基于光电经纬仪影像的飞机姿态测量方法研究

论文题目: 基于光电经纬仪影像的飞机姿态测量方法研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 摄影测量与遥感

作者: 苏国中

导师: 张剑清,张祖勋

关键词: 序列影像,高动态目标姿态测量,降维组合索引,问题与景像匹配的解,滤波,方法,像机模拟

文献来源: 武汉大学

发表年度: 2005

论文摘要: 伽利略早在300年前就曾经说过:“有必要测量一切可测量的事物,而且要尽力去使那些还不可测量的事物可测(It is necessary to measure everything that can be measured and to try making messurable what isn’t as yet.)。”这一古老名言禅释了测量技术和测量手段的重要性。事实上,对客观事物测量方法的改进和测量精度的提高是时代科技进步的重要标志。从古到今,人们为测量方法的改进和测量精度的提高所做出的努力,从来就没有停止过。 本文着眼于飞机测试过程中飞机在空中飞行姿态测量方法研究。利用数字摄影测量的严密理论和计算机视觉的一些前沿成果,对利用光电经纬仪序列影像确定飞行三姿态这一国内外尚无先例的课题所涉及的关键问题进行深入研究,实现高精度、自动化的运动目标姿态测量。 对于飞机姿态测量这一课题,本文的研究思路是,利用近景摄影测量的方法,建立被测飞机的三维几何模型,再利用该模型数据和计算机图形学方法建立光电经纬仪成像模拟系统,通过模拟系统提供的不同影像模型与实际摄制的飞机序列影像进行快速匹配,达到利用单目影像序列直接确定飞机飞行姿态的目的。 本文的主要研究内容和成果包括: (1) 本文系统回顾了运动物体姿态测量的发展历史;总结了当前国内外的研究现状;指出了运动物体姿态测量中目前还有待于进一步解决的关键问题;展望了今后的发展趋势和应用前景。 (2) 详细介绍了目前采用的运动物体姿态测量技术和方法,阐述了它们的原理,全面系统地比较了各种方法的优缺点。大致可以将这些方法分为两大类:一种方法是在物体(如飞机)内部装载姿态GPS接收机和惯性测量器(IMU)对物体的位置和姿态进行测量,这种方法叫运动目标姿态内测。另一种方法是获取被测运动物体的序列影像然后依据影像资料和摄像机的姿态确定运动目标在每一时刻的姿态,这种方法叫运动目标姿态外测。本文对用外测方法确定中远距离飞机运动姿态这一国内外尚无成功解决方案的难题,进行了深入研究,提出了一套完整的解决方案,针对此方案开发了一套飞机姿态测量系统,并得到了实际应用的检验。 (3) 详细阐述了相机成像的透视几何原理,对透视投影成像过程和机理进行了深入剖析,分析了摄影测量的成像过程与OPENGL中成像过程的异同之处,推导了OpenGL成像机理与摄影测量方位元素之间的关系,并推导出两种成像过程在一定条件下的转换公式,阐述了两种成像过程的内在一致性,并进行了试验证明。本文的研究为OpenGL这一计算机图形学界的伟大成果在摄影测量界的应用铺平了道路。摄影测量与计算机视觉以及计算机图形学等学科的研究内容在某些方面有很大的相似,但由于发展背景不同,研究方法上存在很大差异,以致于很难交流和沟通,本文深入探索了摄影测量与计算机视觉以及计算机图形学之间的区别及其内在联系,对于学科之间的交流和沟通也将起到重要的作用。 (4) 将物理意义上的点扩展到数学意义上的点,建立了广义点摄影测量理论,本文对这一最

论文目录:

