航空攝影測(cè)量數(shù)碼相機(jī)的檢校方法

發(fā)布日期：2018-04-12 00:00 瀏覽量：14511

　　近年來(lái)，隨著CCD技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字航空攝影測(cè)量已成為航測(cè)中研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)，其相對(duì)于傳統(tǒng)膠片有明顯的優(yōu)越性，但航空攝影用數(shù)碼相機(jī)取代膠片式相機(jī)成為數(shù)字航空攝影測(cè)量的關(guān)鍵設(shè)備。傳統(tǒng)航測(cè)所采用的相機(jī)為量測(cè)相機(jī)，其光學(xué)畸變小，它可測(cè)定內(nèi)方位元素，有框標(biāo)裝置，其機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，攝影中心相對(duì)所拍攝影像的相對(duì)位置是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢校的。但是使用膠片相機(jī)不僅價(jià)格昂貴，還要用昂貴的儀器對(duì)膠片影像數(shù)字化，而且膠片動(dòng)態(tài)范圍小，故航攝數(shù)據(jù)質(zhì)量低，測(cè)圖周期長(zhǎng)，影響了整個(gè)行業(yè)進(jìn)步。目前市場(chǎng)上缺乏測(cè)量專(zhuān)用的數(shù)碼相機(jī)，航空攝影測(cè)量作業(yè)中使用的相機(jī)大多是使用高檔的商業(yè)相機(jī)，沒(méi)有檢校出內(nèi)方位元素，鏡頭畸變大，為了將數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用于航空攝影測(cè)量，關(guān)鍵一步就是對(duì)相機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格的檢校，求出相機(jī)的內(nèi)方位元素及各項(xiàng)畸變參數(shù)，以便在數(shù)據(jù)后處理中消除影像的畸變差，使其達(dá)到航空攝影測(cè)量作業(yè)的要求。本文通過(guò)分析數(shù)碼相機(jī)的誤差來(lái)源，主流校驗(yàn)方法的比較，討論測(cè)定數(shù)碼相機(jī)校驗(yàn)的目的，利用對(duì)數(shù)碼像機(jī)檢校數(shù)學(xué)模型的建立、檢校場(chǎng)的建立，驗(yàn)證相機(jī)內(nèi)參數(shù)的可靠性，最后用實(shí)例應(yīng)用證明了檢校的高精度性、可靠性與可行性。

PAN-U5傾斜航攝儀.jpg

　　1 數(shù)碼相機(jī)的誤差來(lái)源
　　數(shù)碼相機(jī)是利用CCD（ Charge Coupled Device）將入射相機(jī)鏡頭的光輻射能量轉(zhuǎn)化為數(shù)字影像的，CCD傳感器感光元的數(shù)量為衡量數(shù)碼相機(jī)性能的重要指標(biāo)[1]。數(shù)碼相機(jī)的誤差不僅可由光學(xué)鏡頭的畸變與機(jī)械誤差引起，還可能由視頻信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生，分別稱(chēng)為光學(xué)畸變差、機(jī)械誤差和電學(xué)誤差。光學(xué)畸變是影響像點(diǎn)坐標(biāo)質(zhì)量的一項(xiàng)重要誤差，主要是由相機(jī)物鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制作和裝配所引起的像點(diǎn)偏離其理想位置的點(diǎn)位誤差，光學(xué)畸變可分為徑向畸變差和偏心畸變差兩類(lèi)；機(jī)械誤差是在光學(xué)鏡頭獲取的影像轉(zhuǎn)化到數(shù)字化陣列影像這一步產(chǎn)生的誤差，主要由以下兩個(gè)因素引起：一是掃描陣列不平行于光學(xué)影像，致使數(shù)字化影像相對(duì)于光學(xué)影像有旋轉(zhuǎn)；二是每個(gè)陣列元素尺寸不同而產(chǎn)生不均勻變形。電學(xué)誤差主要包括行同步誤差、場(chǎng)同步誤差及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換時(shí)的采樣誤差。

　　2 當(dāng)前主流檢校方法的比較
　　當(dāng)前主要的檢校方法大體上分兩類(lèi)：一類(lèi)是直接線(xiàn)性變換解法，但它因無(wú)需內(nèi)方位元素值和外方元素的初始近似值，故僅適用于非量測(cè)相機(jī)所攝影像的攝影測(cè)量處理；另一類(lèi)是一種基于空間后方交會(huì)的檢校方法，它以共線(xiàn)方程為基礎(chǔ)，以像點(diǎn)坐標(biāo)作為觀測(cè)值，解求相機(jī)內(nèi)外方位元素、畸變系數(shù)以及其他附加參數(shù)的檢校方法。這種方法正好適合解決數(shù)碼相機(jī)所遇到的問(wèn)題，因而本文利用此方法來(lái)檢校，并且已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)踐中產(chǎn)生了不錯(cuò)的結(jié)果。

　　3 數(shù)碼相機(jī)的檢校
　　當(dāng)前使用的主流相機(jī)是非量測(cè)相機(jī)，存在光學(xué)畸變和電的、機(jī)械的等誤差。因而對(duì)數(shù)碼相機(jī)的檢校內(nèi)容包括①主點(diǎn)（x，y）的位置測(cè)定；②主距（f）測(cè)定；③光學(xué)畸變系數(shù)測(cè)定。

