非量測型數(shù)碼相機室內(nèi)檢校場的建設(shè)方案研究

常燕敏 秦 軍 劉 晨

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

相機檢校的方法有多種，由于數(shù)碼相機的多樣化以及檢校內(nèi)容的多樣化，其檢校的設(shè)備、作業(yè)流程和規(guī)范并未標(biāo)準(zhǔn)化。出于解求內(nèi)方位元素和光學(xué)畸變的目的，以及檢校環(huán)境的考慮，選擇室內(nèi)三維控制場檢校方法，而實施相機檢校的前提條件是建立高精度的三維檢校場。

1 檢校場的建立

1.1 檢校場地的選擇

用于普通數(shù)碼相機檢校的三維檢校場地一般應(yīng)該滿足以下幾個方面的要求:①檢校場地需要有一定的深度，滿足數(shù)碼相機在無窮遠處能獲得滿幅檢校場圖像;②檢校場地有一定的縱深，滿足三維層次的標(biāo)志點布置;③標(biāo)志點之間的幾何關(guān)系長期或在一定時期內(nèi)必須穩(wěn)定;④標(biāo)志點利于經(jīng)緯儀或全站儀精確測量。綜合考慮以上關(guān)于三維檢校場建立的條件，檢校場地選定一棟三層實驗樓，該樓高約25 m，有走廊、墻體、柱子和凹槽，構(gòu)成了前后4個層次的立體結(jié)構(gòu)。由于在凹槽內(nèi)粘貼標(biāo)志困難很大，只能利用走廊、墻體、柱子3個層次。實驗樓內(nèi)有足夠的光線條件，方便在任何時間獲取試驗所需數(shù)據(jù)。墻面為白色，減少了影像噪聲點的影響，能夠在該樓對面50 m左右，以不同的高度、不同的角度進行多角度多方位拍攝。綜上所述，該實驗樓是一個比較理想的相機室內(nèi)檢校場地。

1.2 控制點標(biāo)志的選擇

檢校場控制點人工標(biāo)志類型較多，標(biāo)志的選擇應(yīng)有利于精確提取像點坐標(biāo)，而且方便基于全站儀或經(jīng)緯儀的測角模式進行前方交會，獲得控制點坐標(biāo)。經(jīng)過多次實驗，最終選定圖1標(biāo)志作為此檢校場的控制點標(biāo)志。為方便測量控制點標(biāo)志中心坐標(biāo)，在標(biāo)志的中心粘貼帶有十字絲刻劃的反射片，反射片帶有十字絲刻劃線，既可用來測量距離，又可用來瞄準(zhǔn)。實驗驗證，粘貼反射片不影響檢校軟件對標(biāo)志圖像的自動識別和觀測精度［1］。

圖1 控制點標(biāo)志示意

1.3 控制點標(biāo)志的制作

影響控制點標(biāo)志設(shè)計的因素很多，主要因素是航攝相機的參數(shù)。該檢校場主要用來檢校Cannon 5D MarkII，使用焦距f=35 mm/50 mm，像元大小 δ=6.4 μm。檢校場控制點在影像上成像大小為6～10個像元時，匹配中心點的精度較高［2］，過大或過小的標(biāo)志成像均不利于識別、量測，靠人工識別，工作量大，精度低。由縱深一般為50 m及關(guān)系式f/h=δ/GSD可得，f=35 mm時采用直徑d=6 cm的標(biāo)志，f=50 mm時采用d=4 cm的標(biāo)志，就能滿足成像6～10個像元的要求。考慮到標(biāo)志要容易固定且長期使用，標(biāo)志的材料采用不易腐蝕的鋁材，標(biāo)志的模板為60 mm×60 mm的正方形鋁片，表面刷白色防水漆，四角留有小孔用于固定，中間用黑色的防水漆刷出30 mm×30 mm的黑色正方形，然后在其近似中心粘貼大小為10 mm×10 mm的反光片。黑色與白色形成明顯反差，利于標(biāo)志圖像的自動識別，反光片保證全站儀準(zhǔn)確獲取標(biāo)志點的物方坐標(biāo)。

1.4 檢校場的布設(shè)

按照控制點不應(yīng)該分布在一條直線上或接近一個平面內(nèi)，要在三維方向均勻分布于整個攝區(qū)，且使它們在影像上也盡量滿幅而均勻的原則。把標(biāo)志點牢固地固定在左右兩側(cè)柱子、走廊的墻面及三樓天頂?shù)暮髩γ嫔稀？刂泣c的個數(shù)直接影響主距的測定精度，增加控制點個數(shù)可以提高檢校質(zhì)量［3］，因此該檢校場共布設(shè)了77個標(biāo)志點，標(biāo)志點橫向間距約為80 cm，豎向間距約為60 cm。在控制場的中間部分進行了標(biāo)志點加密，豎向間距約為40 cm，以便長焦距窄視場角相機檢校時可拍攝足夠數(shù)量的標(biāo)志。布設(shè)完后的檢校場如圖2所示。

