航空攝影(yǐng)測量數碼相機的(de)檢校方法

發布日期：2018-04-12 00:00 浏覽量：12700

　　近年來(lái)，随著(zhe)CCD技術的(de)發展，數字航空攝影(yǐng)測量已成爲航測中研究與應用(yòng)的(de)熱(rè)點，其相對(duì)于傳統膠片有明(míng)顯的(de)優越性，但航空攝影(yǐng)用(yòng)數碼相機取代膠片式相機成爲數字航空攝影(yǐng)測量的(de)關鍵設備。傳統航測所采用(yòng)的(de)相機爲量測相機，其光(guāng)學畸變小，它可(kě)測定内方位元素，有框标裝置，其機械結構穩固，攝影(yǐng)中心相對(duì)所拍(pāi)攝影(yǐng)像的(de)相對(duì)位置是經過嚴格檢校的(de)。但是使用(yòng)膠片相機不僅價格昂貴，還(hái)要用(yòng)昂貴的(de)儀器對(duì)膠片影(yǐng)像數字化(huà)，而且膠片動态範圍小，故航攝數據質量低，測圖周期長(cháng)，影(yǐng)響了(le)整個(gè)行業進步。目前市場(chǎng)上缺乏測量專用(yòng)的(de)數碼相機，航空攝影(yǐng)測量作業中使用(yòng)的(de)相機大(dà)多(duō)是使用(yòng)高(gāo)檔的(de)商業相機，沒有檢校出内方位元素，鏡頭畸變大(dà)，爲了(le)将數碼相機應用(yòng)于航空攝影(yǐng)測量，關鍵一步就是對(duì)相機進行嚴格的(de)檢校，求出相機的(de)内方位元素及各項畸變參數，以便在數據後處理(lǐ)中消除影(yǐng)像的(de)畸變差，使其達到航空攝影(yǐng)測量作業的(de)要求。本文通(tōng)過分(fēn)析數碼相機的(de)誤差來(lái)源，主流校驗方法的(de)比較，討(tǎo)論測定數碼相機校驗的(de)目的(de)，利用(yòng)對(duì)數碼像機檢校數學模型的(de)建立、檢校場(chǎng)的(de)建立，驗證相機内參數的(de)可(kě)靠性，最後用(yòng)實例應用(yòng)證明(míng)了(le)檢校的(de)高(gāo)精度性、可(kě)靠性與可(kě)行性。

PAN-U5傾斜航攝儀.jpg

　　1 數碼相機的(de)誤差來(lái)源
　　數碼相機是利用(yòng)CCD（ Charge Coupled Device）将入射相機鏡頭的(de)光(guāng)輻射能量轉化(huà)爲數字影(yǐng)像的(de)，CCD傳感器感光(guāng)元的(de)數量爲衡量數碼相機性能的(de)重要指标[1]。數碼相機的(de)誤差不僅可(kě)由光(guāng)學鏡頭的(de)畸變與機械誤差引起，還(hái)可(kě)能由視頻(pín)信号的(de)A/D轉換産生，分(fēn)别稱爲光(guāng)學畸變差、機械誤差和(hé)電學誤差。光(guāng)學畸變是影(yǐng)響像點坐(zuò)标質量的(de)一項重要誤差，主要是由相機物(wù)鏡系統設計、制作和(hé)裝配所引起的(de)像點偏離其理(lǐ)想位置的(de)點位誤差，光(guāng)學畸變可(kě)分(fēn)爲徑向畸變差和(hé)偏心畸變差兩類；機械誤差是在光(guāng)學鏡頭獲取的(de)影(yǐng)像轉化(huà)到數字化(huà)陣列影(yǐng)像這(zhè)一步産生的(de)誤差，主要由以下(xià)兩個(gè)因素引起：一是掃描陣列不平行于光(guāng)學影(yǐng)像，緻使數字化(huà)影(yǐng)像相對(duì)于光(guāng)學影(yǐng)像有旋轉；二是每個(gè)陣列元素尺寸不同而産生不均勻變形。電學誤差主要包括行同步誤差、場(chǎng)同步誤差及數據格式轉換時(shí)的(de)采樣誤差。

　　2 當前主流檢校方法的(de)比較
　　當前主要的(de)檢校方法大(dà)體上分(fēn)兩類：一類是直接線性變換解法，但它因無需内方位元素值和(hé)外方元素的(de)初始近似值，故僅适用(yòng)于非量測相機所攝影(yǐng)像的(de)攝影(yǐng)測量處理(lǐ)；另一類是一種基于空間後方交會的(de)檢校方法，它以共線方程爲基礎，以像點坐(zuò)标作爲觀測值，解求相機内外方位元素、畸變系數以及其他(tā)附加參數的(de)檢校方法。這(zhè)種方法正好适合解決數碼相機所遇到的(de)問題，因而本文利用(yòng)此方法來(lái)檢校，并且已經在生産實踐中産生了(le)不錯的(de)結果。

　　3 數碼相機的(de)檢校
　　當前使用(yòng)的(de)主流相機是非量測相機，存在光(guāng)學畸變和(hé)電的(de)、機械的(de)等誤差。因而對(duì)數碼相機的(de)檢校内容包括①主點（x，y）的(de)位置測定；②主距（f）測定；③光(guāng)學畸變系數測定。

