淺談航空攝影測量數(shù)碼相機的檢校方法

丁帥甫 杜巧玲

(鄭州方緯測繪技術(shù)有限公司，河南 鄭州 451450)

淺談航空攝影測量數(shù)碼相機的檢校方法

丁帥甫 杜巧玲

(鄭州方緯測繪技術(shù)有限公司，河南 鄭州 451450)

通過分析航空攝影中數(shù)碼相機的誤差來源及主流校驗方法的比較，討論了相機檢校的目的和數(shù)學(xué)模型、檢校場的建立，并在分析實際檢測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，完善了控制點的獲取效率進而改進了控制點的布設(shè)方案，驗證相機內(nèi)參數(shù)的可靠性，最后通過實驗論證了此方法的高精度性、可靠性與可行性。

航空數(shù)碼相機；檢校方法；誤差來源；數(shù)學(xué)模型

0 前言

近年來，隨著CCD技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字航空攝影測量已成為航測中研究與應(yīng)用的熱點，其相對于傳統(tǒng)膠片有明顯的優(yōu)越性，但航空攝影用數(shù)碼相機取代膠片式相機成為數(shù)字航空攝影測量的關(guān)鍵設(shè)備。傳統(tǒng)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(nèi)方位元素，有框標(biāo)裝置，其機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，攝影中心相對所拍攝影像的相對位置是經(jīng)過嚴(yán)格檢校的。但是使用膠片相機不僅價格昂貴，還要用昂貴的儀器對膠片影像數(shù)字化，而且膠片動態(tài)范圍小，故航攝數(shù)據(jù)質(zhì)量低，測圖周期長，影響了整個行業(yè)進步。目前市場上缺乏測量專用的數(shù)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，沒有檢校出內(nèi)方位元素，鏡頭畸變大，為了將數(shù)碼相機應(yīng)用于航空攝影測量，關(guān)鍵一步就是對相機進行嚴(yán)格的檢校，求出相機的內(nèi)方位元素及各項畸變參數(shù)，以便在數(shù)據(jù)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。本文通過分析數(shù)碼相機的誤差來源，主流校驗方法的比較，討論測定數(shù)碼相機校驗的目的，利用對數(shù)碼像機檢校數(shù)學(xué)模型的建立、檢校場的建立，驗證相機內(nèi)參數(shù)的可靠性，最后用實例應(yīng)用證明了檢校的高精度性、可靠性與可行性。

1 數(shù)碼相機的誤差來源

數(shù)碼相機是利用CCD(Charge Coupled Device)將入射相機鏡頭的光輻射能量轉(zhuǎn)化為數(shù)字影像的，CCD傳感器感光元的數(shù)量為衡量數(shù)碼相機性能的重要指標(biāo)[1]。數(shù)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(zhuǎn)換產(chǎn)生，分別稱為光學(xué)畸變差、機械誤差和電學(xué)誤差。光學(xué)畸變是影響像點坐標(biāo)質(zhì)量的一項重要誤差，主要是由相機物鏡系統(tǒng)設(shè)計、制作和裝配所引起的像點偏離其理想位置的點位誤差，光學(xué)畸變可分為徑向畸變差和偏心畸變差兩類；機械誤差是在光學(xué)鏡頭獲取的影像轉(zhuǎn)化到數(shù)字化陣列影像這一步產(chǎn)生的誤差，主要由以下兩個因素引起：一是掃描陣列不平行于光學(xué)影像，致使數(shù)字化影像相對于光學(xué)影像有旋轉(zhuǎn)；二是每個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、場同步誤差及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換時的采樣誤差。

2 當(dāng)前主流檢校方法的比較

當(dāng)前主要的檢校方法大體上分兩類：一類是直接線性變換解法，但它因無需內(nèi)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；另一類是一種基于空間后方交會的檢校方法，它以共線方程為基礎(chǔ)，以像點坐標(biāo)作為觀測值，解求相機內(nèi)外方位元素、畸變系數(shù)以及其他附加參數(shù)的檢校方法[2]。這種方法正好適合解決數(shù)碼相機所遇到的問題，因而本文利用此方法來檢校，并且已經(jīng)在生產(chǎn)實踐中產(chǎn)生了不錯的結(jié)果。

3 數(shù)碼相機的檢校

當(dāng)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(shù)碼相機的檢校內(nèi)容包括①主點（x，y）的位置測定；②主距（f）測定；③光學(xué)畸變系數(shù)測定。

