多功能測繪模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)攝影裝置的設(shè)計與應(yīng)用

賈周云，張獻(xiàn)偉，熊 強(qiáng)，王春祥，胡倩偉

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000; 2.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023; 3.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454001;4.河南測繪職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000; 5.北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司，北京 100070)

在攝影測量課程實(shí)習(xí)過程中，由于航飛成本高、風(fēng)險大和教學(xué)實(shí)踐場地有限等因素，學(xué)生一般無法獲取影像數(shù)據(jù)，基本上是進(jìn)行一些航空攝影測量數(shù)據(jù)后處理實(shí)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏攝影測量全流程的實(shí)踐操作，對航測作業(yè)的數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理沒有一個完整認(rèn)識，不利于學(xué)生將攝影測量的理論和實(shí)踐相結(jié)合[1-2]。為了讓學(xué)生深入理解攝影測量的原理和生產(chǎn)流程，北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司聯(lián)合國內(nèi)部分高校，結(jié)合實(shí)際攝影測量生產(chǎn)流程，研發(fā)了測繪模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[3-4]，可以模擬攝影測量的全部生產(chǎn)流程，通過配套軟件可以生成沙盤的“4D”產(chǎn)品，成果精度可以滿足攝影測量規(guī)范要求[5-7]。通過不斷完善，該模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有多功能的特性，可以搭載單相機(jī)模擬航空攝影測量、搭載五鏡頭傾斜相機(jī)模擬傾斜攝影測量、搭載云臺模擬航空攝影測量和傾斜攝影測量，而且在沙盤中可以進(jìn)行控制測量、地籍測量和地形圖繪制等模擬野外地形測量[8-9]。

1 多功能測繪模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介

多功能測繪模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由地面部分和空中部分構(gòu)成，圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體布局圖，在沙盤上方安裝空中軌道，將攝影裝置安裝在空中軌道上，通過控制系統(tǒng)控制移動平臺和攝影裝置運(yùn)行并使攝影裝置拍攝沙盤影像，由投影儀實(shí)時顯示影像并檢查影像的質(zhì)量及重疊度，然后通過配套軟硬件處理數(shù)據(jù)，模擬出測繪成果產(chǎn)品。

1.1 地面部分

地面部分主要由模擬沙盤、計算機(jī)和投影儀構(gòu)成。沙盤是該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要組成部分，具有豐富的地形地貌且人工踩踏不變形；將拍攝的沙盤影像導(dǎo)入計算機(jī)中，通過配套軟件處理，即可生產(chǎn)出該沙盤的三維模型和“4D”產(chǎn)品等成果數(shù)據(jù)；投影儀用來實(shí)時顯示影像、檢查影像的質(zhì)量和調(diào)節(jié)相機(jī)感光度、光圈大小、曝光時間等參數(shù)；佩戴立體眼鏡可以通過投影儀觀看沙盤的三維模型。

1.2 空中部分

空中部分由移動平臺、攝影裝置和控制裝置構(gòu)成。

1)移動平臺主要由“工”形軌道、步進(jìn)電機(jī)和滑塊構(gòu)成：“工”形軌道的設(shè)計如圖2所示，由兩平行固定軌道和一可移動軌道構(gòu)成，可移動軌道垂直于兩平行固定軌道。

2)攝影裝置安裝于可移動軌道的滑塊上，隨滑塊運(yùn)行并拍攝沙盤影像。

3)控制裝置主要用來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動、影像實(shí)時傳輸和相機(jī)曝光。

圖2 “工”型軌道

2 攝影裝置的設(shè)計

多功能測繪模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的攝影裝置有單相機(jī)、五鏡頭傾斜相機(jī)和云臺+單相機(jī)3種模式，圖3為攝影裝置的整體結(jié)構(gòu)，可移動軌道垂直于兩平行固定軌道，滑塊安裝在可移動軌道上，攝影裝置與滑塊連接，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動可移動軌道和滑塊運(yùn)行，攝影裝置沿可移動軌道運(yùn)行可以拍攝具有一定航向重疊度的沙盤影像，可移動軌道沿兩平行軌道運(yùn)行時攝影裝置可以拍攝具有一定旁向重疊度的沙盤影像，實(shí)現(xiàn)模擬室外航空攝影測量，使該模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)系統(tǒng)具有可行性。

