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基于数字高程模型高程快速迭代的航拍图像目标定位方法

李梓豪 匡海鹏 张泓 庄楚恒

李梓豪, 匡海鹏, 张泓, 庄楚恒. 基于数字高程模型高程快速迭代的航拍图像目标定位方法[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(4): 777-787. doi: 10.37188/CO.2022-0215
引用本文: 李梓豪, 匡海鹏, 张泓, 庄楚恒. 基于数字高程模型高程快速迭代的航拍图像目标定位方法[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(4): 777-787. doi: 10.37188/CO.2022-0215
LI Zi-hao, KUANG Hai-peng, ZHANG Hong, ZHUANG Chu-heng. A target location method for aerial images through fast iteration of elevation based on DEM[J]. Chinese Optics, 2023, 16(4): 777-787. doi: 10.37188/CO.2022-0215
Citation: LI Zi-hao, KUANG Hai-peng, ZHANG Hong, ZHUANG Chu-heng. A target location method for aerial images through fast iteration of elevation based on DEM[J]. Chinese Optics, 2023, 16(4): 777-787. doi: 10.37188/CO.2022-0215

基于数字高程模型高程快速迭代的航拍图像目标定位方法

doi: 10.37188/CO.2022-0215
基金项目: 高分辨率对地观测系统重大专项(No. 80-H30G03-9001-20/22)
详细信息
    作者简介:

    李梓豪(1998—),男,山西大同人,硕士研究生,2020年于哈尔滨工业大学获得学士学位,目前主要从事航空目标定位方面的研究。E-mail:17863107753@163.com

    匡海鹏(1971—),男,吉林长春人,博士,研究员,硕士生导师,1994年于吉林工业大学获得学士学位,2008年于中国科学院研究生院获得博士学位。主要从事航空相机电子学方面的研究。E-mail:kuanghp@163.com

  • 中图分类号: V443.5

A target location method for aerial images through fast iteration of elevation based on DEM

Funds: Supported by Key Project of High Resolution Earth Observation System (No. 80-H30G03-9001-20/22)
More Information
  • 摘要:

    在大倾角航空相机对地面目标定位过程中,借助数字高程模型(DEM)可有效解决地球椭球模型定位存在的大地高误差影响。为获取地面坐标的准确信息特别是高程信息,首先,根据载机的位置姿态信息以及航空相机的框架角等信息利用齐次坐标变换求解出成像系统视轴在地理坐标系下的指向,再利用数字高程模型确定目标点的坐标。针对成像过程中目标点高程计算繁琐、容易不迭代等问题,提出了一种对目标高程值进行快速迭代的方法。通过对目标区域高程进行折半查找处理,计算该处视轴光线高程与地面高程差值。继续计算该高程差中值并继续迭代,直到小于一定阈值。最后使用蒙特卡洛分析法对整个成像过程存在的误差项进行分析。实验结果表明:采用快速迭代法进行计算,当收敛阈值为十分之一DEM网格精度时,迭代效率提升45.5%,收敛速度大大提高;且通过数字高程模型计算,在飞行高度为15409 m,相机框架角大于74°时,对于山地区域目标的圆概率误差小于200 m,可以满足实际工程需要。

     

  • 图 1  航空相机原理示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of the principle of the aerial camera

    图 2  航空相机成像示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of airborne camera imaging

    图 3  图像平面坐标系示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of the image plane coordinate system

    图 4  地球坐标系与地球椭球模型示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of the ECEF coordinate frame and the Earth ellipsoid model

    图 5  不同大地高标准差下成像倾角对目标定位精度的影响

    Figure 5.  Effects of imaging inclinations on target positioning accuracy under different ground height standard deviations

    图 6  迭代摄影测量法计算过程

    Figure 6.  Calculation process of the iterative photogrammetry method

    图 7  常规迭代方法不收敛的情形。(a)情形1;(b)情形2

    Figure 7.  Situations of the iterative non-convergence of the regular iterative method. (a) Situation 1; (b) situation 2

    图 8  文献[9]的改进迭代方法。(a)可收敛情形;(b)不收敛情形

    Figure 8.  Improved iterative calculation method in Ref. [9]. (a) Convergent situation; (b) non-convergent situation

    图 9  视向量分段迭代基本原理

    Figure 9.  Basic principle of visual vector segmentation iterative calculation

    图 10  快速迭代法基本原理

    Figure 10.  Basic principle of the fast iterative method

    图 11  快速迭代法示意图

    Figure 11.  Schematic diagram of fast iterative method

    图 12  视轴指向误差概率分布图

    Figure 12.  Probability distribution of the LOS pointing error

    图 13  不同地区航空影像及定位结果。(a)~(b)平原;(c)~(d)丘陵;(e)~(f)山脉

    Figure 13.  Aerial images of different regions and positioning results. (a)−(b) plain; (c)−(d) hill; (e)−(f) mountain

    表  1  视轴指向误差计算中的仿真数据

    Table  1.   The simulation data for the line-of-sight (LOS) direction error calculation

    误差来源误差σ
    载机姿态测量误差航向方向0.05°
    俯仰方向0.02°
    横滚方向0.02°
    相机框架角测量误差外框架0.02°
    内框架0.02°
    组合导航系统校准误差航向方向0.03°
    俯仰方向0.01°
    横滚方向0.01°
    相机框架安装误差外框架0.01°
    内框架0.01°
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    表  2  测量变量的名义值

    Table  2.   Nominal values of the measurement variable

    误差变量平原丘陵山地
    载机纬度28.9702°28.9703°28.9705°
    载机经度89.0043°89.0045°89.0056°
    载机大地高15409 m15409 m15409 m
    载机航向角−102.4800°−102.4800°−102.4800°
    载机俯仰角2.8679°2.8679°2.8679°
    载机横滚角−0.3876°−0.3876°−0.3876°
    外框架74.6747°75.3977°78.7673°
    内框架0.2304°−0.7532°−0.7064°
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    表  3  快速迭代法坐标定位误差结果

    Table  3.   Error results of coordinate positioning by the fast iterative method

    地形平原丘陵山地
    纬度均方根误差0.001131°0.000903°0.001923°
    经度均方根误差0.000546°0.000496°0.000499°
    大地高均方根误差20.3096 m26.7596 m36.2531 m
    定位均方根误差137.7469 m114.3994 m221.8547 m
    圆概率误差114.7890 m95.3328 m184.8812 m
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    表  4  不同方法迭代时间统计

    Table  4.   Iteration times of different methods (ms)

    局部穷举法改进迭代法视向量迭代法快速迭代法
    平原4156384335403648
    丘陵18610526947124530
    山地1249840863123687920106
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-11
  • 修回日期:  2022-12-12
  • 网络出版日期:  2023-04-14

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