非量測相機在海岸帶無人機地形監(jiān)測中的應用

王偉斌， 洪建勝

（1.福建海洋研究所 海上調(diào)查與數(shù)據(jù)中心，福建 廈門 361013）

非量測相機在海岸帶無人機地形監(jiān)測中的應用

王偉斌1， 洪建勝1

（1.福建海洋研究所 海上調(diào)查與數(shù)據(jù)中心，福建 廈門 361013）

利用規(guī)則棋盤格進行多角度拍攝的處理方法，對Canon 5D2、Sony NEX7、Richon GRD3等具有代表性的非量測相機的成像畸變差進行了測量比較；并對3種非量測相機的攝影測量誤差進行了估算分析。結(jié)合海岸帶地形分布特點，探討了非量測相機在海岸帶低空無人機遙感測量、立體建模和海域使用監(jiān)測領域的適用性。

海岸帶；非量測相機；攝影測量

海岸帶地形測量通常采用人工地面測量與水上回聲測量相結(jié)合的方法，而在人和船只都難以到達的陡崖、泥灘、紅樹林密集區(qū)等典型海岸帶區(qū)域，該方法通常難以實施。通過衛(wèi)星影像、航空攝影、機載雷達等方式可開展一定精度的海岸帶地形測量，但存在成本高、精度有限、實施周期長等缺點；而無人機具有靈活機動、飛行成本低等特點[1]，可作為一種獲取大比例尺海岸帶基礎地理信息的有效技術手段。

由于體積大、重量重、成本高昂和使用復雜等原因，量測相機一般不適于無人機攝影測量。受載負荷能力限制，無人機通常適合攜帶小型非量測數(shù)碼相機，因此相機的性能將直接影響測量結(jié)果的實用性。目前，國內(nèi)外已開展了非量測相機在攝影測量領域的應用研究，Paul V W[2]對相機畸變進行了分析；Brown D C[3]對畸變差擬合模型進行了研究；ZHANG Z Y[4]提出了擬合模型的程序算法；國內(nèi)研究人員也相繼開展了一系列無人機測繪項目，楊朝輝[5]等對普通非量測數(shù)碼相機在攝影測量中的可量測化應用做了相關研究；崔紅霞[6]等提出了非量測數(shù)碼相機畸變差的檢測方法。此外，研究人員對無人機遙感平臺技術也做了相關研究[7]，并在小范圍應急測量中得到了一定的應用[8]。

由于海岸線曲折、控制點布設困難、海域氣象條件較惡劣、飛行作業(yè)風險高及管理問題等原因，海岸帶無人機的應用相對滯后。目前海岸帶低空攝影測量技術應用尚處于探索應用階段，測量誤差控制是關鍵技術之一。非量測相機具有輕量化、性價比高等特點，將可能作為海岸帶無人機低空遙感測量的首選。

1 非量測相機的畸變差

低空攝影測量的誤差來源包括相機定位誤差、相機姿態(tài)誤差、相機成像運動誤差和相機成像畸變誤差等，其中相機成像畸變誤差是影響測量精度的關鍵要素之一。對常用相機類型進行成像畸變差實驗分析，將為非量測相機的海岸帶低空攝影測量應用提供技術參考。

實驗中，相機的畸變校正采用Brown D C的畸變模型[2]，該模型定義了相機本地坐標到圖像坐標（像素）的變換。相機坐標系以相機的投影中心為原點，X 軸指向右側(cè)，Y軸指向下方，Z軸為拍攝視線方向。將相機坐標系中的點(X,Y,Z)投影至圖像坐標系的方程為：

式中，r = sqrt(x2+y2)；(u, v)為投影后的像素坐標；(fx, fy)為焦距長度；(cx, cy)為圖像主點坐標；K1、K2、K3為徑向畸變參數(shù)；P1、P2為切向畸變參數(shù)；skew為 X和Y軸的切變參數(shù)。

量測相機通常畸變很小，畸變參數(shù)通過校驗場進行測量計算；而對于非量測相機，考慮到相機自身的精度較低和校驗成本，一般采用簡化的畸變測量方法，包括簡易校驗場測量方法、恒星坐標測量方法和棋盤格測量方法等。棋盤格測量方法是通過拍攝高精度等間距棋盤格平板（圖1），利用棋盤格交點坐標的共線、共面性和等間距規(guī)律，按照以上畸變模型構(gòu)建投影方程進行聯(lián)合解算，從而求得相機的畸變參數(shù)。

本文選擇了3款具有較好代表性的數(shù)碼相機：Canon 5D2為全幅單反相機，為當前無人機攝影測量的常用相機；Sony NEX7為半幅微單相機，常用于輕型無人機空中拍攝；Richon GRD3為卡片相機，常用于超輕型無人機。3種相機分別是當前無人機攝影測量的3個代表級別的非量測數(shù)碼相機，基本參數(shù)見表1。

圖1 非量測相機畸變測量棋盤格照片

表1 3種非量測數(shù)碼相機基本參數(shù)表

本文采用46寸液晶顯示器顯示棋盤格，從多角度拍攝棋盤格照片后進行計算的方法，對3種數(shù)碼相機的畸變進行測量。測量時采用最小光圈，無窮遠焦距，使盡可能多的棋盤格充滿畫面，測量結(jié)果如圖2所示。

從計算結(jié)果來看（表2），3種相機均存在明顯的畸變差，經(jīng)過模型擬合校正后可明顯減小畸變差，平均畸變差擬合殘差為1～2個像素，但圖像的外緣部分存在較大殘差。Sony NEX7 F16mm在距離圖像主點2 500個像素以外區(qū)域畸變明顯，模型擬合最大殘差可達9.87個像素。

