發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及走廊正射拼接(orthomosaics)的有效和準確的創(chuàng)建。

背景

正射照片的準確地理參考的拼接圖(被稱為正射拼接)正在成為傳統(tǒng)圖片地圖的流行替代品，因為它們可以從航空照片自動創(chuàng)建，并且因為它們顯示了地面上的實際有用的細節(jié)。

在文獻中很好地描述了從航空照片創(chuàng)建準確的正射拼接。例如，參見wolf等人的“elementsofphotogrammetrywithapplicationingis”的第四版和“manualofphotogrammetry”第六版(美國攝影測量和遙感學(xué)會(asprs))。

正射拼接的創(chuàng)建需要系統(tǒng)地捕獲感興趣區(qū)域的重疊航空照片，以確保感興趣區(qū)域的完整覆蓋，并確保圖像中有足夠的冗余以允許精確的光束調(diào)整、正射校正和光控的取向(alignmentofthephotos)。

光束調(diào)整是通過其改善對地面點和相機姿態(tài)進行冗余估計的過程?，F(xiàn)代光束調(diào)整在triggs等人的“bundleadjustment-modernsynthesis”中進行詳細描述。

光束調(diào)整可以在手動識別的地面點的位置上操作，或者越來越多地在重疊的照片之間自動匹配的自動識別的地面特征的位置上操作。

重疊的航空照片通常通過在感興趣區(qū)域上以蛇形模式導(dǎo)航測量航空器來捕獲。測量航空器載有航空相機系統(tǒng)，并且蛇形飛行模式確保由相機系統(tǒng)捕獲的照片沿著飛行模式內(nèi)的飛行線路和相鄰飛行線路之間的飛行線重疊。

包含鐵路徑，高速公路，電力線，河流，河渠，海岸線和其他狹窄曲折特征的走廊往往特別引人關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的基于區(qū)域的航空測量技術(shù)對于捕獲走廊是次優(yōu)的。

發(fā)明概述

在第一方面中，本發(fā)明提供了一種創(chuàng)建走廊區(qū)域的正射拼接的方法，該走廊區(qū)域至少部分地由走廊路徑描述，該方法包括：沿著主飛行線路飛行航空器，該主飛行線路包括一系列的主飛行線路段，每個主飛行線路段近似于走廊路徑的至少一部分；在沿著每個主飛行線路段飛行期間且經(jīng)由通過航空器攜帶的航空相機系統(tǒng)捕獲一系列的主圖像，每個主圖像至少部分地與序列中的其后續(xù)主圖像重疊；沿著次要飛行線路飛行航空器，次要飛行線路包括一系列的次要飛行線路段，每個次要飛行線路段基本上平行于走廊路徑的至少一部分；在沿著每個次要飛行線路段飛行期間并經(jīng)由通過航空器攜帶的航空相機系統(tǒng)捕獲一系列的次要圖像，次要圖像中的至少一些與主圖像中的至少一些重疊；在多個主圖像和次要圖像中識別與公共地面點相對應(yīng)的公共特征；經(jīng)由光束調(diào)整和根據(jù)公共地面點估計與每個主圖像相關(guān)聯(lián)的外部取向和與每個地面點相關(guān)聯(lián)的三維位置；使用外部取向中的至少一些和三維地面點位置中的至少一些對主圖像中的至少一些進行正射校正；以及將正射校正的主圖像合并以創(chuàng)建正射拼接。

航空器可以沿著每個主飛行線路段基本上水平飛行，并且可以沿著每個主飛行線路段和其后續(xù)主飛行線路段之間的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎(go-aroundturn)飛行，該轉(zhuǎn)彎具有大于180度的角度。

航空器可以沿著每個次要飛行線路段和其后續(xù)次要飛行線路段之間的轉(zhuǎn)彎飛行，該轉(zhuǎn)彎具有小于90度的角度。

航空相機系統(tǒng)可以包括用于捕獲基本上垂直的圖像的至少一個垂直相機。

航空相機系統(tǒng)可以包括用于捕獲基本上偏斜的圖像的至少一個偏斜相機。

主圖像和次要圖像可以包括垂直圖像和偏斜圖像。

主圖像可以包括垂直圖像，并且次要圖像可以包括偏斜圖像。

航空相機系統(tǒng)可以包括用于捕獲概覽圖像的至少一個概覽相機和用于捕獲細節(jié)圖像的多個細節(jié)相機，每個細節(jié)圖像具有比至少一個概覽圖像更高的分辨率，細節(jié)圖像中的至少一些可以與概覽圖像中的一些重疊，并且主圖像可以包括概覽圖像和細節(jié)圖像。

