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工业摄影测量网形优化设计

工业摄影测量网形优化设计

作者：郭迎钢解放军信息工程大学

学位级别：硕士

近年来,我国制造业的迅猛发展对工业测量技术提出了越来越高的要求。工业摄影测量作为一种重要的工业测量系统,具有精度高、非接触、测量效率高等优点,有着广泛的应用领域。工业摄影测量网形(Industrial Photogrammetric Network,IPN)... 详细信息

近年来,我国制造业的迅猛发展对工业测量技术提出了越来越高的要求。工业摄影测量作为一种重要的工业测量系统,具有精度高、非接触、测量效率高等优点,有着广泛的应用领域。工业摄影测量网形(Industrial Photogrammetric Network,IPN)的优化设计对于提高工业摄影测量的精度、效率和自动化程度有着十分重要的意义。论文针对IPN的优化设计进行了研究,研究工作主要从基准的选择、网形的设计和权阵的优化三个方面展开。论文的主要工作及创新点如下:1.给出了工业摄影测量网形(IPN)的概念,总结了IPN的特性。通过类比高铁轨道控制网CPIII,介绍了IPN的重要作用,指出了IPN优化设计的研究背景、目的和意义,总结了工程控制网优化设计、工业摄影测量误差源分析、摄站位姿规划三个方面的研究现状。2.定义了IPN的精度和可靠性指标,并构建了物方点精度估计模型。根据IPN的平差模型,从精度和可靠性两个方面出发,定义了IPN的质量指标;给出了平均摄影距离和交会质量的概念,分析了摄影距离和交会质量对IPN精度的影响规律,基于回归分析建立了物方点的精度估计模型;分析了摄站数和网形结构对IPN可靠性的影响。3.构建了基于拟稳基准的秩亏自检校光束法平差模型。从尺度基准和位姿基准两个方面介绍了IPN的平差基准。结合自检校光束法平差和秩亏自由网平差原理,设计了拟稳基准的G矩阵,组建了秩亏自检校光束法平差的法方程。通过实验分析对比了不同的固定基准及拟稳基准对平差结果的影响,结果表明:在IPN平差解算过程中采用拟稳基准更为合理。4.设计了IPN网形优化设计算法。总结了IPN网形的布设原则,分析了摄站分布对测量精度的影响。以可视性、工作区域边界、摄影距离等为约束条件,以摄站的位姿参数为优化变量,以物方点Helmert点位误差的均方根最小为目标函数,基于自适应遗传算法设计了IPN网形优化设计算法。进行了仿真实验和实测实验,结果表明:该算法能够设计出摄站数量少、精度高的测量方案,并为实际测量中的摄站布设提供参考。5.构建了IPN非等权平差模型。定义了光线偏移量,从成像过程出发推导了光线偏移量的计算公式。通过分析具有不同像平面坐标、不同摄影距离的物方点的光线偏移量,指出了非等权模型的合理性和必要性,并给出了IPN平差的赋权公式。进行了重复性实验和公共点转换实验,结果表明:非等权平差模型的解算精度略优于等权平差模型的解算精度。

关键词：工业摄影测量网形精度指标可靠性指标平差基准秩亏自检校光束法平差网形优化设计自适应遗传算法非等权平差模型

三维坐标转换公共点最优权值的单纯形搜索算法

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测绘学报 2020年第8期49卷 1004-1013页

作者：郭迎钢李宗春何华王志颖信息工程大学河南郑州450001

为提高三维坐标转换参数的求解质量,本文基于最优化算法提出了一种稳健的公共点加权坐标转换方法。以坐标转换后公共点的点位残差加权平方和最小为目标函数,利用Nelder-Mead单纯形直接搜索算法,寻找公共点坐标分量在解算坐标转换参数时... 详细信息

为提高三维坐标转换参数的求解质量,本文基于最优化算法提出了一种稳健的公共点加权坐标转换方法。以坐标转换后公共点的点位残差加权平方和最小为目标函数,利用Nelder-Mead单纯形直接搜索算法,寻找公共点坐标分量在解算坐标转换参数时的最优权重组合。以粒子加速器磁铁的准直安装为应用场景,利用模拟数据和实测数据对本文方法进行验证。结果表明:本文方法能够有效降低粗差观测值及质量不佳观测值的权重。与最小二乘、抗差估计等方法相比,本文方法解算结果的点位残差加权平方和更小,坐标转换参数质量更优。本文方法能提高三维坐标转换参数的求解质量,尤其适用于验前精度未知、观测数据质量不佳的情况。

