多功能攝影裝置在攝影測量模擬實驗室中的應用

熊 強，王雙亭，胡倩偉

(1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454001;2.北京四維遠見信息技術有限公司，北京 100070)

攝影測量模擬實驗室是北京四維遠見信息技術有限公司聯合國內部分高校，根據攝影測量規范要求，結合實際生產流程，研發的可以模擬室外攝影測量的模擬實驗室系統[1]，該模擬實驗室系統可以模擬航空攝影測量的全部生產流程，通過配套軟件可以生成沙盤模型的“4D”產品，得到的成果精度可以滿足攝影測量規范要求，而且在沙盤模型中可以進行控制測量、地籍測量和地形圖繪制等實驗[2]。

攝影測量模擬實驗室為高校攝影測量課程教學實習提供一個易學實用的教學平臺，該實驗室數據獲取不受時間和天氣因素的影響，產品制作周期短，設備易于操作且可以重復利用，降低航飛成本與風險[3]。

自攝影測量模擬實驗室建成以來，深受好評，國內多所高校引進該模擬實驗室系統(如河南理工大學、解放軍信息工程大學、同濟大學等高校)，充分滿足了教師和學生的實踐教學需求，有利于學生開展自主學習，有效地提高了實驗教學的效果和質量[4]。

攝影測量模擬系統的攝影裝置是經過外框加固的單相機，相機鏡頭垂直向下，只能拍攝沙盤模型的正射影像，難以拍攝不同姿態角的影像。鑒于此，本文對攝影測量模擬實驗室攝影裝置進行優化設計，使空中軌道可以搭載單相機模擬航空攝影測量[5-6]、搭載五鏡頭傾斜相機模擬傾斜攝影測量[7-8]、搭載云臺相機模擬航空攝影測量和傾斜攝影測量，使該實驗室具有多功能的特性，能夠拍攝具有不同姿態角的沙盤影像。

1 攝影測量模擬實驗室的設計

攝影測量模擬實驗室主要由地面部分和移動平臺構成，在沙盤上方安裝空中軌道，將攝影裝置安裝在空中軌道上，通過控制系統驅動攝影裝置和可移動軌道運行并同步拍攝沙盤影像，由投影儀實時顯示影像并檢查影像的質量，并通過控制系統調整相機感光度、曝光時間和影像的重疊度等，然后通過配套軟硬件處理數據，輸出沙盤的“4D”產品和三維模型等成果。

1.1 地面部分

地面部分主要由沙盤、投影儀和計算機構成：

1)沙盤用來模擬室外地形地貌，具有人工踩踏不變形的特性，在沙盤上布設控制點，可以進行控制測量、地形測繪等實驗；

2)投影儀用來實時顯示沙盤影像，通過控制系統及時調節相機感光度、光圈大小、曝光時間等參數；

3)實驗室配置一臺計算機，用于處理沙盤影像，安裝有三維建模軟件、數字化測圖軟件以及圖像處理軟件等，主要功能是將模擬實驗室中獲取的影像進行空中三角測量、三維建模和“4D”產品的制作等。

1.2 移動平臺

移動平臺主要由空中軌道、滑塊、步進電機、攝影裝置和控制裝置構成。

1)空中軌道由3個直線軌道構成，如圖1所示，兩個平行軌道固定于沙盤上空，可移動軌道垂直架設于兩平行軌道之間，通過步進電機驅動可移動軌道運行。

圖1 空中軌道

2)滑塊安置于可移動軌道上，用于固定攝影裝置，使得攝影裝置能夠沿可移動軌道運行。

3)步進電機用來控制可移動軌道和滑塊運行。控制滑塊沿可移動軌道運行的電機稱為x軸步進電機，控制可移動軌道沿平行固定軌道運行的電機稱為y軸步進電機。

4)攝影裝置固定于滑塊之上，通過步進電機驅動攝影裝置橫向與縱向運行并拍攝具有一定航向重疊度和旁向重疊度的沙盤影像。

5)控制裝置是攝影測量模擬實驗室的核心組成部分，主要用來控制電機驅動、影像傳輸和攝影裝置曝光。控制裝置主要由移動平臺控制裝置和地面PC控制裝置組成：移動平臺控制裝置采用單片機控制技術，實現電機驅動控制、攝影裝置曝光控制和影像傳輸，是該模擬系統的主控部分；地面PC控制裝置利用個人電腦，通過無線通信模塊完成對控制裝置的遠程遙控，可以及時反饋控制裝置的當前狀態。