次要圖像可以包括概覽圖像和細節(jié)圖像。

次要飛行線路可以是彎曲的并且包括傾斜轉(zhuǎn)彎。

附圖簡述

圖1顯示了感興趣的走廊路徑。

圖2顯示了由折線近似的走廊路徑以及由多邊形近似的走廊區(qū)域。

圖3顯示了與感興趣的相交區(qū)域結(jié)合的走廊。

圖4顯示了基于區(qū)域的航空測量的蛇形飛行模式。

圖5顯示了將航空相機系統(tǒng)的幅寬(swathwidth)與其角視場和地平面以上的高度相關(guān)聯(lián)的圖示和方程式。

圖6顯示了利用一系列的測量路徑段來覆蓋感興趣的走廊區(qū)域的方法。

圖7顯示了利用一系列的測量路徑段來覆蓋感興趣的走廊區(qū)域的另一種方法。

圖8顯示了使用更寬的測量路徑段來覆蓋感興趣的相交區(qū)域。

圖9顯示了使用兩組飛行線路覆蓋的感興趣的走廊區(qū)域。

圖10顯示了使用較小數(shù)量的具有更寬的幅寬的飛行線路覆蓋的感興趣的走廊區(qū)域。

圖11顯示了用于精確性目的使用用于捕獲走廊的主圖像的主飛行線路以及用于捕獲走廊的次要圖像的次要飛行線路。

圖12顯示了測量航空器在平面飛行的同時捕獲走廊的垂直圖像。

圖13顯示了測量航空器在傾斜飛行的同時捕獲走廊的垂直圖像。

圖14顯示了測量航空器捕獲走廊的垂直和偏斜圖像二者。

圖15顯示了覆蓋走廊路徑的具有傾斜轉(zhuǎn)彎的飛行路徑。

圖16顯示了將傾斜航空器的垂直成像偏移與其高度、傾斜角、速度和轉(zhuǎn)彎半徑相關(guān)的圖示和方程式。

圖17顯示了雙分辨率v5-300hypercamera航空相機系統(tǒng)。

圖18顯示了雙分辨率航空相機系統(tǒng)的概覽視場和重疊的細節(jié)視場。

圖19顯示了攜帶雙分辨率航空相機系統(tǒng)的cessna208航空器的前視圖，以及產(chǎn)生的細節(jié)視場的概覽和聚合。

圖20顯示了攜帶雙分辨率航空相機系統(tǒng)的cessna208航空器的側(cè)視圖，以及產(chǎn)生的細節(jié)視場的概覽和聚合。

圖21顯示了雙分辨率航空相機系統(tǒng)的三次連續(xù)拍攝的重疊視場。

圖22顯示了相鄰飛行線路中的雙分辨率航空相機系統(tǒng)的重疊視場。

圖23顯示了用于諸如hypercamera的航空相機系統(tǒng)的電力和控制系統(tǒng)的框圖。

圖24顯示了用于從航空照片中有效地創(chuàng)建正射拼接的處理流程。

圖25顯示了用于從雙分辨率航空照片中有效地創(chuàng)建正射拼接的處理流程。

參考數(shù)字的列表

100走廊路徑。

102近似走廊路徑的折線。

104折線頂點。

106近似走廊形狀的多邊形。

108感興趣的相交區(qū)域。

110基于區(qū)域的感興趣區(qū)域。

112飛行線路。

114連續(xù)飛行線路之間的轉(zhuǎn)向。

120測量路徑段。

122測量路徑段片(swath)。

124關(guān)于感興趣的相交區(qū)域的更寬的測量路徑段片。

126連續(xù)飛行線路段之間的回轉(zhuǎn)。

128飛行線路段。

130主飛行線路段。

132次要飛行線路段。

134連續(xù)飛行線路段之間的平緩轉(zhuǎn)彎。

136聚合行跡。

140垂直成像視場。

142偏斜成像視場。

150地面。

152地面上的走廊中心線。

154彎曲的飛行路徑。

156傾斜角。

158傾斜偏移。

160細節(jié)視場。

164縱向細節(jié)視場。

170概覽視場。

172側(cè)向概覽視場。

174縱向概覽視場。

180聚合細節(jié)視場。

182橫向聚合細節(jié)視場。

212航空器地板上的相機孔。

220飛行方向。

230航空測量航空器。

300計算機。

302飛行員顯示器。

304慣性測量單元(imu)。

306全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(gnss)接收機。

308模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)。

310相機控制單元(ccu)。

320電池單元。

322航空器輔助動力。

324地面動力裝置(gpu)。

326dc-dc轉(zhuǎn)換器。

330角運動補償(amc)裝置。

340相機。

350航空相機系統(tǒng)。

352雙分辨率航空相機系統(tǒng)。

400細節(jié)照片。

402概覽照片。

404正射拼接。

410匹配特征步驟。

412解決姿勢和位置步驟。

414正射校正攝影步驟。

416混合正射照片步驟。

優(yōu)選實施例的詳細描述

感興趣的走廊區(qū)域(以下簡稱為“走廊”)通常由沿著任意路徑100的陸地帶組成，如圖1所示。走廊可以沿著物理結(jié)構(gòu)，諸如鐵路徑或河流。走廊的長度通常遠大于走廊的寬度。