关键词：公共点加权坐标转换最优化算法单纯形直接搜索算法点位残差抗差估计

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最小二乘配置在形变监测中的应用

测绘通报 2015年第S1期 163-166页

作者：郭迎钢李宗春李伟信息工程大学河南郑州450001

最小二乘配置具有可以预测未测点信号、并对预测值进行精度评定的特点,在坐标转换、GPS水准拟合、形变测量等方面得到了广泛的应用。本文利用最小二乘配置来获取变形监测网内插点的变形信息,并利用协方差阵进行精度评定。利用模拟试验... 详细信息

最小二乘配置具有可以预测未测点信号、并对预测值进行精度评定的特点,在坐标转换、GPS水准拟合、形变测量等方面得到了广泛的应用。本文利用最小二乘配置来获取变形监测网内插点的变形信息,并利用协方差阵进行精度评定。利用模拟试验和工程试验,验证了该方法的正确性和有效性。

关键词：最小二乘配置形变监测函数

变形监测网稳定点选取的平方型Msplit相似变换法

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测绘学报 2020年第11期49卷 1419-1429页

作者：郭迎钢李宗春何华张冠宇冯其强杨浩信息工程大学河南郑州450001

针对现有参考网稳定点选取方法在不稳定点数较多时正确性和稳健性不足的问题,通过引入平方型Msplit相似变换,提出了一种稳健的稳定点选取方法,在不稳定点较多、甚至不稳定点数超过稳定点数的情况下仍然有效。具体思路是:在计算两期坐标... 详细信息

针对现有参考网稳定点选取方法在不稳定点数较多时正确性和稳健性不足的问题,通过引入平方型Msplit相似变换,提出了一种稳健的稳定点选取方法,在不稳定点较多、甚至不稳定点数超过稳定点数的情况下仍然有效。具体思路是:在计算两期坐标的相似变换参数时,利用平方型Msplit估计将参考点组一分为二,取点数多的一组为稳定点组并继续分裂,直至两个点组对应的相似变换参数无明显差异时停止,利用最终的稳定点组计算相似变换参数来开展变形分析。试验结果表明,当参考网中存在变形量较大的点或不稳定点总数接近甚至超过稳定点数时,本文方法与传统S变换和抗差S变换相比,稳定点的判断正确率最高,求得的变形量与模拟变形量相差最小,稳定点组对应的两期坐标差均方根最小,能够正确反映控制点的实际变形。

关键词：平方型Msplit估计相似变换变形监测参考网稳定点选取变形分析

工业摄影测量控制网网形对测量精度的影响研究

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测绘通报 2016年第S2期 258-261,266页

作者：郭迎钢李宗春冯其强王永强信息工程大学地理空间信息学院河南郑州450001

为了提高工业摄影测量系统的精度,从影响精度的几何因素出发,分析了不同因素对测量精度的影响程度,总结了工业摄影测量控制网的布设原则,通过试验反映出不同几何因素通过控制网网形对测量精度的影响,并在此基础上提出了工业摄影测量控... 详细信息

为了提高工业摄影测量系统的精度,从影响精度的几何因素出发,分析了不同因素对测量精度的影响程度,总结了工业摄影测量控制网的布设原则,通过试验反映出不同几何因素通过控制网网形对测量精度的影响,并在此基础上提出了工业摄影测量控制网优化设计的思路。

关键词：工业摄影测量控制网网形结构测量精度

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激光跟踪仪多测站抗差马氏光束法平差

光学精密工程 2020年第9期28卷 2046-2055页

作者：郭迎钢赵文斌李宗春张冠宇杨浩战略支援部队信息工程大学河南郑州450001 中国科学院上海高等研究院上海201800

为了提高激光跟踪仪多测站测量数据平差结果的精度,研究了抗差马氏光束法平差模型。在传统光束法平差(TBA)模型的基础上,引入马氏距离,将平差准则由原来的“使观测值改正数加权平方和最小”改造为“使观测值到加权平均值的马氏距离平方... 详细信息

为了提高激光跟踪仪多测站测量数据平差结果的精度,研究了抗差马氏光束法平差模型。在传统光束法平差(TBA)模型的基础上,引入马氏距离,将平差准则由原来的“使观测值改正数加权平方和最小”改造为“使观测值到加权平均值的马氏距离平方和最小”,并在计算加权平均坐标时对粗差观测值进行剔除,建立了抗差马氏光束法平差(RMBA)模型。仿真试验中,用MATLAB模拟了4个测站观测12个控制点的观测值,结果表明RMBA模型的解算结果优于TBA、文献22方法和SA软件的解算结果,与仿真坐标的偏差均方根为0.031 mm。在模拟观测值中加入粗差后,RMBA模型表现出了优良的抗差性。实测试验中,以上海光源实验大厅100 m范围内4个测站观测42个控制点的数据为例,SA软件的平差结果的点位中误差为0.05 mm,RMBA解算结果与SA结果的三维坐标偏差均方根为0.07 mm。结果表明RMBA模型具有一定的抗差性,坐标解算精度优于TBA模型和文献[22]方法,与SA软件的解算精度在同一量级。