圖2 控制點布設(shè)示意

2 檢校場的測量

2.1 坐標(biāo)系的建立及測量方法

采用自由坐標(biāo)系，利用后方交會的方法確定2個地面控制點A、B的坐標(biāo)。為了得到精度評定的目的，需要有多余觀測量，即測量4個點O1、O2、O3、O4的水平角。采用前方交會的方法，利用地面控制點A、B上的兩臺全站儀同時觀測，交會出檢校點Px的平面坐標(biāo)(如圖3所示)。

圖3 坐標(biāo)系示意

將兩臺同型號的全站儀分別架于A、B兩地面控制點上，儀器高度大致相同;將銦鋼尺懸掛或貼附在墻壁上，使圓水準(zhǔn)氣泡居中;調(diào)節(jié)全站儀的豎直微動螺旋，使視線水平，將兩臺全站儀目鏡對準(zhǔn)銦鋼尺，讀取尺子上的讀數(shù) HA、HB，則 hAB=HB－HA。假定 HA=H為一常數(shù)，則HB=H+HA。然后，通過三角高程測量，計算出各個標(biāo)志點PX與地面控制點A、B間的高差，計算出各個標(biāo)志點PX的高程HP。

2.2 測量設(shè)備的要求及觀測限差控制

施測過程需用經(jīng)過檢校的同型號全站儀2臺，精度要求1″或以上儀器(如徠卡1201);銦鋼尺1根，要求尺上刻度數(shù)字清晰，尺子兩端無磨損。觀測過程中，角度各項的限差按表1、表2控制，測回數(shù)為2，且零方向讀數(shù)按照 δ=180°(i－1)/n配置。

表1 水平角觀測技術(shù)要求

表2 豎直角觀測技術(shù)要求

2.3 標(biāo)志點坐標(biāo)計算及坐標(biāo)精度

原始數(shù)據(jù)通過武漢大學(xué)測繪學(xué)院研發(fā)的科傻系統(tǒng)(COSA)進行平差，得到如表3、表4結(jié)果。

表3 最弱點及其精度

表4 最弱邊及其精度_________________

即:標(biāo)志點最弱觀測中誤差為mX=0.2 mm，mY=0.8 mm，mZ=0.43 mm，點位中誤差m=0.93 mm。近似認為其平均深度D=50 m，mD=0.8 mm，即h=50 m，mh=0.8 mm，根據(jù)內(nèi)方位元素測定精度要求［4］

f為相機的主距(f=35 mm/50 mm)，mX0、mY0、mf分別為內(nèi)方位元素的中誤差，計算出內(nèi)方位元素的中誤差分別為mX0=0.000 2 mm、mY0=0.000 8 mm、mf=0.000 43 mm。不同的攝影測量任務(wù)和測區(qū)的環(huán)境對內(nèi)方位元素的檢校精度要求不同，一般把檢校精度控制在0.001 mm 以上［4］。

3 結(jié)束語

高精度檢校場的建設(shè)是攝影測量中相機檢校和有關(guān)理論研究的重要基礎(chǔ)設(shè)施。從項目需求出發(fā)，為了實現(xiàn)數(shù)碼相機應(yīng)用于攝影測量任務(wù)前的檢驗，介紹了一種室內(nèi)三維檢校場的建立方法，該檢校場的測量方法采用工程測量的前方交會和三角高程原理，結(jié)合檢校場的具體使用情況，簡化了測量步驟，具有原理簡單，操作方便的特點。測量結(jié)果表明，所建立的室內(nèi)三維檢校場能夠滿足數(shù)碼相機應(yīng)用于攝影測量的檢校要求。該檢校場建立方法簡單易行，費用較傳統(tǒng)檢校場大大降低，且易于保養(yǎng)維護，方便數(shù)碼相機影像獲取后的預(yù)處理，對非量測數(shù)碼相機在攝影測量中的應(yīng)用具有重大的推動作用。

［1］王 留召，張建霞，王寶山．航空攝影測量數(shù)碼相機檢校場的建立［J］．河南理工大學(xué)學(xué)報，2006，25(1):46-49

［2］李 瑞芳，關(guān)艷玲，左建章．高精度輕小型航空遙感集成系統(tǒng)室外檢校場建設(shè)方案研究［J］．測繪科學(xué)，2010，35(6):65-67

［3］苗 紅杰，趙文吉，劉先林．?dāng)?shù)碼相機檢校和攝像測量的部分問題探討［J］．首都師范大學(xué)學(xué)報，2005，26(1):117-120

［4］許 磊，王留召，余潔，王麗．一種新型的數(shù)碼相機室內(nèi)檢校場的建立方法［J］．北京測繪，2008(2):20-22

［5］袁 修孝，楊芬，趙青．機載POS系統(tǒng)視準(zhǔn)軸誤差檢校［J］．武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2006，31(12):1039-1043