走廊的寬度通?？梢匝芈窂阶兓?，但是許多走廊應(yīng)用固定寬度。出于在本說明書中的說明性目的，通常僅示出固定寬度走廊。

走廊可以是連續(xù)的或不連續(xù)的，并且走廊可以包括多個較小的路徑，諸如環(huán)路或叉路。出于在本說明書中的說明性目的，僅示出了連續(xù)的無分叉走廊。

如圖2所示，走廊路徑可以由折線102近似得到，折線102由連續(xù)頂點104之間的一系列的直線段組成。折線被構(gòu)造成使得從路徑到折線的最大垂直距離在限定的公差內(nèi)。對于期望的走廊寬度，折線頂點104可以垂直于路徑偏移以獲得圍繞走廊的多邊形106的頂點。通過調(diào)整公差以及由此的頂點的數(shù)量，折線和多邊形可以以任意精度近似走廊路徑和走廊區(qū)域。期望的走廊寬度通常被擴展以適應(yīng)折線公差，即，以確保多邊形106圍繞期望的走廊區(qū)域。

也可以經(jīng)由一個或更多個形狀(例如，多邊形)直接界定走廊，而不是經(jīng)由路徑明確地界定走廊。

走廊可以與沒有被走廊邊界完全包圍的感興趣區(qū)域108相交，諸如與高速公路相鄰的城鎮(zhèn)。走廊測量區(qū)域于是可以由走廊邊界和感興趣區(qū)域的邊界的聯(lián)合來界定，如圖3所示。

當捕獲傳統(tǒng)的擴展測量區(qū)域110時，如圖4所示，測量航空器通常遵循蛇形飛行模式。飛行計劃由多個由橫向偏移分開的平行飛行線路112組成。每個飛行線路指定起始和終止位置和高度。航空器從起點到終點以直線行進。在飛行線路的末端處，航空器執(zhí)行180度轉(zhuǎn)彎114，以沿著由下一個飛行線路的起始和終止位置指定的橫向間隔的平行路徑返回。

飛行線路的位置和數(shù)量由多個參數(shù)計算，包括測量邊界、飛行高度、地面高程、相機系統(tǒng)視場以及所需的正向重疊和側(cè)面重疊。

傳統(tǒng)的航空測量飛行計劃在文獻中有很好的描述。例如參見美國專利第6,711,475號(murphy)，該專利的內(nèi)容通過引用并入本文。

計算飛行線路的位置和數(shù)量的另一個因素是在測量邊界處的應(yīng)變距離。應(yīng)變距離被添加到測量邊界以擴大捕獲面積。這允許由于測量邊緣附近的航空器俯仰、偏航或滾動中的湍流或變化而導(dǎo)致的不均勻的圖像捕獲，并確保在測量區(qū)域內(nèi)完全覆蓋。

圖5顯示了攜帶航空相機系統(tǒng)350的測量航空器230。該圖示和方程式將航空相機系統(tǒng)350的幅寬(w)258(即，其中其視場與地面150相交)與其角度視場(β)250和地平面上的高度(a)254相關(guān)聯(lián)。

對于走廊捕獲，飛行計劃生成將對于傳統(tǒng)測量捕獲的飛行線路計算方法與使用成本最小化過程將多個測量路徑段擬合到走廊測量區(qū)域的附加過程相結(jié)合。

首先，傳統(tǒng)的測量飛行計劃計算用于確定捕獲走廊測量的寬度所需的平行飛行線路的最小數(shù)量。飛行計劃計算包括添加到走廊寬度的應(yīng)變距離，以確保完整的圖像覆蓋。對于高的高度測量或窄的走廊路徑，可以用單個飛行線路捕獲整個走廊寬度，即，如果走廊寬度包含在相機系統(tǒng)的幅寬258內(nèi)。對于較低的高度測量或較寬的走廊，可能需要多條飛行線路才能捕獲整個走廊寬度。

飛行計劃過程基于相機系統(tǒng)的幅寬258和所需的橫向重疊來計算對于一組相鄰飛行線路的聚合幅寬。從聚合幅寬中減去添加到走廊測量寬度的應(yīng)變，以確定對于走廊飛行計劃的可用幅寬。

其次，走廊測量區(qū)域被劃分為多個線性測量路徑段。每個路徑段的寬度由聚合幅寬確定。每個路徑段的長度和取向由走廊路徑的方向和變化確定。對于具有擴展直邊段的走廊路徑(例如，鐵路徑)，測量可以能夠被細分為少量的長的路徑段。對于曲折的走廊測量路徑(例如，河流)，測量可能需要細分為更大數(shù)量的短的路徑段。路徑段可以在任何方向上定向，并且可以以任意角度相交。

期望的是最小化由航空器飛行的路徑段的數(shù)量，因為測量航空器可能需要執(zhí)行回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎以從一個路徑段的末端行進到下一個路徑段的開始。