圖2 3種相機畸變差測量結(jié)果

表2 3種相機的畸變差擬合殘差

2 實驗區(qū)地形測量對比分析

本文選取一段典型海岸帶區(qū)域作為實驗區(qū)（圖3），使用Sony NEX7 F16 mm相機作為攝影測量工具采集地面標記點地形數(shù)據(jù)，采用RTK人工實測地面標記點地形數(shù)據(jù)的方法對無人機攝影測量獲取的數(shù)據(jù)進行驗證。圖3中P1、P3、P8為此次實驗的測量控制點，飛行高度控制在距離地面200 m。表3為RTK地面實測數(shù)據(jù)、無人機攝影測量數(shù)據(jù)結(jié)果以及誤差分析。從實驗結(jié)果來看，測區(qū)內(nèi)采用無人機非量測相機獲得的攝影測量坐標數(shù)據(jù)與同名點RTK地面實測坐標數(shù)據(jù)的最大誤差在dm級，測量結(jié)果較為理想。

圖3 實驗區(qū)點位分布情況

表3 RTK地面實測數(shù)據(jù)、無人機攝影測量數(shù)據(jù)結(jié)果及誤差分析/ m

3 測量誤差的來源及對策

在海岸帶低空遙感測量工作中，由于海域部分無法布設控制點，通常難以滿足控制點分布要求，將明顯影響外方位元素的精度；同時由于非量測相機存在較大的成像畸變殘差，控制點的空三加密計算可能導致定向誤差的累積擴散，因此海岸帶大比例尺低空遙感測量在實施中仍然存在一定的技術問題。

1）工作相機的成像畸變問題。相機鏡頭和成像元件的機械穩(wěn)固性是畸變穩(wěn)定的基礎，一般卡片相機采用的是較為簡單松散的鏡頭安裝結(jié)構(gòu)，成像元件通常處于動態(tài)懸掛狀態(tài)，成像的光路系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，因此為提高測量數(shù)據(jù)的可用性，在大比例尺無人機低空攝影測量中，宜選擇穩(wěn)固的單反數(shù)碼相機或可考慮中畫幅數(shù)碼相機。

2）數(shù)碼相機的成像運動補償問題。以1/500快門速度、50 km/h對地飛行速度進行估算，曝光期間地面目標點相對位移為0.03 m，因此采用較快的快門可基本消除對地速度的影響；但由于無人機平臺的姿態(tài)穩(wěn)定性較差，相機振動及搖晃可能導致成像模糊，因此選用優(yōu)質(zhì)的穩(wěn)定平臺，采用有效的減震措施對成像質(zhì)量至關重要。

3）外方位元素計算問題。采用少量地面控制點進行空三加密是計算攝影測量外方位元素的基本方法，但由于相片重疊部分多位于邊緣附近，是畸變較大的區(qū)域，因此基于這些點的空三計算，外方位元素質(zhì)量較難保證。通過機載高精度RTKGPS設備，采集相機的高精度三維坐標參與定向計算，并加密地面控制點，甚至采用控制點絕對定向的方法，可顯著減小外方位元素的不確定性，提高測量精度。

此外，海岸帶地形的曲折條帶狀分布導致航線布置效率較低，可考慮采用傾斜攝影的測量方式，以提高航線布置的靈活性和測量效率。

4 結(jié) 語

實驗結(jié)果表明，經(jīng)過相機畸變糾正后，在保證相機外方位元素計算精度的基礎上，在200 m相對航高的條件下，本文使用Sony NEX7半幅微單相機所測量的高程數(shù)據(jù)精度控制在0.2 m量級。根據(jù)《基礎地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1 000、1∶2 000數(shù)字高程模型》的要求，當平地區(qū)域的高程中誤差在0.2 m時，基本可滿足1∶1 000數(shù)字高程精度要求[9]。為保證測量數(shù)據(jù)的可用性和滿足更大比例尺的海岸帶低空攝影測量，在數(shù)碼相機的選擇和相機畸變處理模型的使用上，仍需進一步優(yōu)化。此外，針對海岸帶條帶狀的測區(qū)分布特點，需要在控制點布置、航線設計以及相機定位定向方法上進行全面優(yōu)化，以滿足大比例尺海岸帶地形遙感測量的需要。

[1] 吳建良,馬克委,羅方權(quán).非量測數(shù)碼相機在1∶1 000航測成圖中的應用[J].現(xiàn)代測繪,2013,36(5)：46-47

[2] Paul V W. Distortion[EB/OL]. (2009-04)[2014-10].http：// toothwalker.org/optics/distortion.html

[3] Brown D C. Decentering Distortion of Lenses [M]. Photogrammetric Engineering,2012

[4] ZHANG Z Y. A Flexible New Technique for Camera Calibration[R].IEEE Transactions on Pattern Analysis & Machine Intelligence,2000,22(11)：1 330-1 334

[5] 楊朝輝,李浩,楊林.數(shù)碼相機可量測化的研制[J].測繪工程,2003,12(2)：34-37

[6] 崔紅霞,孫杰,林宗堅,等.非量測數(shù)碼相機的畸變差檢測研究[J].測繪科學,2005,30(1)：105-107,112

[7] 王峰,吳云東.無人機遙感平臺技術研究與應用[J].遙感信息,2010(2)：114-118

[8] 陳玲,潘伯鳴,曹黎云.低空無人機航攝系統(tǒng)在四川地形測繪中的應用[J].城市勘測,2011,10(5)：75-77

[9] CH/T 9008.2-2010.基礎地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1 000、1∶2 000數(shù)字高程模型[S].

P23

B

1672-4623（2017）05-0022-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0050.7

王偉斌，助理研究員，研究方向為海岸帶三維地理信息系統(tǒng)。

2016-01-25。

項目來源：福建省科技計劃重點資助項目（2012Y0074）。