多功能測繪模擬實驗系統攝影裝置的設計與應用

賈周云，張獻偉，熊 強，王春祥，胡倩偉

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

在攝影測量課程實習過程中，由于航飛成本高、風險大和教學實踐場地有限等因素，學生一般無法獲取影像數據，基本上是進行一些航空攝影測量數據后處理實習，導致學生缺乏攝影測量全流程的實踐操作，對航測作業的數據獲取和數據處理沒有一個完整認識，不利于學生將攝影測量的理論和實踐相結合[1-2]。為了讓學生深入理解攝影測量的原理和生產流程，北京四維遠見信息技術有限公司聯合國內部分高校，結合實際攝影測量生產流程，研發了測繪模擬實驗系統[3-4]，可以模擬攝影測量的全部生產流程，通過配套軟件可以生成沙盤的“4D”產品，成果精度可以滿足攝影測量規范要求[5-7]。通過不斷完善，該模擬實驗系統具有多功能的特性，可以搭載單相機模擬航空攝影測量、搭載五鏡頭傾斜相機模擬傾斜攝影測量、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 多功能測繪模擬實驗系統簡介

多功能測繪模擬實驗系統主要由地面部分和空中部分構成，圖1為實驗系統整體布局圖，在沙盤上方安裝空中軌道，將攝影裝置安裝在空中軌道上，通過控制系統控制移動平臺和攝影裝置運行并使攝影裝置拍攝沙盤影像，由投影儀實時顯示影像并檢查影像的質量及重疊度，然后通過配套軟硬件處理數據，模擬出測繪成果產品。

1.1 地面部分

地面部分主要由模擬沙盤、計算機和投影儀構成。沙盤是該實驗系統的重要組成部分，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入計算機中，通過配套軟件處理，即可生產出該沙盤的三維模型和“4D”產品等成果數據；投影儀用來實時顯示影像、檢查影像的質量和調節相機感光度、光圈大小、曝光時間等參數；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成。

1)移動平臺主要由“工”形軌道、步進電機和滑塊構成：“工”形軌道的設計如圖2所示，由兩平行固定軌道和一可移動軌道構成，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，隨滑塊運行并拍攝沙盤影像。

3)控制裝置主要用來控制步進電機轉動、影像實時傳輸和相機曝光。

圖2 “工”型軌道

2 攝影裝置的設計

多功能測繪模擬實驗系統的攝影裝置有單相機、五鏡頭傾斜相機和云臺+單相機3種模式，圖3為攝影裝置的整體結構，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，使該模擬實驗系統系統具有可行性。

圖3 攝影裝置整體設計

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

3 多功能測繪模擬實驗系統攝影裝置應用

通過控制系統驅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行并獲取沙盤影像，將沙盤影像進行質量檢查和畸變差糾正等初期處理后進行空中三角測量，對空三結果進行數據采集和三維建模可以得到沙盤的“4D”產品、三維模型等成果，數據獲取及處理流程如圖5所示。

3.1 單相機攝影裝置的應用

使用單相機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，對相機進行檢校后拍攝沙盤影像，設置影像航向重疊60%，旁向重疊35%；相機相對航高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域布設反射貼片作為控制點和檢查點，用全站儀測量控制點和檢查點坐標。

圖4 3種攝影裝置

圖5 數據獲取及處理流程

對原始影像進行初期處理、空中三角測量、全數字攝影測量工作站中進行數據采集后可以得到沙盤模型的“4D”產品：正射影像圖(DOM)，數值線劃圖(DLG)，數字高程模型(DEM)和數字刪格地圖(DRG)。圖6為沙盤模型部分區域的DOM和DLG。

3.2 五鏡頭傾斜相機攝影裝置的應用

使用五鏡頭傾斜相機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，相機分辨率為5 460像素×3 632像素；設置航向重疊度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目為15，共13條航線、975張測區影像。

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

圖6 沙盤部分區域DOM和DLG

3.3 云臺+單相機攝影裝置的應用

使用云臺+單相機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，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。

調節相機姿態角，使相機鏡頭垂直向下拍攝沙盤影像，設置航向重疊度為80%，旁向重疊度為60%，將獲取的影像進行初期處理后進行空中三角測量，然后在全數字攝影測量工作站中進行數據采集，可以得到沙盤的“4D”產品，圖8為沙盤的正射影像圖；調整相機姿態角，獲取具有不同傾斜角度的沙盤影像，將影像導入Smart3D中進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 結束語

多功能測繪模擬實驗系統通過搭載云臺的方式有效地實現了傳統攝影測量與傾斜攝影測量功能，與常規的傾斜攝影測量相機相比，云臺能夠減少相機的使用量，節約了實驗成本，但是與常規的傾斜相機相比，云臺的拍攝角度不穩定，相同位置所拍攝照片的傾斜角度很難確保在同一角度，與實際生產有所不同。

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