专利名称：机载航空影像实时摄影测量处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及摄影测量与遥感领域和嵌入式计算机技术，特别涉及一种机载航空影像实时摄影测量处理系统。
背景技术：
作为地理空间信息的主要手段之一，摄影测量发展到目前的新一代集群式数字摄影测量系统，处理效率有了很大的提高，但是仍然落后于社会经济发展对空间数据获取现时性的要求，尤其是当灾害、突发事件发生时，“时间就是生命，时间就是财产”，这时各项工作的开展对地理空间数据的要求非常急迫，希望是飞机飞到哪里就能得到哪里的三维空间数据，飞机落地就能利用这些数据指导相关工作的开展，目前即使是最快的新一代集群式摄影测量系统也无法满足这样的要求。相比于卫星遥感影像数据获取的周期性特点，机载航空影像的获取具有灵活、快速、便捷等优点，哪里需要就飞到哪里，是实时数据获取的首选数据源。以机载航空影像作为实时摄影测量处理的数据源，具有明显的优势。显然，机载航空影像实时摄影测量处理(在航飞过程中一边获取数据一边进行处理，飞机落地即能提交处理结果)，可实现对突发事件的快速、实时监测，迅速了解观测区的情况，无论是对民用还是国防军事，对传统测绘还是应急响应，都具有重要的意义。摄影测量技术的发展与计算机技术的发展密切相关，可以说没有计算机的发展，就没有摄影测量目前的发展。新一代集群式数字摄影测量系统的建立正是充分利用了当前通用计算机技术发展的最新成果，包括集群式计算机、海量存储、高速以太网等，将摄影测量数据处理的效率提高到一个新的水平，比传统数字摄影测量工作站提高8 10倍。但是基于集群计算机的新一代摄影测量系统，由于体积大、功耗大，而且存在多次数据存�。荽砉谈丛樱虼瞬皇屎匣卦诵惺凳贝�。针对上述问题，提出便于实际应用的机载航空影像实时摄影测量处理装置和方法，是本领域急需解决的重大难题。
发明内容
本发明针对现有技术缺陷，提出了一种机载航空影像实时摄影测量处理系统。本发明的技术方案为一种机载航空影像实时摄影测量处理系统，包括数据传输与控制板和三个数据处理板，三个数据处理板分别是用于影像色彩质量评定的数据处理板、用于影像几何质量评定的数据处理板、用于全景图拼接的数据处理板；
所述数据传输与控制板包括FPGA控制�？椋耙訤PGA控制�？槲诵纳柚玫氖荽娲⒛？�、影像数据输入接口、POS数据输入接口、三个PCIE接口，三个数据处理板分别通过一个PCIE接口与数据传输与控制板连接；航空相机采集的地面影像数据经影像数据输入接口输入后经FPGA控制�？榇嫒胧荽娲⒛？椋琍OS系统同步产生的航摄外方位元素数据经POS数据输入接口输入后经FPGA控制�？榇嫒胧荽娲⒛？椋籉PGA控制�？槎寥∈荽娲⒛？槟诘牡孛嬗跋袷莺秃缴阃夥轿辉厥荩缘孛嬗跋袷萁性ご砗螅糜跋裨ご硎莺秃缴阃夥轿辉厥菡希谜鲜菥璓CIE接口分别发送到三个数据处理板；
所述数据处理板包括控制�？椋耙钥刂颇？槲诵纳柚玫氖荽娲⒛？�、HDMI显示接口、硬盘接口和PCIE接口，所述控制�？椴捎眉葾RM微处理器和DSP微处理器的芯片；数据传输与控制板发送的整合数据经PCIE接口输入ARM微处理器，ARM微处理器从整合数据分离出的影像预处理数据和航摄外方位元素数据存入数据存储�？椋籄RM微处理器调用DSP微处理器读取数据存储模块内的影像预处理数据和航摄外方位元素数据并进行处理，DSP微处理器所得处理结果返回数据存储模块，DSP微处理器在处理完成后向ARM微处理器发送完成消息，ARM微处理器接到完成消息后从数据存储�？