2 攝影裝置的優化設計

攝影測量模擬實驗室的空中軌道最初搭載的是單相機，相機與軌道滑塊相對固定安裝，鏡頭垂直于地面，姿態角(旋偏角、俯仰角、橫滾角)不隨相機軌道的移動而改變，只能從垂直方向拍攝，難以拍攝具有不同姿態角的沙盤影像。

本文通過對攝影裝置進行優化設計，使可移動軌道上可以同時搭載單相機、五鏡頭傾斜相機和云臺相機3種攝影裝置，單相機可以模擬航空攝影測量，五鏡頭傾斜相機可以模擬傾斜攝影測量，云臺相機可以拍攝具有任意姿態角的沙盤影像。攝影裝置與滑塊連接，安裝在可移動軌道上，通過步進電機驅動可移動軌道和滑塊運行，攝影裝置沿可移動軌道運行并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，實現模擬室外航空攝影測量飛行航線的設計，使該模擬實驗室系統具有可行性。

優化后的攝影裝置安裝效果如圖2所示。通過控制裝置實現對電機的實時控制，通過電機轉動帶動螺紋桿轉動，從而使得套設在螺紋桿外側的導塊能夠通過內側的螺紋槽在螺紋桿的表面橫向傳動，通過控制裝置對螺紋桿末端的行程開關實現控制，當滑塊傳動到螺紋桿末端觸碰到行程開關時，能夠斷開電機的電源，防止滑塊損壞。單相機、云臺相機和傾斜相機安裝于轉盤下方，通過電機帶動轉盤轉動，實現單相機、傾斜相機和云臺相機切換。

圖2 攝影裝置安裝效果圖 注：1.平行固定軌道；2.控制裝置；3.螺紋桿；4.電機； 5.行程開關；6.云臺相機；7.單相機；8.轉軸；9.轉盤；10.傾斜相機

3 沙盤影像獲取

攝影裝置及可移動軌道運行示意圖如圖3所示，控制可移動軌道運行至位置1處，控制攝影裝置沿可移動導軌運行并進行曝光獲取具有一定航向重疊度的沙盤影像；當整條航線的沙盤影像獲取完畢后，控制可移動軌道運行至位置2處，控制攝影裝置反向運行并拍攝該條航線的沙盤影像，獲取具有一定航向重疊度和旁向重疊度的沙盤影像，重復以上步驟直至影像覆蓋整個沙盤。

影像獲取流程如圖4所示，接通電源后使軌道初始化，模擬攝影測量飛行并控制相機曝光，控制單相機曝光可以獲取沙盤單片正射影像，控制五鏡頭傾斜相機曝光可以單攝站獲取沙盤五張傾斜影像，控制云臺相機曝光可以單攝站獲取具有不同姿態角的沙盤影像。

圖4 沙盤影像獲取流程

3.1 控制點布設與測量

本文選用國內某高校沙盤模型，沙盤尺寸為7 m×5 m，比例尺為1∶500。沙盤西部以學校建筑物模型為主，東部以山脈林地模型為主，具有豐富地形地貌，主要包括：建筑物、道路、草地、林地、山脈、水域等。

在沙盤模型上使用反射貼片來布設控制點，如圖5所示。反射貼片與沙盤上其他地物反差很大，中心點易于尋找，測量比較方便，易于識別，且在空中三角測量中利于刺點。本文一共布設12個控制點，點位分布如圖6所示。在攝影測量模擬實驗室中架設全站儀，以全站儀對中點為坐標原點、正北方向為X軸、正西方向為Y軸、垂直平面XOY向上為Z軸建立局部左手坐標系，使用全站儀對點P01-P12進行觀測，得到各點的坐標值如表1所示。

