，最后通过绝对定向把区域中所有子航带的坐标系统一起来；构建区域自由网将测区内所有的子航带通过绝对定向连接起来，成为一个整体，包括以下几步：一是上下子航带间的连接关系定义，即权值定义；二是根据定义好的连接关系建立整个子航带的关系图，即邻接矩阵；三是基于最小生成树的原理选取区域网最佳的连接边，并找到一个最佳的起始子航带作为区域增长的起点，将它的坐标系作为基准坐标系，通过绝对定向把其它子航带的坐标纳入到与起始子航带统一的坐标系中，完成整个测区的空三自由网构建；第三步，光束法区域网平差，利用像点、物方点和摄影中心三点共线条件，整体求解测区所有影像的外方位元素和加密点坐标的严密解，作为对构网结果的检验；光束法区域网平差包括以下几步：一是确定每张影像外方位元素和待定点坐标的近似值，将每个立体像对进行相对定向和模型连接构建自由航带网，利用航带中的控制点及相邻航线间的公共点对航线进行绝对定向以求得每一张像片的外方位元素和加密点的地面坐标，作为未知数的近似值；二是从每幅影像上控制点和待定点的像点坐标出发，按照每条摄影光线的共线条件方程列出误差方程式；三是逐点法化建立改化法方程式，按循环分块的求解方法，先求每幅影像的外方位元素；四是按照空间前方交会求得待定点的地面坐标，对于相邻影像的公共点取其均值作为最后的结果。...

【技术特征摘要】
1.基于最小生成树的特殊无人机影像空三自由网构建方法，其特征在于，对特殊无人机影像进行空中三角测量处理，包含三个步骤：第一步，建立子航带模型，对各子航带按照连续法相对定向建立单个立体模型，然后进行模型连接建立子航带自由网；建立子航带模型按照划分好的各条子航带，建立相应的子航带模型，包括以下几步：一是量测像点坐标并进行系统误差改正；二是采用连续法相对定向，建立单个立体模型；三是模型连接，建立子航带自由网；第二步，构建区域自由网，首先计算相邻子航带间的连接强度大小并建立相应的子航带关系图，然后基于最小生成树的原理选取区域网的有效连接边并寻找最佳的起始点，最后通过绝对定向把区域中所有子航带的坐标系统一起来；构建区域自由网将测区内所有的子航带通过绝对定向连接起来，成为一个整体，包括以下几步：一是上下子航带间的连接关系定义，即权值定义；二是根据定义好的连接关系建立整个子航带的关系图，即邻接矩阵；三是基于最小生成树的原理选取区域网最佳的连接边，并找到一个最佳的起始子航带作为区域增长的起点，将它的坐标系作为基准坐标系，通过绝对定向把其它子航带的坐标纳入到与起始子航带统一的坐标系中，完成整个测区的空三自由网构建；第三步，光束法区域网平差，利用像点、物方点和摄影中心三点共线条件，整体求解测区所有影像的外方位元素和加密点坐标的严密解，作为对构网结果的检验；光束法区域网平差包括以下几步：一是确定每张影像外方位元素和待定点坐标的近似值，将每个立体像对进行相对定向和模型连接构建自由航带网，利用航带中的控制点及相邻航线间的公共点对航线进行绝对定向以求得每一张像片的外方位元素和加密点的地面坐标，作为未知数的近似值；二是从每幅影像上控制点和待定点的像点坐标出发，按照每条摄影光线的共线条件方程列出误差方程式；三是逐点法化建立改化法方程式，按循环分块的求解方法，先求每幅影像的外方位元素；四是按照空间前方交会求得待定点的地面坐标，对于相邻影像的公共点取其均值作为最后的结果。2.根据权利要求1所述的基于最小生成树的特殊无人机影像空三自由网构建方法，其特征在于，建立子航带模型的具体方法为：第1步，量测像点坐标并进行系统误差改正；量测每个像对事先选定好的加密点像平面坐标，并对其进行系统误差改正；第2步，采用连续法相对定向，建立单个立体模型；以子航带中每个像对的左像片为基准，求出右像片相对于左像片的相对定向元素，计算出像对的相对定向元素以后，按前方交会法求出模型点在各自像空间辅助坐标系中的坐标，建立了单个立体模型；第3步，模型连接，建立子航带自由网；将单个模型连接成为子航带模型的前提是将各模型不同的比例尺归为统一的比例尺，以相邻像对重叠区域内三个连接点高程相等为条件，从左到右依次将后一模型的比例尺归化到前一模型的比例尺中，建立以第一个模型的比例尺为基准的子航带模型，将所有立体像对的模型点坐标以及摄站点坐标纳入到全航带统一的坐标系中。3.根据权利要求1所述的基于最小生成树的特殊无人机影像空三自由网构建方法，其特征在于，第二步的构建区域自由网中，上下子航带间关系定义将子航带看作图论中网络的顶点，若相邻的上、下子航带之间存在连接关系，则赋予对应的两顶点间有边相连，相邻子航带间的连接关系大小由以下因素确定：一是公共点数量，指相邻子航带间重叠范围内的公共点数量A，将公共点数量归一化，A表示为：A＝n/N，其中n表示相邻子航带间的公共点数，N表示总的公共点数或者最大的航带间点数目；二是公共点分布，指相邻子航带间重叠范围内公共点的像点分布B,对航带间的每一个物方点，分别计算最佳分布dmin，最佳分布dmin以距离图像中心最近的那个同名像点为准，然后将所有的物方点的最佳分布取平均作为这两个子航带间公共点分布大小...

【专利技术属性】
技术研发人员：扆冰礼，
申请(专利权)人：荆门程远电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42