槎寥〈斫峁⒔斫峁才探涌谒腿胗才探写娲⒑途璈DMI显示接口送入显示器进行显示；DSP微处理器读取数据存储�？槟诘挠跋裨ご硎莺秃缴阃夥轿辉厥萁械拇恚怯跋裆手柿科蓝ā⒂跋窦负沃柿科蓝ɑ蛉巴计唇樱谟跋窦负沃柿科蓝ɑ蛉巴计唇邮敝苯硬捎肞OS系统同步产生的航摄外方位元素数据进行解算。而且，数据传输与控制板的影像数据输入接口采用CameraLink接口，POS数据输入接口采用RS484接口。本发明所提供机载航空影像实时摄影测量处理系统安装于航空飞行平台上，通过航空相机对地面拍照获取地面影像数据，同时POS系统同步产生航摄仪的位置和姿态数据，对这两种数据分别通过CameraLink和RS484接口直接传输到数据传输与控制板，数据传输与控制板对影像进行相应的预处理，然后把两种数据同时发送到三个PCIE端口，三块数据处理板同时接收来自PCIE端口的数据并分别进行影像色彩质量评定处理、影像几何质量评定处理和全景图拼接处理，最后三块数据处理板分别储存处理结果并在显示器上显示处理结果。本发明的技术方案对于机载摄影测量实时处理，其目标明确，数据处理内容比较固定，采用以专门应用为目的的嵌入式系统来实现机载摄影测量实时处理，具有很强的优势，包括系统体积小、功耗低、处理速度快等优点，便于机上装备。并且，本发明可以直接采用POS系统同步产生的航摄外方位元素数据进行解算，替代传统摄影测量方法中的空三解算，实现实时摄影测量并获取处理结果。
图1是本发明实施例的系统结构图。图2是本发明实施例的机载实时摄影测量处理流程图。图3是本发明实施例的高速数据传输与控制流程图。图4是本发明实施例的实时数据处理流程图。图5是本发明实施例的原理图。图6是本发明实施例的数据传输与控制板结构图。图7是本发明实施例的数据处理板结构图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。参见图1，本发明实施例的提供机载航空影像实时摄影测量处理系统包括数据传输与控制板、数据处理板等板卡，具体实施时，还可以配以外接电源、存储设备、显示设备等外围硬件。用于影像色彩质量评定的数据处理板、用于影像几何质量评定的数据处理板、用于全景图拼接的数据处理板在图中分别记为数据处理板1、数据处理板2、数据处理板3。参见图2，航摄相机拍摄影像的同时，POS系统同步产生航摄外方位元素数据(包括位置和姿态数据)、数据传输与控制板读取地面影像数据和航摄外方位元素数据，然后交由数据处理板1、数据处理板2、数据处理板3分别进行影像色彩质量评定、影像几何质量评定和全景图拼接实时处理等，建立了专门的运行环境。处理结果可输出到存储设备、显示设备，实施例的存储设备采用硬盘，显示设备采用显示器。参见图6，实施例的数据传输与控制板是基于FPGA (现场可编程门阵列)芯片设计，FPGA芯片具有很强的并行处理能力，有利于快速接收并分发数据。数据传输与控制板中，采用FPGA芯片实现控制�？椋訤PGA控制�？槲诵纳柚玫耐馕У缏范加隖PGA控制�？榉直鹆樱雍娇障嗷腃ameraLink接口、接收POS系统所产生外方位元素的RS484接口、用于作为内存来存储数据的数据存储�？�(DDR2)、用于向数据处理板传输数据的PCIE接口，此外还有外接电源输入接口(DC IN)、为数据处理板供电的电源输出接口(DC OUT)、下载程序到FPGA芯片的JTAG接口、电路复位键(RESET)等等。