圖5 控制點布設示例

圖6 控制點點位分布圖

3.2 基于單相機沙盤影像獲取

單相機攝影裝置采用檢校后的佳能EOS 6D相機，鏡頭焦距為35 mm，分辨率為5472*3648。將EOS 6D相機架設于空中軌道上，接通電源啟動電機，模擬航空攝影測量飛行并控制相機進行定點曝光，獲取沙盤單片正射影像。本次實驗設置影像航向重疊80%，旁向重疊60%，相機飛行4條航帶，每條航帶獲取8張沙盤影像，共32張影像。

3.3 基于五鏡頭傾斜相機的沙盤影像獲取

五鏡頭傾斜相機采用索尼QX1相機，相機分辨率為5 460*3 632，中間相機垂直固定，周圍4個相機分別以前傾、后傾、左傾、由右傾30°角固定，使得五鏡頭傾斜相機能夠在同一攝站點獲取5個不同角度的沙盤影像。本次實驗設置影像航向重疊80%、旁向重疊60%，五鏡頭傾斜相機飛行4條航帶，每條航帶8個攝站點，每個攝站點獲取5張影像，共獲取160張影像。

3.4 基于云臺相機的沙盤影像獲取

云臺相機攝影裝置將檢校后的佳能EOS 6D相機搭載于大疆Ronin-M云臺上，將相機調平后使用遙控器調節相機姿態角，通過控制系統控制相機曝光可以獲得具有不同姿態角的沙盤影像。本次實驗在同一攝站點獲取3張不同姿態角的沙盤影像，分別為正射影像、左傾45°影像和右傾45°影像。設置影像航向重疊80%、旁向重疊60%，云臺相機飛行4條航帶，每條航帶8個攝站點，每個攝站點獲取3張影像，共獲取96張影像。

4 沙盤影像處理

為了驗證3種攝影裝置的可行性，將3種攝影裝置獲取的沙盤影像進行空中三角測量，分析空三精度，然后對沙盤影像進行數字矢量化采集和三維模型重建，得到沙盤的“4D”產品和三維模型等成果。

空中三角測量是根據攝影瞬間的攝影光線來建立地面點與對應像點之間的數學關系、像片間的數學關系及航帶間的數學關系[9-10]。空中三角測量根據平差模型的區別主要分為航帶法、獨立模型法和光束法3種[11]。本文進行對比實驗，將單相機和云臺相機獲取的沙盤正射影像進行畸變差糾正后分別導入Geolord-AT自動空中三角測量軟件中進行空中三角測量[12]，流程如圖7所示。

圖7 Geolord-AT空中三角測量流程

沙盤比例尺為1∶500，使用Geolord-AT對沙盤影像進行空中三角測量時，為了能夠成功構建航線自由網，需要將控制點坐標值放大1000倍，得到的空三結果默認單位為m，將其縮小1 000倍后，如表2所示為定向點與檢查點的空三精度，單位為mm。

表2 Geolord-AT空三精度 mm

將五鏡頭傾斜影像和云臺相機的3種姿態角影像分別導入Smart3D中進行空中三角測量[13-14]，得到兩種沙盤影像的空三精度，如表3所示。

表3 Smart3D空三精度

由表2和表3可以看出單相機正射影像和五鏡頭傾斜影像的空三精度高于云臺相機影像的空三精度。以單相機正射影像為例，將空三結果導入JX-4G數字攝影測量工作站中進行數字攝影測量，得到沙盤模型的“4D”產品，如圖8和圖9所示為沙盤模型的DOM和DLG；以五鏡頭傾斜影像為例，在Smart3D中進行空中三角測量，然后進行三維模型重建[15]，得到沙盤的三維模型，如圖10所示。

圖8 DOM

圖9 DLG

圖10 三維模型

5 結束語

攝影測量模擬實驗室通過在沙盤上空架設軌道的方式來模擬航空攝影測量，用具有豐富地形地貌的實體沙盤來模擬地球表面形態，形成一整套航空攝影模擬系統。本文對攝影測量模擬實驗室攝影裝置進行優化設計，使實驗室空中軌道上可以搭載單相機、五鏡頭傾斜相機和云臺相機3種攝影裝置，對3種攝影裝置獲取的沙盤影像進行預處理、空中三角測量、數字矢量化采集、三維模型重建后，生成沙盤模型的“4D”產品和三維模型等成果，實現從數據獲取到產品輸出的全過程攝影測量模擬。