存在用于將測量細分為路徑段的許多方法。一種在圖6中示出的簡單的方法從走廊的一端處開始，并在走廊路徑的方向上創(chuàng)建了路徑段120。當測量邊界不再包含在可用片122內(nèi)時，路徑段被終止。在這一點上，新的路徑段120在走廊路徑的方向上的這一點上開始，并重復(fù)該過程，直到到達走廊的末端。

另一種在圖7中示出的方法使用成本最小化來減少路徑段120的數(shù)量。通過在與走廊路徑100垂直偏離的點處開始路徑段120并改變路徑段取向，與上述簡單方法相比，通常可以實現(xiàn)更長的路徑段。該最小化過程找到對于每個路徑段的最佳路徑起始位置和取向。

另一種方法使用成本最小化來最大化路徑段120的長度。該方法找到對于走廊路徑的最長可能的路徑段。該方法然后找到下一個最長的路徑段。該過程一直持續(xù)到整個走廊被包含在路徑段內(nèi)。

另一種方法直接從走廊折線102的直線段導(dǎo)出路徑段120。

為了確保走廊測量區(qū)域106的完整覆蓋，由于路徑段以任意角度的交叉和應(yīng)用于測量邊界的應(yīng)變，必須調(diào)整每個路徑段的起點和終點。每個路徑段的長度增加應(yīng)變值以增加相鄰路徑段之間的重疊，并確保走廊測量邊緣附近的區(qū)域被路徑段交叉處的圖像完全捕獲。

每個路徑段的飛行線路的數(shù)量不限于由飛行計劃計算所計算出的飛行線路的最小數(shù)量。增加飛行線路的數(shù)量可以增加可用的幅寬，這通常會減少捕獲測量圖像所需的路徑段的數(shù)量。

增加飛行線路的數(shù)量在其中路徑分割創(chuàng)建了大量的短的路徑段的情況下(例如，當捕獲蜿蜒的河流時)也是有益的。

當走廊測量路徑的寬度不是恒定的時，增加飛行線路的數(shù)量也是有益的，這允許用更少的飛行線路捕獲細的走廊段，并且用較大數(shù)量的飛行線路捕獲更寬的走廊段。

當捕獲與感興趣的相交區(qū)域108(例如，與高速公路相鄰的城鎮(zhèn))組合的走廊測量路徑時，增加飛行線路的數(shù)量也是有益的，如在圖8種所示，其中使用較寬的路徑段124來捕獲感興趣的相交區(qū)域108。

飛行計劃被生成以繪制航空器航行的路徑，使得捕獲到所有路徑段的所有飛行線路。

圖9顯示了用于覆蓋走廊區(qū)域106的兩組平行的飛行線路段128。這里，路徑段120(未示出)直接從走廊路徑折線102的直線段導(dǎo)出。

首先，飛行計劃創(chuàng)建過程創(chuàng)建飛行線路段128的有序列表。在路徑段120包含多個飛行線路的情況下，每個路徑段120內(nèi)的飛行線路段128可以順序地飛行以完成每個段120?？蛇x地，走廊長度可以被多次飛行，其中飛行計劃在沿著走廊的一個方向上指定每個路徑段120一個飛行線路段128，之后是在每個路徑段120中飛行第二飛行線路段128的返回路徑，諸如此類直到捕獲了完整的走廊寬度。

其次，創(chuàng)建連續(xù)飛行線路段128之間的路徑。這指定了飛行員應(yīng)該從一個飛行線路段128的末端行進到下一個飛行線路段128的起始處的路徑。飛行員也可被允許自由地在連續(xù)的飛行線路段128之間航行。隨著連續(xù)的飛行線路段128可以以任意角度相交，所需的轉(zhuǎn)彎可以用方位上小的變化來實現(xiàn)，或者可以通過回轉(zhuǎn)126來實現(xiàn)，其中航空器進行任何直到360度的轉(zhuǎn)彎以將其本身對準下一個飛行線路段128。連續(xù)的飛行線路段128可以相交或者可以相隔一段距離。

航空相機系統(tǒng)350的幅寬258隨著視場角250的增加以及隨著高度254的增加而增加。圖10顯示了用于覆蓋走廊區(qū)域106的兩個更小的平行組的飛行線路段128，假設(shè)與圖9中相比的更高的高度操作和/或更寬角度的成像，即具有較寬的聚合幅寬136。

為了創(chuàng)建關(guān)于測量區(qū)域的完整的航空正射拼接，測量邊界內(nèi)的每個點都必須被相機系統(tǒng)捕獲。這通常通過使用允許航空器在相鄰捕獲圖像之間的偏航、俯仰和滾動的變化的重疊來實現(xiàn)。

重疊也用于改善正射拼接與現(xiàn)有的正射拼接或測量地面特征的對準。通過從多個角度對地面上的相同點進行成像來改善對準，允許以更高的精度計算相機系統(tǒng)的位置和取向。