所有接口都与FPGA芯片相连接，由FPGA进行统一的控制调度，最终能够对大数据量进行高速处理，并实现数据的快速接收与分发。参见图3，从航摄相机和POS系统上传输到数据传输与控制板的数据量很大，需要在短时间内由数据传输与控制板接收到板卡的内存，经过处理后再发送到三个PCIE端口。由数据传输与控制板实现的数据传输控制及预处理具体过程包括接收来自航摄相机通过CameraLink接口传输过来的地面影像数据以及POS系统通过RS484接口传输过来的航摄外方位元素，并存入数据传输与控制板的数据存储�？橹校挥砂蹇ǹ刂浦行模碏PGA控制�？椋寥∈荽娲⒛？槟诘牡孛嬗跋袷莺秃缴阃夥轿辉厥荩缓蠖允荽娲⒛？橹械牡乩碛跋袷萁性ご恚籉PGA控制�？榘阉糜跋裨ご硎莺秃缴阃夥轿辉厥菡喜⑼狈⑺偷饺鯬CIE端口。具体实施时，本领域技术人员可以预先设计预处理程序，通过JTAG接口下载到FPGA控制�？椋纯捎蒄PGA控制�？榻卸允荽娲⒛？橹械牡乩碛跋袷萁性ご�。具体实施时，预处理操作可以采用图像缩放、图像滤波等处理，由本领域技术人员根据需要制作具有相应预处理功能的FPGA工程后，通过JTAG接口下载到FPGA控制�？榧纯�。参见图7，实施例的数据处理板是基于ARM+DSP技术设计，控制�？椴捎眉葾RM微处理器与DSP微处理器的芯片，以控制�？槲诵纳柚玫耐馕У缏范加肟刂颇？榉直鹆印Ｊ导实缏分校刂颇？槭且豢锳RM+DSP的集成芯片，外围电路直接与这块芯片连接，而具体所有的外围接口通信都是ARM微处理器来处理，DSP微处理器的主要作用是做高速运算，ARM微处理器和DSP微处理器的协作运行在实际应用中可以通过软件来进行。外围电路包括数据存储�？�(DDR2)、用于显示处理结果的HDMI显示接口(高清晰度多媒体接口)、用于存储处理结果的硬盘接口( SATA接口)、用于接收来自数据传输与控制板的整合数据的PCIE接口，除此之外还有用于给数据处理板上操作系统的SD卡接口、下载程序的JTAG接口、电路复位键(RESET )、外接电源输入端(DC IN)、存储DSP微处理器所用实施处理程序的片外存储器FLASH等等。为了便于调试，还可设置用于连接调试终端的RS232接口，调试终端可以采用通用计算机。设置RS232接口后，在嵌入式开发过程中通过一根串口线就可以实现板卡与通用计算机连接，通用计算机上运行终端软件就可以控制板卡，可以方便地修改板卡配置、下载程序，以及显示板卡运行过程中的中间信息。具体实施时，可以通过SD卡接口在数据处理板上安装Iinux操作系统，能方便实现对各种接口的驱动，而DSP微处理器具有实时数据处理能力。ARM微处理器上的操作系统是存储在SD卡里面，上电后通过SD卡载入，而DSP微处理器所用实现处理的算法程序则是通过JTAG接口下载到DSP对应的片外存储器FLASH中，在ARM微处理器调用DSP微处理器时，DSP微处理器从片外存储器FLASH载入相应算法程序，然后读取数据存储模块内的影像预处理数据和航摄外方位元素数据并进行处理。数据处理板的PCIE接口和数据传输与控制板的PCIE接口插接，即可实现数据处理板和数据传输与控制板的连接。数据处理板通过PCIE接口获取数据后，进行处理，将处理结果保存到硬盘和显示到显示器。实施例的数据处理板有三块，分别完成影像色彩质量评定、影像几何质量评定和全景图拼接，三块数据处理板在硬件上完全一样，只是调用的处理程序有区别。