圖3 攝影裝置整體設(shè)計

圖4為3種攝影裝置的成果圖，將單相機(jī)進(jìn)行外框加固，五鏡頭傾斜相機(jī)和云臺均通過條形鋼板與滑塊連接。

3 多功能測繪模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)攝影裝置應(yīng)用

通過控制系統(tǒng)驅(qū)動攝影裝置和可移動軌道，使攝影裝置能夠在空中軌道上橫向與縱向運(yùn)行并獲取沙盤影像，將沙盤影像進(jìn)行質(zhì)量檢查和畸變差糾正等初期處理后進(jìn)行空中三角測量，對空三結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和三維建模可以得到沙盤的“4D”產(chǎn)品、三維模型等成果，數(shù)據(jù)獲取及處理流程如圖5所示。

3.1 單相機(jī)攝影裝置的應(yīng)用

使用單相機(jī)攝影裝置時采用的沙盤模型尺寸為7 m×5 m，比例尺為1∶320；采用佳能EOS 6D相機(jī)，對相機(jī)進(jìn)行檢校后拍攝沙盤影像，設(shè)置影像航向重疊60%，旁向重疊35%；相機(jī)相對航高3 m，感光度320，分辨率5 472像素×3 648像素；在沙盤上特征比較明顯的區(qū)域布設(shè)反射貼片作為控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)，用全站儀測量控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)坐標(biāo)。

圖4 3種攝影裝置

圖5 數(shù)據(jù)獲取及處理流程

對原始影像進(jìn)行初期處理、空中三角測量、全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后可以得到沙盤模型的“4D”產(chǎn)品：正射影像圖(DOM)，數(shù)值線劃圖(DLG)，數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字刪格地圖(DRG)。圖6為沙盤模型部分區(qū)域的DOM和DLG。

3.2 五鏡頭傾斜相機(jī)攝影裝置的應(yīng)用

使用五鏡頭傾斜相機(jī)時采用的沙盤模型比列尺為1∶300，尺寸為8 m×6 m；使用索尼QX1相機(jī)，相機(jī)分辨率為5 460像素×3 632像素；設(shè)置航向重疊度80%，旁向重疊度60%，相對行高為3 m，每條航線的一個鏡頭像片數(shù)目為15，共13條航線、975張測區(qū)影像。

將原始影像導(dǎo)入Smart3D中進(jìn)行空中三角測量，然后進(jìn)行三維模型重建，得到沙盤的三維模型[10-12]，圖7為沙盤的三維模型和點(diǎn)云模型。

圖6 沙盤部分區(qū)域DOM和DLG

3.3 云臺+單相機(jī)攝影裝置的應(yīng)用

使用云臺+單相機(jī)攝影裝置時采用的沙盤模型比列尺為1∶240，尺寸為5 m×7 m；采用大疆 Ronin-M云臺，云臺上搭載檢校后的佳能EOS 6D相機(jī)，將相機(jī)調(diào)平后使用遙控器調(diào)節(jié)相機(jī)姿態(tài)角，通過控制系統(tǒng)控制相機(jī)曝光可以獲得具有不同姿態(tài)角的沙盤影像。

調(diào)節(jié)相機(jī)姿態(tài)角，使相機(jī)鏡頭垂直向下拍攝沙盤影像，設(shè)置航向重疊度為80%，旁向重疊度為60%，將獲取的影像進(jìn)行初期處理后進(jìn)行空中三角測量，然后在全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以得到沙盤的“4D”產(chǎn)品，圖8為沙盤的正射影像圖；調(diào)整相機(jī)姿態(tài)角，獲取具有不同傾斜角度的沙盤影像，將影像導(dǎo)入Smart3D中進(jìn)行三維模型重建后可以生成沙盤的三維模型，圖9為沙盤的三維模型。

圖8 沙盤正射影像圖

4 結(jié)束語

多功能測繪模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過搭載云臺的方式有效地實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)攝影測量與傾斜攝影測量功能，與常規(guī)的傾斜攝影測量相機(jī)相比，云臺能夠減少相機(jī)的使用量，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，但是與常規(guī)的傾斜相機(jī)相比，云臺的拍攝角度不穩(wěn)定，相同位置所拍攝照片的傾斜角度很難確保在同一角度，與實(shí)際生產(chǎn)有所不同。

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