通常，增加特定方向上的重疊改善了在相同方向上的正射拼接對準。增加前向重疊提高了飛行路徑的方向上的對準。增加旁向重疊改善了在垂直于飛行路徑的方向上的對準。

在每個路徑段用單個飛行線路捕獲的走廊的情況下，僅在前向方向上存在重疊。旁向重疊的缺失可能導(dǎo)致正射拼接與地面特征的未對準。在這種情況下，未對準誤差向量通常在與走廊路徑垂直的方向上。

通常，每個測量路徑段120應(yīng)該捕獲至少兩個或更多個平行的飛行線路段128，以便能夠以精確對準生成對地面特征的正射拼接。

對于具有窄寬度的走廊測量路徑，每路徑段120捕獲兩條平行的飛行線路段128可導(dǎo)致在走廊測量邊界外的重要區(qū)域的捕獲。

以下方法優(yōu)化了采用精確對準捕獲窄走廊測量路徑的圖像的過程。該方法使用具有不同計劃特性的兩條飛行線路，稱為主飛行線路和次要飛行線路。

主飛行線路被捕獲用于正射拼接生成的目的，并且需要完全覆蓋走廊測量路徑。

次要飛行線路被捕獲用于與主飛行線路的旁向重疊的目的，并且與主飛行線路平行并橫向偏移地飛行。不需要連續(xù)的旁向重疊來實現(xiàn)正射拼接對準。如果每個次要飛行線路與其平行主飛行線路的長度的大部分重疊，則實現(xiàn)對準。

通過首先用單個飛行線路配置來計劃走廊測量路徑，生成用于主飛行線路和次要飛行線路的飛行計劃。單個主飛行線路通常遵循走廊路徑100(或走廊路徑折線102)。其次，平行于主飛行線路段且與其橫向偏移的次要飛行線路段被添加到飛行計劃中。

由于次要飛行線路不需要完全覆蓋，因此飛行計劃可以允許“自由飛行”在次要飛行線路段上的走廊長度，其中航空器直接從一個飛行線路段轉(zhuǎn)彎到下一個飛行線路段。這使得次要飛行線路能夠被捕獲，而不需要捕獲每個次要飛行線路段的完整長度所需的回轉(zhuǎn)126。如下面進一步討論的，次要飛行線路也可以沿著具有傾斜轉(zhuǎn)彎的彎曲飛行路徑來飛行。

圖11顯示了主飛行線路，其包括用于覆蓋走廊區(qū)域106的一系列的主飛行線路段130以次要飛行線路，其包括用于為精確目的提供重疊的一系列的次要飛行線路段132。主飛行線路段130通常通過回轉(zhuǎn)126連接。次要飛行線路段132通常通過可以自由飛行的轉(zhuǎn)彎134連接。

當使用雙分辨率航空相機系統(tǒng)352時，如下面更詳細地討論的，由于概覽圖像提供了飛行線路之間的最大重疊，因此相機系統(tǒng)可以被配置為僅捕獲沿著次要飛行線路的概覽圖像。

次要飛行路徑可能會在主飛行線路以后的大量時間(例如，如果方便的話，數(shù)天或數(shù)周之后)被捕獲。這樣允許在多個地點之間運送航空器的同時捕獲長長的走廊。

當使用雙分辨率航空相機系統(tǒng)352時，可以使用概覽和細節(jié)相機來捕獲次要飛行線路，從而允許在次要飛行線路的視場內(nèi)生成正射拼接。這在次要飛行線路重疊的區(qū)域中產(chǎn)生了更寬的正射拼接，而在走廊路徑段交叉處產(chǎn)生較窄的正射拼接。

用于捕獲走廊的另一種方法可用于包含具有寬的橫向視場的相機系統(tǒng)的航空器，例如通過多個相機捕獲垂直圖像、左偏斜圖像和/或右偏斜圖像來實現(xiàn)。捕獲垂直和偏斜圖像的航空相機系統(tǒng)在美國專利第8,497,905號和第8,675,068號(nixon)中描述，其內(nèi)容通過交叉引用并入本文。

飛行計劃使用在連續(xù)飛行線路段128之間的轉(zhuǎn)彎沿著飛行線路繪制飛行路徑，而不使用回轉(zhuǎn)126從一條飛行線路轉(zhuǎn)向下一條飛行線路。航空器遵循飛行路徑直接從一個段到另一個段，傾斜航空器以進行轉(zhuǎn)彎。飛行線路段被計劃使得傾斜角度小于偏斜相機的視場的極限。

正射拼接生成過程使用最靠近天底點的圖像。當水平飛行時，垂直指向相機是天底，如圖12所示。當航空器正在傾斜時，左或右偏斜圖像最接近天底，并用于正射拼接生成，如圖13所示。

數(shù)字高程模型(dem)是正射拼接生成過程的常見伴隨產(chǎn)物。可以通過計算測量區(qū)域內(nèi)每個點的高程來創(chuàng)建dem?？梢酝ㄟ^將點定位在包含該點的多個圖像中來計算在該點處的高程。如果該點存在于三個或更多個圖像中，則其高程可以使用相機的內(nèi)部和外部取向進行三角測量。