关键词：激光跟踪仪多测站测量光束法平差马氏距离抗差马氏光束法平差

一种顾及现势指向的上行天线阵相位中心精确标校方法

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测绘学报 2019年第2期48卷 145-152页

作者：李宗春路志勇张冠宇刘波冯其强郭迎钢何华信息工程大学地理空间信息学院河南郑州450001 中国电子科技集团公司航天信息应用技术重点实验室河北石家庄050081

针对上行天线阵相位中心标校技术粗糙、精度不高等问题,引入精密工程测量技术测定天线实际状态,提出了一种顾及现势指向的相位中心精确标校方法。首先,利用工业摄影测量系统获取天线各姿态的型面数据,并通过最小二乘法拟合求解出现势性... 详细信息

针对上行天线阵相位中心标校技术粗糙、精度不高等问题,引入精密工程测量技术测定天线实际状态,提出了一种顾及现势指向的相位中心精确标校方法。首先,利用工业摄影测量系统获取天线各姿态的型面数据,并通过最小二乘法拟合求解出现势性强的机械轴;然后,用矩阵法解算各姿态下机械轴的交点作为旋转中心;最后,基于反角度加权插值法推估得到天线在任意姿态下的机械轴,进而从投影中心沿机械轴延伸既定长度获得可靠的相位中心。以3台φ3 m上行阵天线为试验对象,通过工程控制网统一摄影测量坐标系,并按照本文方法标校天线相位中心。电信号合成效果表明,本文方法能有效克服天线自重变形、机械安装等因素的影响,实现了相位中心的精确标校,增强了上行天线阵合成信号的幅度。

关键词：上行天线阵相位中心旋转中心现势指向三维控制网精确标校

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五拼数码相机参数标定

测绘通报 2016年第S2期 270-272,297页

作者：王永强李宗春冯其强郭迎钢赵莹信息工程大学地理空间信息学院河南郑州450001 中国人民解放军第1001工厂陕西西安710119

根据数码相机的特点,介绍了相机标定的内容。对五拼数码航空相机采用分步标定的方式获得了相机参数,先采用基于10参数模型的自检校光束法平差完成单个相机标定,再通过旋转矩阵变换法进行组合相机的相对位置标定。通过试验,得到了高精度... 详细信息

根据数码相机的特点,介绍了相机标定的内容。对五拼数码航空相机采用分步标定的方式获得了相机参数,先采用基于10参数模型的自检校光束法平差完成单个相机标定,再通过旋转矩阵变换法进行组合相机的相对位置标定。通过试验,得到了高精度的相机参数。

关键词：五拼相机自检校光束法平差单像空间后方交会内方位元素

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用于精密坐标传递的二联激光跟踪仪系统

光学精密工程 2020年第1期28卷 30-38页

作者：郭迎钢李宗春(指导) 赵文斌杜涵文王志颖战略支援部队信息工程大学河南郑州450001 中国科学院上海高等研究院上海201800

为了实现受限空间内的精密坐标传递,建立了二联激光跟踪仪测量系统,并设计了其施测及数据处理方法。首先,对Leica AT402激光跟踪仪进行改装,在其提手上安装能够放置球棱镜的靶座,并精确标定球棱镜中心与仪器中心的高差,称它为垂向偏心... 详细信息

为了实现受限空间内的精密坐标传递,建立了二联激光跟踪仪测量系统,并设计了其施测及数据处理方法。首先,对Leica AT402激光跟踪仪进行改装,在其提手上安装能够放置球棱镜的靶座,并精确标定球棱镜中心与仪器中心的高差,称它为垂向偏心差。然后,两台激光跟踪仪自由设站,双面互瞄对方提手上的球棱镜,并依据垂向偏心差将互瞄观测值改化至仪器中心,得到仪器中心之间的互瞄观测值。两台仪器分别测量可视范围内的目标点,当两台仪器能够观测到足够数量的公共点时,可利用公共点和互瞄观测值共同传递坐标和方位;当无公共点时,可利用激光跟踪仪之间的互瞄观测值传递坐标和方位。在上海光源的工程控制网内开展了测量实验,结果表明:当相邻测站有公共点时,该系统能提高坐标转换的精度;当无公共点时,在9 m的距离上,坐标传递精度优于0.22 mm,定向旋转角精度接近1″。该系统可应用于三维工程控制网的测量,尤其适用于通视条件差的精密坐标传递场景。

关键词：激光跟踪仪二联激光跟踪仪系统双面互瞄受限空间精密坐标传递