　　3.1 檢校的(de)目的(de)及數學模型
　　數字相機檢校的(de)目的(de)是恢複影(yǐng)像光(guāng)束的(de)正确形狀，即通(tōng)過檢校獲取影(yǐng)像的(de)内方位元素和(hé)各項畸變系數。前面已經提到本檢校是基于一種空間後方交會的(de)檢校方法[3]。它是以共線方程作爲基礎，以像點坐(zuò)标作爲觀測值，解求相機内外方位元素、畸變系數以及其他(tā)附加參數的(de)一種檢校方法。共線方程式爲
　　其中，（x，y）爲像點的(de)像平面坐(zuò)标；f爲影(yǐng)像的(de)内方位元素；（X，Y，Z）爲物(wù)方點的(de)空間坐(zuò)标；a，b，c（i=1，2，3）爲影(yǐng)像的(de)3個(gè)外方位角元素組成的(de)9個(gè)方向餘弦；X表示影(yǐng)像的(de)外方位元素；X表示影(yǐng)像的(de)内方位元素；X表示一些附加的(de)參數，主要是光(guāng)學畸變改正項。
　　3.2 檢校場(chǎng)的(de)改造
　　3.2.1 原有檢校場(chǎng)
　　對(duì)檢校場(chǎng)的(de)要求：
　　（1）相機在“無窮遠(yuǎn)”處能獲得(de)滿像幅的(de)檢校場(chǎng)圖像；（2）檢校場(chǎng)要有一定的(de)層次來(lái)布設标志點；（3）相機可(kě)在不同攝站位置進行拍(pāi)攝。
　　本次檢測對(duì)象爲佳能5D系列數字相機，其分(fēn)辨率爲5616×3744，标稱焦距爲35mm，影(yǐng)像以RAW格式存儲輸出[4]。使用(yòng)室外檢校場(chǎng)是在某樓正立面布設了(le)近千個(gè)間隔爲1.0～2.5m的(de)控制點标志；該樓高(gāo)約30m，寬約爲100m，牆體有電梯、走廊和(hé)凹槽，構成了(le)前後四個(gè)層次的(de)立體結構。拍(pāi)攝點爲距離檢校場(chǎng)大(dà)40m以外，與焦距相比，可(kě)視爲無窮遠(yuǎn)處，獲取的(de)影(yǐng)像能充滿像幅。
　　3.2.2 控制點标志及空間定位數據的(de)獲取
　　對(duì)于控制場(chǎng)标志點的(de)選取最初制定了(le)多(duō)套方案，包括材料、形狀等，爲了(le)提高(gāo)控制點坐(zuò)标的(de)獲取效率和(hé)長(cháng)期使用(yòng)的(de)目的(de)，經過多(duō)次反複的(de)測試控制點标志由黑(hēi)色的(de)鋁片做(zuò)成，并且創性地在鋁片中間粘貼了(le)全站儀棱鏡反光(guāng)片[5]。此檢校場(chǎng)是在成熟的(de)原檢校場(chǎng)的(de)基礎上通(tōng)過擴展、加密布設後形成的(de)。在控制點外業測量中用(yòng)全站儀使用(yòng)全圓測回法（半測回）進行測量，之後内業進行數據處理(lǐ)計算(suàn)得(de)到每個(gè)點位的(de)精确坐(zuò)标。

　　3.3 參數可(kě)靠性驗證
　　基于像點系統誤差改正模型和(hé)像主點坐(zuò)标，用(yòng)VC++6.0編寫了(le)相應程序，對(duì)所拍(pāi)攝像片進行畸變差改正，并進行重采樣；随後檢校軟件對(duì)重采樣後相片經重新求取各系統誤差參數與内方位元素，通(tōng)過解算(suàn)軟件查看相片畸變差，影(yǐng)像最大(dà)畸變小于1微米（一個(gè)像元爲9微米×9 微米），已在限值範圍内。

　　4 結束語
　　通(tōng)過上述分(fēn)析可(kě)以得(de)到以下(xià)幾點結論：

第一，對(duì)于大(dà)面陣數碼相機，基于室外控制場(chǎng)的(de)檢校具有精度高(gāo)并且可(kě)靠的(de)特點；

第二，在建立檢校場(chǎng)時(shí)，控制标志點應該盡量均勻分(fēn)布，并且需在3個(gè)坐(zuò)标方向上有一定的(de)延伸，以免造成線性方程的(de)強相關；

第三，對(duì)于航空用(yòng)數碼相機，像點很小的(de)誤差都會給物(wù)方點位精度帶來(lái)比較大(dà)的(de)影(yǐng)響；

第四，航空數碼相機檢校存在主距的(de)鎖定與相機固定問題，在相機檢校之前需考慮如何将其機械固定又不影(yǐng)響相機的(de)操作。大(dà)型室外航空攝影(yǐng)數碼相機檢校場(chǎng)的(de)創新設計建設，再加上高(gāo)精度的(de)相機檢校方法，隻要按照(zhào)既定操作步驟即使非專業人(rén)士也(yě)能夠得(de)出高(gāo)精度的(de)相機檢校數據。這(zhè)對(duì)今後航空攝影(yǐng)數碼相機的(de)應用(yòng)範圍擴展了(le)空間，隻要是能滿足一定條件的(de)高(gāo)檔普通(tōng)攝影(yǐng)數碼相機完全可(kě)以達到攝影(yǐng)測量的(de)高(gāo)精度、大(dà)視場(chǎng)角要求，從而加速了(le)航空攝影(yǐng)測量的(de)更進一步發展。

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