當每個點從不同角度在大量圖像中被捕獲時，可以以更高的精度計算點高程。這是通過使用前向和旁向重疊來實現(xiàn)的。

在利用主飛行線路和次要飛行線路進行走廊捕獲的情況下，只有部分的測量區(qū)域可能包含用旁向重疊捕獲的圖像。

增加包含旁向重疊的圖像區(qū)域的方法是從次要飛行線路中捕獲偏斜圖像。如圖14所示，偏斜圖像由指向主飛行線路圖像的中心的成像系統(tǒng)捕獲。

另外，從次要飛行線路捕獲的圖像可以用于生成走廊測量區(qū)域的偏斜正射拼接。

用于捕獲走廊的另一方法使用基于走廊路徑100的彎曲的飛行路徑154，如圖15所示。

彎曲的飛行路徑可以在任何給定點處朝向走廊路徑100的曲率中心偏移，以考慮由航空器的傾斜引起的偏移(d)158。如圖16中的圖示和方程式所示，偏移(d)158與地平面之上的高度(a)254、傾斜角(θ)156、航空器速度(v)、傾斜半徑(r)和重力(g)相關(guān)。最初假設(shè)傾斜半徑(r)是走廊路徑100的半徑(在任何給定點處)，可以迭代地得到最終傾斜半徑(r)和傾斜角(θ)156。

即使在飛行彎曲的飛行路徑154時，如果走廊包含急轉(zhuǎn)彎，則飛行員也可以像往常一樣執(zhí)行回轉(zhuǎn)126。

任何合適的航空相機系統(tǒng)350可用于走廊捕獲。

用于準確的光束調(diào)整的足夠的冗余通常指示選擇至少60％的縱向(前向)重疊(即，在沿著飛行線路的連續(xù)照片之間)以及至少40％的橫向(旁向)重疊(即，在相鄰飛行線路上的照片之間)。這通常被稱為60/40重疊。

選擇的重疊確定所需的飛行時間和捕獲的照片數(shù)量(并隨后處理)。因此，在飛行時間和處理時間方面，高重疊是昂貴的，并且重疊的實際選擇代表成本和正正射拼接精度之間的折衷。

使用雙分辨率或多分辨率相機系統(tǒng)352提供了一種在不犧牲精度的情況下減少重疊的強大方式。在美國專利第8,497,905號和第8,675,068號(nixon)中描述了多分辨率航空照片的捕獲和處理，其內(nèi)容通過交叉引用并入本文。多分辨率的照片集允許從較低分辨率的概覽照片之間的重疊導(dǎo)出正射拼接精度，而正射拼接的細節(jié)來源于較高分辨率的細節(jié)照片。

美國專利第8,497,905號和第8,675,068號(nixon)描述了可附接到包括多分辨率垂直和偏斜航空成像系統(tǒng)的小航空器的外部相機吊艙的系列。美國專利申請第14/310,523號(tarlinton)和第14/478,380號(lapstun)(其內(nèi)容通過引用并入本文)描述了適用于部署在具有標準的相機孔中的多分辨率航空相機系統(tǒng)的hypercamera^tm系列。

圖17顯示了雙分辨率v5-300hypercamera航空相機系統(tǒng)352，其包括一個廣角概覽相機和五個窄角度細節(jié)相機，可部署在具有標準(例如，20英寸直徑)相機孔212的大多數(shù)測量航空器的座艙或駕駛室中。

圖18顯示了hypercamera裝置的細節(jié)相機和概覽相機的三維視場160和170在地平面上的投影。它示出了細節(jié)視場160如何在垂直于飛行方向220的方向上重疊。

圖19顯示了攜帶雙分辨率航空相機系統(tǒng)的cessna208測量航空器230的正視圖，并且顯示了相機系統(tǒng)352的橫向概覽視場172以及相機系統(tǒng)352的聚合的橫向細節(jié)視場182。聚合的橫向細節(jié)視場182是五個單獨重疊的橫向細節(jié)視場162的聚合。

圖20顯示了攜帶hypercamera的cessna208測量航空器230的側(cè)視圖，并且顯示了相機系統(tǒng)352的縱向概覽視場174以及相機系統(tǒng)352的縱向細節(jié)視場164。

圖17顯示了在飛行方向220上的重疊的概覽視場170和三個連續(xù)拍攝的聚合的細節(jié)視場180。聚合的細節(jié)視場180是五個單獨重疊的橫向細節(jié)視場160的聚合。在圖中所示的相機拍攝速率(即，由縱向重疊所暗示的)處，聚合的細節(jié)視場180在縱向上重疊大約20％，而概覽視場170在縱向上重疊大約85％。

