航空攝影測量數碼相機的檢校方法

發(fā)布日期：2018-04-12 00:00 瀏覽量：13645

　　近年來(lái)，隨著(zhù)CCD技術(shù)的發(fā)展，數字航空攝影測量已成為航測中研究與應用的熱點(diǎn)，其相對于傳統膠片有明顯的優(yōu)越性，但航空攝影用數碼相機取代膠片式相機成為數字航空攝影測量的關(guān)鍵設備。傳統航測所采用的相機為量測相機，其光學(xué)畸變小，它可測定內方位元素，有框標裝置，其機械結構穩固，攝影中心相對所拍攝影像的相對位置是經(jīng)過(guò)嚴格檢校的。但是使用膠片相機不僅價(jià)格昂貴，還要用昂貴的儀器對膠片影像數字化，而且膠片動(dòng)態(tài)范圍小，故航攝數據質(zhì)量低，測圖周期長(cháng)，影響了整個(gè)行業(yè)進(jìn)步。目前市場(chǎng)上缺乏測量專(zhuān)用的數碼相機，航空攝影測量作業(yè)中使用的相機大多是使用高檔的商業(yè)相機，沒(méi)有檢校出內方位元素，鏡頭畸變大，為了將數碼相機應用于航空攝影測量，關(guān)鍵一步就是對相機進(jìn)行嚴格的檢校，求出相機的內方位元素及各項畸變參數，以便在數據后處理中消除影像的畸變差，使其達到航空攝影測量作業(yè)的要求。本文通過(guò)分析數碼相機的誤差來(lái)源，主流校驗方法的比較，討論測定數碼相機校驗的目的，利用對數碼像機檢校數學(xué)模型的建立、檢校場(chǎng)的建立，驗證相機內參數的可靠性，最后用實(shí)例應用證明了檢校的高精度性、可靠性與可行性。

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　　1 數碼相機的誤差來(lái)源
　　數碼相機是利用CCD（ Charge Coupled Device）將入射相機鏡頭的光輻射能量轉化為數字影像的，CCD傳感器感光元的數量為衡量數碼相機性能的重要指標[1]。數碼相機的誤差不僅可由光學(xué)鏡頭的畸變與機械誤差引起，還可能由視頻信號的A/D轉換產(chǎn)生，分別稱(chēng)為光學(xué)畸變差、機械誤差和電學(xué)誤差。光學(xué)畸變是影響像點(diǎn)坐標質(zhì)量的一項重要誤差，主要是由相機物鏡系統設計、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)；機械誤差是在光學(xué)鏡頭獲取的影像轉化到數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，致使數字化影像相對于光學(xué)影像有旋轉；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)同步誤差及數據格式轉換時(shí)的采樣誤差。

　　2 當前主流檢校方法的比較
　　當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)需內方位元素值和外方元素的初始近似值，故僅適用于非量測相機所攝影像的攝影測量處理；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，以像點(diǎn)坐標作為觀(guān)測值，解求相機內外方位元素、畸變系數以及其他附加參數的檢校方法。這種方法正好適合解決數碼相機所遇到的問(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)生了不錯的結果。

　　3 數碼相機的檢校
　　當前使用的主流相機是非量測相機，存在光學(xué)畸變和電的、機械的等誤差。因而對數碼相機的檢校內容包括①主點(diǎn)（x，y）的位置測定；②主距（f）測定；③光學(xué)畸變系數測定。

　　3.1 檢校的目的及數學(xué)模型
　　數字相機檢校的目的是恢復影像光束的正確形狀，即通過(guò)檢校獲取影像的內方位元素和各項畸變系數。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，以像點(diǎn)坐標作為觀(guān)測值，解求相機內外方位元素、畸變系數以及其他附加參數的一種檢校方法。共線(xiàn)方程式為
　　其中，（x，y）為像點(diǎn)的像平面坐標；f為影像的內方位元素；（X，Y，Z）為物方點(diǎn)的空間坐標；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表示影像的內方位元素；X表示一些附加的參數，主要是光學(xué)畸變改正項。
　　3.2 檢校場(chǎng)的改造
　　3.2.1 原有檢校場(chǎng)
　　對檢校場(chǎng)的要求：
　?。?）相機在“無(wú)窮遠”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)布設標志點(diǎn)；（3）相機可在不同攝站位置進(jìn)行拍攝。
　　本次檢測對象為佳能5D系列數字相機，其分辨率為5616×3744，標稱(chēng)焦距為35mm，影像以RAW格式存儲輸出[4]。使用室外檢校場(chǎng)是在某樓正立面布設了近千個(gè)間隔為1.0～2.5m的控制點(diǎn)標志；該樓高約30m，寬約為100m，墻體有電梯、走廊和凹槽，構成了前后四個(gè)層次的立體結構。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)窮遠處，獲取的影像能充滿(mǎn)像幅。
　　3.2.2 控制點(diǎn)標志及空間定位數據的獲取
　　對于控制場(chǎng)標志點(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)坐標的獲取效率和長(cháng)期使用的目的，經(jīng)過(guò)多次反復的測試控制點(diǎn)標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)的基礎上通過(guò)擴展、加密布設后形成的。在控制點(diǎn)外業(yè)測量中用全站儀使用全圓測回法（半測回）進(jìn)行測量，之后內業(yè)進(jìn)行數據處理計算得到每個(gè)點(diǎn)位的精確坐標。

　　3.3 參數可靠性驗證
　　基于像點(diǎn)系統誤差改正模型和像主點(diǎn)坐標，用VC++6.0編寫(xiě)了相應程序，對所拍攝像片進(jìn)行畸變差改正，并進(jìn)行重采樣；隨后檢校軟件對重采樣后相片經(jīng)重新求取各系統誤差參數與內方位元素，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。

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

第一，對于大面陣數碼相機，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)，控制標志點(diǎn)應該盡量均勻分布，并且需在3個(gè)坐標方向上有一定的延伸，以免造成線(xiàn)性方程的強相關(guān)；

第三，對于航空用數碼相機，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，航空數碼相機檢校存在主距的鎖定與相機固定問(wèn)題，在相機檢校之前需考慮如何將其機械固定又不影響相機的操作。大型室外航空攝影數碼相機檢校場(chǎng)的創(chuàng )新設計建設，再加上高精度的相機檢校方法，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檢校數據。這對今后航空攝影數碼相機的應用范圍擴展了空間，只要是能滿(mǎn)足一定條件的高檔普通攝影數碼相機完全可以達到攝影測量的高精度、大視場(chǎng)角要求，從而加速了航空攝影測量的更進(jìn)一步發(fā)展。

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