第一章 概述

1.1 研究的背景和意义

1.1.1 数字摄影测量的发展与现状

1.1.2 运动目标姿态测量与本文研究方向

1.1.3 本文研究的目的与意义

1.2 本文研究内容与组织安排

1.2.1 主要研究内容

1.2.2 结构安排

第二章 运动目标姿态分析算法综述

2.1 运动物体姿态测量现状

2.2 刚体运动与计算机视觉领域的运动分析方法

2.2.1 刚体运动

1) 二维平面上的刚体运动

2) 三维空间中的刚体运动

2.2.2 基于光流场的运动分析

1) 运动场与光流场

2) 光流的约束方程

2.2.3 基于特征的运动分析

1) 基于二维特征的运动分析

2) 基于三维特征的运动分析

2.2.4 两种典型的运动物体姿态求解方法

1) 近似透视模型的快速目标姿态求解

2) 四点透视法求解和RANSAC方法选优

2.3 测量学领域的运动目标姿态方法

2.3.1 传统摄影测量中运动目标姿态测量

2.3.2 GPS动态定位与姿态测量

1) 精密GPS动态定位

2) 精密GPS姿态测量

2.4 高动态目标姿态测量方法与飞机姿态测量方案

2.4.1 当前飞机姿态测量的方法分析

2.4.2 基于光电经纬仪的飞机姿态测量方案

2.5 本章小结

第三章 基于OpenGL的光电经纬仪成像模拟

3.1 OpenGL成像机理

3.1.1 OpenGL与摄影测量

3.1.2 OpenGL成像过程分析

1) 模型空间和模型矩阵

2) 投影空间和视锥体

3) 投影矩阵及其几何含义

4) 视口映射

3.2 摄影测量方位元素与OpenGL成像参数的关系分析

3.2.1 摄影测量成像过程

3.2.2 外方位元素在OpenGL成像过程中的体现

3.2.3 内方位元素在OpenGL成像过程中的体现

3.2.4 OpenGL的透视成像与摄影测量成像机理一致性证明

3.3 OpenGL模拟摄影测量方法

3.3.1 摄影测量空间后方交会算法模拟

3.3.2 摄影测量中立体像对和模型影像的模拟

3.3.3 摄影测量中运动轨迹及物体姿态模拟

3.4 本章小结

第四章 飞机目标轮廓及相应三维轮廓曲线的高精度提取

4.1 序列影像中目标轮廓线提取方法论

4.1.1 影像目标边界特征提取算法回顾

4.1.2 数字曲线表达及拟合

4.1.3 数字曲线关键点提取算法回顾

4.1.4 Douglas-Peucker(DP)数字曲线简化算法

4.2 序列场景影像中飞机轮廓的高精度提取算法

4.2.1 基于线扩散函数的高精度飞机轮廓特征提取算法

1) 常规梯度算子提取边缘的模型误差分析

2) LDFM轮廓特征提取原理

3) LDFM轮廓特征提取方法

4.2.2 飞机影像轮廓数字曲线生成后处理

4.2.3 序列影像飞机轮廓提取实验

1) 飞机序列影像轮廓线提取实验

2) 飞机影像轮廓边拟合实验

4.2.4 LDFM算法精度评定

1) 子像素坐标的表示方法

2) 精度评价方法

3) LDFM算法提取直线边缘精度试验

4.3 飞机的高精度三维轮廓数字曲线生成算法

4.3.1 建立飞机模型三维空间索引

1) 建立空间Box索引

2) 空间Box索引的降维组合生成和存储方法

3) 空间Box索引的检索

4.3.2 模型空间到影像空间的投影方程

4.3.3 影像空间到模型空间的快速光线跟踪算法

1) 光线方程的建立和光线与TIN模型快速求交

2) 空间索引对光线与TIN模型快速求交算法的优化

3) 二维及对应三维目标轮廓线点离散化系统误差的补偿

4.3.4 飞机三维轮廓曲线的快速启发式搜索算法

4.3.5 飞机模型三维轮廓线提取实验与分析

4.4 本章小结

第五章 高动态飞机目标姿态跟踪测量

5.1 飞机姿态测量中的坐标系统及相互关系

5.1.1 姿态测量坐标系统与飞机第一初始姿态

5.1.2 光电经纬仪两光路系统连动关系的确定

5.1.3 飞机第二初始姿态与姿态测量问题的简化

5.2 基于特征点的组合飞机姿态求解

5.2.1 特征点选取和特征点三维坐标的确定

5.2.2 特征点的跟踪策略

5.2.3 角锥法与空间后方交会联合求解飞机姿态

1) 组合方位元素的定义

2) 三点直接求解组合线元素初值

3) 多点分别求解组合线元素和角元素初值

4) 空间后交方法严格求解组合外方位元素

5) 分解组合方位元素求取飞机空间姿态

6) 特征点求解实验与分析

5.3 广义点摄影测量理论

5.4 姿态求解中NP-难度的景像匹配问题

5.4.1 NP-难度景像匹配问题的提出

5.4.2 景像匹配问题中广义点的定义

5.5 光电经纬仪成像几何模型及误差方程

5.6 广义点误差方程的建立与GPFI方法求解

5.7 GPFI方法求解策略

5.7.1 病态方程与GPFI误差方程的求解策略

1) 岭迹法(Ridge Trace)