圖18顯示了來自相鄰的飛行線路的兩個拍攝(即，在相反方向220上飛行)的重疊的概覽視場170和聚合的細節(jié)視場180。在圖中所示的飛行線路間距處，聚合的細節(jié)視場180在橫向上重疊在20％和25％之間，而概覽視場170在橫向上重疊大約40％。

如前所述，傳統(tǒng)的單分辨率航空測量通常以60/40重疊(即，60％前向(或縱向)重疊)和40％旁向(或橫向)重疊的方式操作。利用如圖21和圖22中所示操作的多分辨率hypercamera，概覽照片以好于85/40重疊來捕獲，而細節(jié)照片通常以只有20/20重疊或更少的重疊來捕獲。

圖23顯示了用于諸如雙分辨率hypercamera系統(tǒng)352的航空相機系統(tǒng)350的電力和控制系統(tǒng)的框圖。相機340由計算機300經(jīng)由一組模數(shù)轉(zhuǎn)換器308(adc)控制。

計算機300使用一個或更多個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(gnss)接收機304來實時監(jiān)測測量航空器230的位置和速度。gnss接收機可以與各種基于空間的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容，包括全球定位系統(tǒng)(gps)、glonass，伽利略和北斗。

計算機300根據(jù)存儲的飛行計劃和航空器的實時位置和速度，經(jīng)由adc308向相機340提供精確定時的啟動信號以觸發(fā)相機曝光。如果相機340包含自動對焦機構(gòu)，則計算機300還向每個這樣的相機提供聚焦信號以在曝光之前觸發(fā)自動對焦。

計算機300可以以相同的速率啟動相機340?？蛇x地，計算機300可以以與細節(jié)相機不同的速率(即，更高速率或更低速率)啟動雙分辨率系統(tǒng)的概覽相機，以在連續(xù)的概覽照片之間實現(xiàn)不同的重疊(即，更高的重疊或更低的重疊)，而與連續(xù)細節(jié)照片之間的重疊無關(guān)。計算機300可以同時啟動相機，或者它可以錯開啟動的定時，例如以縱向?qū)崿F(xiàn)照片的不同對準，或者降低峰值功率消耗。

飛行計劃描述了構(gòu)成測量的每條飛行線路，并且需要沿著每條飛行線路的標稱相機啟動速率，以確保在連續(xù)拍攝之間保持必要的重疊。啟動速率對航空器下方的地形高程敏感，即地面越高，需要越高的啟動速率。其根據(jù)航空器的實際地面速度來通過計算機300進行調(diào)整，航空器的實際地面速度可能會由于風(fēng)和飛行員對航空器的操作而與其標稱速度不同。

計算機300還使用飛行計劃和實時gnss位置來經(jīng)由飛行員顯示器302來引導(dǎo)飛行員沿著每個飛行線路。

如圖23所示，來自gnss接收機的位置數(shù)據(jù)可選地用來自慣性測量單元306(imu)的取向信息來增強。這允許計算機300向飛行員提供關(guān)于飛行員遵循飛行計劃的接近程度的增強反饋。在沒有imu306的情況下，gnss接收機直接連接到計算機300。

計算機存儲每次拍攝的gnss位置(以及可選地imu取向，如果imu306存在的話)。這在照片的后續(xù)處理中被使用以產(chǎn)生精確的正射拼接。

一個或更多個可選的角運動補償(amc)裝置330響應(yīng)于由imu306報告的取向，校正相機的取向，使得它們隨著時間維持一致的指向方向，而不管航空器在飛行期間的滾動、俯仰或偏航。這確保了捕獲的照片可以用于創(chuàng)建沒有間隙的照片拼接，同時允許連續(xù)拍攝之間和相鄰飛行線路之間的重疊被最小化。

amc330可以由在其上安裝了相機340的具有兩個或三個旋轉(zhuǎn)軸線(即，滾動和俯仰；或滾動、俯仰和偏航)的平臺組成。市場上可用的amc平臺包括來自leicageosystems的pav系列。

可選地，amc330可以包括每個相機(或相機組)的光路中的一個或更多個光束轉(zhuǎn)向機構(gòu)，由此通過光束轉(zhuǎn)向來校正相機的指示方向。

隨著飛行高度增加和/或地面采樣距離(gsd)減小，角運動補償變得越來越重要。

航空器的前向運動造成的運動模糊等于航空器的速度乘以相機的曝光時間。一旦運動模糊成為gsd的很大一部分(或超過gsd)，則gsd則變得有助于提供前向運動補償(fmc)機構(gòu)以減少或消除運動模糊。fmc可以以多種方式來提供，包括平移或旋轉(zhuǎn)相機的光軸(通過移動圖像傳感器或中間鏡或相機本身)，或通過圖像傳感器中的像素的相鄰行的時間延遲積分(tdi)。fmc可以經(jīng)由amc裝置提供。