3.1 檢校的目的及數(shù)學(xué)模型

數(shù)字相機檢校的目的是恢復(fù)影像光束的正確形狀，即通過檢校獲取影像的內(nèi)方位元素和各項畸變系數(shù)。前面已經(jīng)提到本檢校是基于一種空間后方交會的檢校方法[3]。它是以共線方程作為基礎(chǔ)，以像點坐標(biāo)作為觀測值，解求相機內(nèi)外方位元素、畸變系數(shù)以及其他附加參數(shù)的一種檢校方法。共線方程式為

其中，（x，y）為像點的像平面坐標(biāo)；f為影像的內(nèi)方位元素；（X，Y，Z）為物方點的空間坐標(biāo)；a，b，c（i=1，2，3）為影像的 3 個外方位角元素組成的9個方向余弦；X表示影像的外方位元素；X表示影像的內(nèi)方位元素；X表示一些附加的參數(shù)，主要是光學(xué)畸變改正項。

3.2 檢校場的改造

3.2.1 原有檢校場

對檢校場的要求：

（1）相機在“無窮遠”處能獲得滿像幅的檢校場圖像；（2）檢校場要有一定的層次來布設(shè)標(biāo)志點；（3）相機可在不同攝站位置進行拍攝。

本次檢測對象為佳能5D系列數(shù)字相機，其分辨率為5616×3744，標(biāo)稱焦距為35mm，影像以RAW格式存儲輸出[4]。使用室外檢校場是在某樓正立面布設(shè)了近千個間隔為1.0～2.5m的控制點標(biāo)志；該樓高約30m，寬約為100m，墻體有電梯、走廊和凹槽，構(gòu)成了前后四個層次的立體結(jié)構(gòu)。拍攝點為距離檢校場大40m以外，與焦距相比，可視為無窮遠處，獲取的影像能充滿像幅。

3.2.2 控制點標(biāo)志及空間定位數(shù)據(jù)的獲取

對于控制場標(biāo)志點的選取最初制定了多套方案，包括材料、形狀等，為了提高控制點坐標(biāo)的獲取效率和長期使用的目的，經(jīng)過多次反復(fù)的測試控制點標(biāo)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]。此檢校場是在成熟的原檢校場的基礎(chǔ)上通過擴展、加密布設(shè)后形成的。在控制點外業(yè)測量中用全站儀使用全圓測回法(半測回)進行測量，之后內(nèi)業(yè)進行數(shù)據(jù)處理計算得到每個點位的精確坐標(biāo)。

3.3 參數(shù)可靠性驗證

基于像點系統(tǒng)誤差改正模型和像主點坐標(biāo)，用VC++6.0編寫了相應(yīng)程序，對所拍攝像片進行畸變差改正，并進行重采樣；隨后檢校軟件對重采樣后相片經(jīng)重新求取各系統(tǒng)誤差參數(shù)與內(nèi)方位元素，通過解算軟件查看相片畸變差,影像最大畸變小于1微米(一個像元為9微米×9微米)，已在限值范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

通過上述分析可以得到以下幾點結(jié)論：第一，對于大面陣數(shù)碼相機，基于室外控制場的檢校具有精度高并且可靠的特點；第二，在建立檢校場時，控制標(biāo)志點應(yīng)該盡量均勻分布，并且需在3個坐標(biāo)方向上有一定的延伸，以免造成線性方程的強相關(guān)；第三，對于航空用數(shù)碼相機，像點很小的誤差都會給物方點位精度帶來比較大的影響；第四，航空數(shù)碼相機檢校存在主距的鎖定與相機固定問題，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(shù)碼相機檢校場的創(chuàng)新設(shè)計建設(shè)，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業(yè)人士也能夠得出高精度的相機檢校數(shù)據(jù)。這對今后航空攝影數(shù)碼相機的應(yīng)用范圍擴展了空間，只要是能滿足一定條件的高檔普通攝影數(shù)碼相機完全可以達到攝影測量的高精度、大視場角要求，從而加速了航空攝影測量的更進一步發(fā)展。

［1］張建霞,李安福,劉宗杰.航空數(shù)碼相機及其應(yīng)用分析[J].測繪科學(xué),2009,05:87-88.

［2］李紹剛,陶安利,楊鐵利,吳曉明.航空攝影測量數(shù)碼相機的檢校方法研究[J].測繪科學(xué),2010,06:50-51.

［3］張建霞,王留召,劉先林,李天子,郭輝.數(shù)字航空攝影測量的相機檢校[J].測繪通報,2005,11:42-43.

［4］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:自然科學(xué)版,2006,01:46-49.

［5］邱立勇,郭輝.數(shù)碼航空攝影測量中相機的檢校[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2008,18(11):151-152.

劉展］