注意，这里拼接生成的全景图，不是正射影像，但是具有一定精度的地理参考，可以满足应急的需要。参见图4，由数据处理板实现的数据接收及高速处理过程，用来实时处理从数据传输板接收过来的数据，过程包括数据传输与控制板发送的整合数据经PCIE接口输入ARM微处理器，ARM微处理器从整合数据解析分离出的影像预处理数据和航摄外方位元素数据存入数据存储�？椋籄RM微处理器调用DSP微处理器读取数据存储�？槟诘挠跋裨ご硎莺秃缴阃夥轿辉厥莶⒔写恚珼SP微处理器所得处理结果返回数据存储�？椋珼SP微处理器处理完成后向ARM微处理器发送完成消息，ARM微处理器接到完成消息后从数据存储�？槎寥〈斫峁⒔斫峁才探涌谒腿胗才探写娲⒑途璈DMI显示接口送入显示器进行显示；DSP微处理器读取数据存储�？槟诘挠跋裨ご硎莺秃缴阃夥轿辉厥萁械拇恚怯跋裆手柿科蓝�、影像几何质量评定或全景图拼接，在影像几何质量评定或全景图拼接时直接采用POS系统同步产生的航摄外方位元素数据进行解算。具体实施时，本领域技术人员可以采用软件技术预先设计影像色彩质量评价、影像几何质量评价、拼接全景图分别的算法程序，通过JTAG接口下载到三个数据处理板各自DSP芯片对应的FLASH存储器中，调用DSP微处理器时即可由DSP微处理器加载FLASH存储器中相应的算法程序，实现相应的影像色彩质量评定、影像几何质量评定或全景图拼接处理。影像色彩质量评定旨在对所获取影像的清晰度、亮度、对比度、色调饱和度及是否存在阴影和云遮挡的部分进行实时检测；影像几何质量评定旨在检测可能存在漏拍、影像重叠度不够、旋偏角过大等情况，如能在飞行过程中实时计算出航摄漏洞区域，指导实时补飞，则可以大幅节省数据获取成本；全景图拼接处理旨在利用POS系统提供的外方位元素及影像数据对各影像进行实时镶嵌，实现数字影像图的在线拼接，航摄任务完成即可得到整个地区的全景图。具体算法实现属于现有技术，由于本发明的硬件具有实时采集数据的优点，具有高速处理能力，能够实现实时摄影测量处理方法。传统摄影测量方法需要空三解算，而空三解算需要所有数据全部到位的情况下才能实施，无法实现实时摄影测量。本发明利用POS系统提供的外方位元素结合影像直接进行解算，可以避免空三，在数据获取的同时即可进行处理。在影像几何质量评定或全景图拼接时，都直接采用POS系统同步产生的航摄外方位元素数据进行解算。这种方法与传统摄影测量处理方法本质不同，即采用直接定向法
6代替传统的摄影测量方法，实现直接定向，完成实时摄影测量处理。这样虽然精度略有损失，但在实时性方面具有重要意义。实际上，影像色彩质量评定只需要影像预处理数据，影像几何质量评定只需要航摄外方位元素数据，全景图拼接处理需要影像预处理数据和航摄外方位元素数据，但为了传输和处理数据方便，数据传输与控制板仍然把影像预处理数据和航摄外方位元素数据整合后，将同样的整合数据发到三块数据处理板。DSP微处理器读取数据存储�？槟诘挠跋裨ご硎莺秃缴阃夥轿辉厥莺螅菟惴ǔ绦蜓≡裥枰氖萁写�。参见图5，实际应用时，机载实时摄影测量处理流程为在航拍过程中每隔一段时间航摄相机会对地面进行拍摄获取原始的地面影像数据，同时POS系统获取航摄外方位元素(位置和姿态)，连同地面影像数据一起发送到数据传输与控制板，数据传输与控制板接收数据到数据存储�？橹校杏跋裨ご恚缓笳虾笸狈⑺偷饺鯬CIE端口，三块数据处理板分别接收数据进行高速处理，包括影像颜色质量评价、影像几何质量评价以及影像拼接处理，存储并在显示设备上输出处理结果。上述所有过程将会在下一次航拍的地面影像数据和航摄外方位元素数据全部到达数据传输与控制板之前处理完毕。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