每個相機340可以在本地存儲其拍攝，例如在可移動閃存中。這消除了對于在相機系統(tǒng)中的集中式儲存器的需要，以及對于在相機和集中式儲存器之間需要高帶寬數(shù)據(jù)通信信道的需要?？蛇x地，相機系統(tǒng)可以包括集中式儲存器(未示出)。

每個拍攝的gnss位置可以傳送到每個相機340，以允許相機用其gnss位置來標記每張照片。

相機340由電池單元320供電。電池單元320提供高于所有連接的組件所需的電壓的電壓，例如在24v和28v之間，并且經(jīng)由dc-dc轉(zhuǎn)換器326提供每個連接的組件的電壓需求。例如，尼康d800相機需要小于10v。額外的dc-dc轉(zhuǎn)換器326還提供適當?shù)碾妷簛頌橛嬎銠C300、飛行員顯示器302、gnss接收機304、imu306和amc330供電。為了清楚起見，圖23中省略了這些電力連接。

電池單元320包含兩個12v或14v電池或單個24v或28v電池。它包含充電電路，其允許它從具有合適的輔助電源322的航空器進行涓流充電，從而允許其始終保持充電。它也可以從地面動力裝置324(gpu)在地面上充電。

adc308和dc-dc轉(zhuǎn)換器326可以容納在相機控制單元310(ccu)中。這可以另外包括允許計算機300控制adc的usb接口。

向相機340提供電力的dc-dc轉(zhuǎn)換器326可以位于ccu310中或者更靠近配電箱150中的相機。

由相機系統(tǒng)350拍攝的照片旨在無縫地拼到正射拼接中，并且圖24顯示了用于根據(jù)由一個或更多個細節(jié)相機340捕獲的細節(jié)照片400有效創(chuàng)建正射拼接的過程流程。

如果相機系統(tǒng)350是雙分辨率(或多分辨率)相機系統(tǒng)352，則過程流程如圖25所示還使用來自一個或更多個概覽相機340的概覽照片402。

該過程由四個主要步驟構(gòu)成：(1)特征在照片400(和可選的402)的每一個中自動地檢測并在照片之間進行匹配(步驟410)；光束調(diào)整用于迭代地細化每個特征的真實世界三維位置的初始估計，以及與每個照片相關(guān)聯(lián)的相機姿態(tài)(三維位置和取向)和相機校準(焦距和徑向變形等)(在步驟412處)；每個細節(jié)照片400根據(jù)其相機姿態(tài)和地形高程數(shù)據(jù)進行正射校正(在步驟414處)；并且正射校正的照片(正射圖像)被混合以形成最終的正射拼接404(在步驟416處)。

在單分辨率系統(tǒng)中，正射拼接404的精度來源于細節(jié)照片400之間的常規(guī)高重疊，并且正射拼接404中的細節(jié)也來自細節(jié)照片400。

在雙分辨率系統(tǒng)中，正射拼接404的精度來源于較低分辨率的概覽照片402之間的高重疊，而正射拼接404中的細節(jié)來自較高分辨率的細節(jié)照片400。

正射拼接通常存儲為圖像金字塔，即，在其內(nèi)部不同(二進制)縮放級別被預(yù)計算以用于在任意縮放級別處的快速訪問。通過低通濾波和子采樣從較高的縮放級別生成金字塔中的較低縮放級別，從而可以從細節(jié)分辨率的正射拼接中生成整個金字塔。作為替代，較低的縮放級別可以根據(jù)從概覽照片402創(chuàng)建的正射拼接中生成，在這種情況下，概覽照片402也如上所述對于細節(jié)照片400進行正射校正和混合。

通過光束調(diào)整過程(在步驟412處)隨后細化的每張照片的相機姿態(tài)的初始估計來自每張照片的gnss位置以及其imu派生的取向(如果可用)。

用于正射校正(在步驟414處)細節(jié)照片400的地形數(shù)據(jù)可以基于從光束調(diào)整獲得的3d特征位置(在步驟412處)，或者可以是來自其他地方(諸如來自lidar航空測量)的地形數(shù)據(jù)。

自動檢測到的地面特征可以用手動識別的地面點來增強，每個地面點可以具有準確的被測量的現(xiàn)實世界的位置(并且然后被稱為地面控制點)。

已經(jīng)參照多個優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認識到，本發(fā)明的多個替代實施例存在，并且本發(fā)明的范圍僅受所附權(quán)利要求限制。

在整個本說明書和隨附的權(quán)利要求中，除非上下文另有要求，否則措辭“包括(comprise)”以及變型諸如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”將被理解為暗示包括陳述的整數(shù)或整數(shù)的組或步驟但不排除任何其他的整數(shù)或整數(shù)的組或步驟。

在本說明書中提到的任何現(xiàn)有的出版物(或來源于其的信息)或提到的已知的內(nèi)容不被視為并且應(yīng)當不被視為對現(xiàn)有的出版物(或來源于其的信息)或已知的內(nèi)容形成本說明書涉及的嘗試的領(lǐng)域中的公知常識的一部分的承認或允許或任何形式的暗示。