　　3.1 檢校的目的及數(shù)學(xué)模型
　　數(shù)字相機(jī)檢校的目的是恢復(fù)影像光束的正確形狀，即通過(guò)檢校獲取影像的內(nèi)方位元素和各項(xiàng)畸變系數(shù)。前面已經(jīng)提到本檢校是基于一種空間后方交會(huì)的檢校方法[3]。它是以共線(xiàn)方程作為基礎(chǔ)，以像點(diǎn)坐標(biāo)作為觀測(cè)值，解求相機(jī)內(nèi)外方位元素、畸變系數(shù)以及其他附加參數(shù)的一種檢校方法。共線(xiàn)方程式為
　　其中，（x，y）為像點(diǎn)的像平面坐標(biāo)；f為影像的內(nèi)方位元素；（X，Y，Z）為物方點(diǎn)的空間坐標(biāo)；a，b，c（i=1，2，3）為影像的3個(gè)外方位角元素組成的9個(gè)方向余弦；X表示影像的外方位元素；X表示影像的內(nèi)方位元素；X表示一些附加的參數(shù)，主要是光學(xué)畸變改正項(xiàng)。
　　3.2 檢校場(chǎng)的改造
　　3.2.1 原有檢校場(chǎng)
　　對(duì)檢校場(chǎng)的要求：
　?。?）相機(jī)在“無(wú)窮遠(yuǎn)”處能獲得滿(mǎn)像幅的檢校場(chǎng)圖像；（2）檢校場(chǎng)要有一定的層次來(lái)布設(shè)標(biāo)志點(diǎn)；（3）相機(jī)可在不同攝站位置進(jìn)行拍攝。
　　本次檢測(cè)對(duì)象為佳能5D系列數(shù)字相機(jī)，其分辨率為5616×3744，標(biāo)稱(chēng)焦距為35mm，影像以RAW格式存儲(chǔ)輸出[4]。使用室外檢校場(chǎng)是在某樓正立面布設(shè)了近千個(gè)間隔為1.0～2.5m的控制點(diǎn)標(biāo)志；該樓高約30m，寬約為100m，墻體有電梯、走廊和凹槽，構(gòu)成了前后四個(gè)層次的立體結(jié)構(gòu)。拍攝點(diǎn)為距離檢校場(chǎng)大40m以外，與焦距相比，可視為無(wú)窮遠(yuǎn)處，獲取的影像能充滿(mǎn)像幅。
　　3.2.2 控制點(diǎn)標(biāo)志及空間定位數(shù)據(jù)的獲取
　　對(duì)于控制場(chǎng)標(biāo)志點(diǎn)的選取最初制定了多套方案，包括材料、形狀等，為了提高控制點(diǎn)坐標(biāo)的獲取效率和長(zhǎng)期使用的目的，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的測(cè)試控制點(diǎn)標(biāo)志由黑色的鋁片做成，并且創(chuàng)性地在鋁片中間粘貼了全站儀棱鏡反光片[5]。此檢校場(chǎng)是在成熟的原檢校場(chǎng)的基礎(chǔ)上通過(guò)擴(kuò)展、加密布設(shè)后形成的。在控制點(diǎn)外業(yè)測(cè)量中用全站儀使用全圓測(cè)回法（半測(cè)回）進(jìn)行測(cè)量，之后內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算得到每個(gè)點(diǎn)位的精確坐標(biāo)。

　　3.3 參數(shù)可靠性驗(yàn)證
　　基于像點(diǎn)系統(tǒng)誤差改正模型和像主點(diǎn)坐標(biāo)，用VC++6.0編寫(xiě)了相應(yīng)程序，對(duì)所拍攝像片進(jìn)行畸變差改正，并進(jìn)行重采樣；隨后檢校軟件對(duì)重采樣后相片經(jīng)重新求取各系統(tǒng)誤差參數(shù)與內(nèi)方位元素，通過(guò)解算軟件查看相片畸變差，影像最大畸變小于1微米（一個(gè)像元為9微米×9 微米），已在限值范圍內(nèi)。

　　4 結(jié)束語(yǔ)
　　通過(guò)上述分析可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

第一，對(duì)于大面陣數(shù)碼相機(jī)，基于室外控制場(chǎng)的檢校具有精度高并且可靠的特點(diǎn)；

第二，在建立檢校場(chǎng)時(shí)，控制標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)該盡量均勻分布，并且需在3個(gè)坐標(biāo)方向上有一定的延伸，以免造成線(xiàn)性方程的強(qiáng)相關(guān)；

第三，對(duì)于航空用數(shù)碼相機(jī)，像點(diǎn)很小的誤差都會(huì)給物方點(diǎn)位精度帶來(lái)比較大的影響；

第四，航空數(shù)碼相機(jī)檢校存在主距的鎖定與相機(jī)固定問(wèn)題，在相機(jī)檢校之前需考慮如何將其機(jī)械固定又不影響相機(jī)的操作。大型室外航空攝影數(shù)碼相機(jī)檢校場(chǎng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)建設(shè)，再加上高精度的相機(jī)檢校方法，只要按照既定操作步驟即使非專(zhuān)業(yè)人士也能夠得出高精度的相機(jī)檢校數(shù)據(jù)。這對(duì)今后航空攝影數(shù)碼相機(jī)的應(yīng)用范圍擴(kuò)展了空間，只要是能滿(mǎn)足一定條件的高檔普通攝影數(shù)碼相機(jī)完全可以達(dá)到攝影測(cè)量的高精度、大視場(chǎng)角要求，從而加速了航空攝影測(cè)量的更進(jìn)一步發(fā)展。

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