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轻小型无人机相机几何定标与影像性能评估

摘要

随着无人机技术的飞速发展，无人机航空摄影测量技术以其成本低、效率高、

机动灵活等特点成为传统航空摄影测量手段的有力补充。为提高无人机航空摄影

测量精度，需要对无人机上搭载的非量测相机进行几何定标获取内参数和畸变系

数，以其为基础进行航测数据处理，才能获取更好的航测成果。国际上主流的相

机定标方式，是借助室外定标场完成，满足定标需求的同时还能通过建立性能靶

标对影像进行性能评估。然而国内外定标场大多针对卫星传感器，鲜少有针对无

人机的航空遥感综合定标场，且目前的几何定标及性能评估方法也存在一定的局

限性，如色彩校正时存在不均匀光照现象、传统MTF测量方法抗噪与抗模糊性

较差、刃边检测分辨率有待提高等问题，需要进一步完善。本文针对上述问题，

结合国内外定标场建设经验，研究建立适用于轻小型无人机的定标场，进一步开

展相机几何定标与影像性能评估研究，重点对影像性能评估方法进行分析与改进，

最后结合定标场进行了相机几何定标与影像性能评估实验，检验了定标场的可靠

性和本文提出算法的优越性。论文的主要工作和创新点如下：

（1）针对轻小型无人机特点，顾及几何定标与影像性能评估两方面需求，

建立了适用于轻小型无人机的定标场，并对定标场的可靠性进行了验证评估。

（2）几何定标方面，在推导光束法平差计算机视觉模型的基础上，结合所

建立的定标场和吉林大学开发的CameraCalibration软件，对无人机相机进行几

何定标和影像的畸变校正。并研究定标过程中加入倾斜影像对定标结果的影响。

（3）性能评估方面，主要进行了分辨率检测、色彩校正和MTF测量研究。

关于分辨率检测，基于定标场的三线靶标和辐射靶标，实现影像分辨率检测；关

于色彩校正，采用‘先匀光，后校正’，通过与常用方法（不匀光、Mask匀光、

Wallis匀光）的实验对比，检验了本文提出的先利用Retinex匀光算法对影像匀

光，再结合参考影像进行色彩校正方法的优越性；关于MTF测量，提出了一种

基于改进Zernike矩的刃边法MTF测量新方法，通过仿真实验和定标场实验，

验证了本文算法优于ISO12233、Hough变换等传统MTF测量方法。并利用定标

场中的刃边靶标，测量了相机的MTF。

（4）轻小型无人机影像性能评估软件的研发。依据所建立的定标场，结合

I

影像性能评估相关算法，基于MATLAB2020B设计开发了轻小型无人机影像性

能评估软件ImagePerformanceEvaluation1.0，可实现影像的参数计算、分辨率检

测、MTF测量和色彩校正等性能评估。

本文轻小型无人机定标场的建立及几何定标与影像性能评估方法的分析改

进，对于提高摄影测量质量和推动无人机在测绘领域中的广泛应用具有重要意义。

关键词：

轻小型无人机，定标场，几何定标，性能评估，分辨率检测，色彩校正，MTF

测量

II

GeometricCalibrationandImagePerformanceEvaluation

ofLightandSmallUAVCamera

Abstract

Withtherapiddevelopmentofdronetechnology,droneaerialphotogrammetry

technologyhasbecomeapowerfulsupplementtotraditionalaerialphotogrammetry

methodsduetoitslowcost,highefficiency,andflexibility.Inordertoimprovethe

accuracyofunmannedaerialvehicleaer