权利要求
1.一种机载航空影像实时摄影测量处理系统，其特征在于包括数据传输与控制板和三个数据处理板，三个数据处理板分别是用于影像色彩质量评定的数据处理板、用于影像几何质量评定的数据处理板、用于全景图拼接的数据处理板；所述数据传输与控制板包括FPGA控制�？椋耙訤PGA控制�？槲诵纳柚玫氖荽娲⒛？�、影像数据输入接口、POS数据输入接口、三个PCIE接口，三个数据处理板分别通过一个PCIE接口与数据传输与控制板连接；航空相机采集的地面影像数据经影像数据输入接口输入后经FPGA控制�？榇嫒胧荽娲⒛？椋琍OS系统同步产生的航摄外方位元素数据经POS数据输入接口输入后经FPGA控制模块存入数据存储模块；FPGA控制�？槎寥∈荽娲⒛？槟诘牡孛嬗跋袷莺秃缴阃夥轿辉厥荩缘孛嬗跋袷萁性ご砗螅糜跋裨ご硎莺秃缴阃夥轿辉厥菡希谜鲜菥璓CIE接口分别发送到三个数据处理板；所述数据处理板包括控制�？椋耙钥刂颇？槲诵纳柚玫氖荽娲⒛？�、HDMI显示接口、硬盘接口和PCIE接口，所述控制�？椴捎眉葾RM微处理器和DSP微处理器的芯片；数据传输与控制板发送的整合数据经PCIE接口输入ARM微处理器，ARM微处理器从整合数据分离出的影像预处理数据和航摄外方位元素数据存入数据存储�？椋籄RM微处理器调用DSP微处理器读取数据存储模块内的影像预处理数据和航摄外方位元素数据并进行处理，DSP微处理器所得处理结果返回数据存储模块，DSP微处理器在处理完成后向ARM微处理器发送完成消息，ARM微处理器接到完成消息后从数据存储�？槎寥〈斫峁⒔斫峁才探涌谒腿胗才探写娲⒑途璈DMI显示接口送入显示器进行显示；DSP微处理器读取数据存储�？槟诘挠跋裨ご硎莺秃缴阃夥轿辉厥萁械拇恚怯跋裆手柿科蓝�、影像几何质量评定或全景图拼接，在影像几何质量评定或全景图拼接时直接采用POS系统同步产生的航摄外方位元素数据进行解算。
2.如权利要求1所述机载航空影像实时摄影测量处理系统，其特征在于数据传输与控制板的影像数据输入接口采用CameraLink接口，POS数据输入接口采用RS484接口。
全文摘要
本发明公开一种机载航空影像实时摄影测量处理系统，包括数据传输与控制板和三个数据处理板，相机和POS系统分别获取数据，数据传输与控制板接收相机和POS系统获取的数据；数据传输与控制板将接收到的数据分别发送到三块数据处理板；三块数据处理板上分别进行影像色彩质量评定、影像几何质量评定和全景图拼接处理，处理结果保存到硬盘和显示到显示器。本发明对于机载摄影测量实时处理，其目标明确，数据处理内容比较固定，采用以专门应用为目的的嵌入式系统来实现机载摄影测量实时处理，具有很强的优势，包括系统体积小、功耗低、处理速度快等优点，便于机上装备。
文档编号G01C11/30GK102564401SQ20111037508
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者张剑哲, 徐轩, 桂力, 王晓南, 罗迪, 郑顺义, 马电 申请人:武汉大学
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