2) L-M方法

3) 改进的L-M方法

4) 景像匹配问题中GPH方程求解策略

5.7.2 极大相似度与GPH误差方程选解策略

5.7.3 GPFI方程解的精度评定

5.8 广义点求解实验与分析

5.8.1 单幅影像的GPFI方法迭代求解实验

5.8.2 序列影像的GPH方法求解飞机姿态实验

5.9 本章小结

第六章 飞机姿态预测与平滑的卡尔曼方法

6.1 概述

6.2 离散卡尔曼滤波基本方程

6.3 卡尔曼滤波方程的简单推演

6.3.1 卡尔曼状态估计和估计均方误差公式推导

6.3.2 卡尔曼一步预测和一步预测均方误差公式推导

6.4 离散卡尔曼滤波基本方程的使用方法

6.4.1 离散卡尔曼滤波的计算流程

6.4.2 离散卡尔曼滤波方程应用要点

1) 滤波初值的选定

2) 估计均方差等价形式的选择

3) 连续系统的卡尔曼滤波方程的离散化

4) 离散系统的转移阵和系统噪声方差的计算

6.5 飞机运动姿态变化规律与卡尔曼滤波方程的建立

6.5.1 飞机姿态的非机动状态方程及其离散化

6.5.2 飞机姿态的机动状态方程及其离散化

6.5.3 离散化的系统噪声方差阵

6.5.4 离散化的飞机姿态角测量噪声方差阵

6.5.5 飞机姿态的变维滤波

6.5.6 基于卡尔曼变维滤波的飞机姿态跟踪测量方案

6.6 基于卡尔曼滤波的飞机姿态平滑

6.7 卡尔曼滤波试验

6.8 本章小结

第七章 实验与分析

7.1 CPMAS系统简介

7.2 光电经纬仪影像模拟与模拟数据求解飞机姿态实验

7.2.1 模拟实验环境与模拟实验数据

7.2.2 模拟数据姿态求解与精度分析

1) 单帧影像迭代求解实验

2) 前一时刻为初值的影像序列求解实验

3) 结合卡尔曼滤波的影像序列求解实验

4) 姿态数据的整体平滑实验

7.3 光电经纬仪实际数据求解飞机姿态实验

7.3.1 轨迹数据预处理实验

7.3.2 近距离实际数据控制点与广义点求解比较实验

7.3.3 远距离实际数据广义点求解实验

7.4 影响姿态测量精度因素的试验与分析

7.4.1 飞机空中位置对测量结果的影响试验

7.4.2 飞机空中姿态对测量结果的影响

7.5 惯导内测姿态与本文外测姿态结果比较分析

7.5.1 飞机姿态内外测量结果比较分析试验一

1) 惯导内测测量与光电经纬仪外测航向角偏差分析

2) 尾旋前后惯导与光电经纬仪测量的姿态角比较分析

7.5.2 飞机姿态内外测量结果比较分析试验二

7.6 本章小结

第八章 结束语

8.1 研究工作总结

8.1.1 光电经纬仪模拟系统研制

8.1.2 基于光电经纬仪序列影像的飞机姿态求解研究

8.2 主要贡献与创新之处

8.3 进一步的工作与展望

参考文献

攻读博士期间的科研情况

发表的学术论文

参加的科研项目

获得的奖励

后记

发布时间: 2006-03-27

参考文献

• [1].基于未检校CCD相机的三维测量方法及其在结构变形监测中的应用[D]. 周拥军.上海交通大学2007
• [2].摄影测量自检校技术研究[D]. 杨韫澜.长安大学2015
• [3].摄影测量方法在工程应用中的关键技术研究[D]. 马电.武汉大学2014
• [4].地面摄影测量获取测树因子的研究[D]. 黄晓东.北京林业大学2016
• [5].小型测绘无人机遥感系统关键技术的研究[D]. 张强.解放军信息工程大学2014
• [6].遥感影像协同处理体系及摄影测量应用研究[D]. 张丽.解放军信息工程大学2015
• [7].融合摄影测量技术的地面激光扫描数据全自动纹理映射方法研究[D]. 方伟.武汉大学2014
• [8].航空视频影像的正射影像制作关键技术研究[D]. 任超锋.武汉大学2014

相关论文

• [1].光电经纬仪虚拟现实仿真平台设计及关键技术研究[D]. 熊帅.中国科学院研究生院（光电技术研究所）2013
• [2].运动目标姿态与速度测量的理论及实验研究[D]. 崔彦平.天津大学2007
• [3].序列立体图象三维运动物体定位与跟踪[D]. 张春森.武汉大学2004
• [4].靶场图像运动目标检测与跟踪定位技术研究[D]. 张小虎.国防科学技术大学2006
• [5].近景目标三维重建的自动化方法研究[D]. 季铮.武汉大学2007
• [6].基于视觉的空间目标位置姿态测量方法研究[D]. 尚洋.国防科学技术大学2006

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