無人機六目傾斜攝影相機系統研制及應用

趙星濤 陳 強 張 浩 王 笑 秦海超

(1. 中國礦業大學 環境與測繪學院, 江蘇 徐州 221116；2. 北京帝信科技有限公司，北京 100021；3. 兗礦能源集團股份有限公司濟寧三號煤礦，山東 濟寧 272169；4. 建設綜合勘察研究設計院有限公司，北京 100007)

0 引言

基于無人機的低空數字攝影測量技術已經成為現代地理空間信息數據采集的重要手段之一[1-4]。一個完整的無人機低空攝影測量系統涉及信息采集與傳輸、自動導航控制等多學科的理論和方法。近年來發展的無人機傾斜攝影測量技術通過多鏡頭、多視角攝影模式在提高了常規數字測繪產品精度的同時，還可以獲得高精度的紋理細節較為豐富的實景三維和真正射影像(true digital ortho map，TDOM)[5-11]。此外，傾斜攝影測量的發展也使得數字線劃圖(digital linear graph，DLG)的采集方法從傳統的立體測圖模式轉變為更符合人眼直觀感受的基于傾斜實景三維模型的裸眼測圖模式。其已被廣泛應用于不動產測繪、智慧城市建設等領域，亦成為助力實景三維中國建設的重要手段[12-15]。多目傾斜攝影相機作為無人機低空攝影測量系統的重要載荷，其數據獲取的效率、質量對后續的數字測繪產品生產具有重要的影響。

在無人機低空攝影測量系統中，傾斜攝影相機是一個關鍵的設備。關于傾斜攝影相機的研究在我國起步較晚[3]，2007年北京四維遠見公司推出的 SWDC成為國內最早的傾斜相機，且快速完成了大范圍的工程應用，推動了國內傾斜攝影技術的發展。隨后，中測新圖、上海航遙等公司也相繼推出了 TOPDC-5、AMC580 等多角度相機[4]。為提高無人機傾斜攝影測量的數據采集效率，基于高分辨率單反數碼相并綜合顧及了相機布局、成像質量及快門同步等影響因素，研發了一種適合較大區域的六目傾斜攝影相機系統。

1 六目傾斜攝影相機系統構建

選用互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)傳感器更大的索尼A7R4全畫幅相機(表1)作為航攝儀的單體相機；綜合考慮重量、大小、焦距、成像質量、畸變大小等影響因素，相機鏡頭選用徠卡F2.4 50 mmASPH全畫幅定焦鏡頭(表2)并進行合理設計和改裝來構建六目傾斜攝影相機系統。

表1 索尼A7R4參數表

表2 徠卡F2.4 50 mmASPH全畫幅定焦鏡頭參數表

1.1 相機使用壽命提升及其輕量化

影響成像質量一個很重要的因素就是“信噪比”，這個比值越大，畫質越好。采用全畫幅CMOS的索尼A7R4相機，改裝策略和方法如下：

(1)對相機的內部結構、外形等進行了改裝，去除其對于航攝無用的結構部件，在提升成像精度的基礎上，減小了相機重量和體積，有著較強的實用性和適用性。

(2)將民用相機用在無人機上進行高頻率拍照，對于民用相機來說，幕簾的壽命同時，更換相機傳感器幕簾，將相機傳感器幕簾材質更換為鈦合金材質，提高幕簾的耐磨性，延長相機使用壽命。不經過幕簾改裝的一臺相機快門壽命在15萬張照片左右，經過改裝后可達到30萬張照片。

通過上述策略和方法對Sony A7R4相機進行深度改造，將單體相機重量從665 g減至在250 g左右(不含鏡頭)，外形尺寸由129 mm×97 mm×68 mm變成115 mm×75 mm×32 mm，較原來相機體積減小超過2/3。

1.2 成像質量維持的相機鏡頭輕量化

徠卡F2.4 50 mmASPH全畫幅定焦鏡頭解析像素為5 500萬左右，是目前市面上最接近6 100萬像素的鏡頭，該鏡頭為非球面鏡片組，鏡頭口徑較大，單位時間內通光量充足，成像像素夠、銳度高、色彩均勻度好，由于是非球面鏡片組，鏡頭畸變較小，同時該鏡頭在全開光圈下，也沒有邊緣下滑的調制傳遞函數(modulation transfer function，MTF)曲線，使得獲取的影像全部照片都能呈現出全部銳利細節的影像，因而更有利于成像質量及攝影測量精度的提高。

六個鏡頭均采用性能優越的徠卡F2.4 50 mm ASPH全畫幅定焦鏡頭進行改裝，關鍵技術和步驟如下：

(1)對徠卡F2.4 50 mmASPH全畫幅定焦鏡頭進行激光掃描多次后，獲得徠卡鏡片相對位置的精準數據，重新設計鏡筒，采用數控機床(computer numerical control，CNC)電腦鑼車床精密加工全鋁鏡筒，沿襲徠卡鏡頭的內部光學結構，以達到符合原廠鏡頭精度及成像指標，將原徠卡非球面鏡片組安裝至鏡筒。

(2)重新對改裝的相機鏡頭進行拍照測試，測試完成后對相機先進行室內平行光管驗證像元分辨率，室內采用平行光管驗證無誤；然后采用無人機搭載該相機對地面檢校場進行空中拍照測試驗證，測試數據經過航空攝影測量數據處理軟件(PHOTOMOD)進行空三匹配、聯合平差，自動對相機參數進行精確自檢校，結合檢查點驗證精度滿足要求后，完成相機鏡頭標定工作，標定后的相機能夠提高整個相機光學系統的穩定性。

經過上述步驟后，使得該鏡頭在維持原徠卡鏡頭高像素解析度、高成像質量、小畸變等優點的同時又降低了鏡頭重量(改裝后的重量從原來的300 g減為60 g)，使得該相機系統更穩定，精度更高，重量更輕(圖1)。

圖1 改裝后單相機

1.3 相機布局優化設計

傾斜攝影相機性能的硬件指標主要包括單相機像素、相機總像素、畫幅大小、鏡頭焦距、整體重量等。評價傾斜相機數據獲取效率的關鍵技術指標是獲取不同角度影像的能力和單架次作業的廣度和深度。在傾斜攝影中可以不對單一相機的像素進行限定，而對一次曝光獲取的影像像素進行控制。傾斜攝影一次曝光采集的像素越高越好，要有定點曝光功能，確保影像重疊度滿足要求。

經優化設計后的六目傾斜相機布局如圖2所示。六套相機長邊垂直于無人機飛行方向，六套相機分為前后各3套，前面3套中間相機垂直于地面向前傾角30°，前3套相機左右各1個相機，向前傾角30°后各向左右傾角29°，左右相機拍攝的影像與中間相機拍攝的影像重疊為20%；后面3套中間相機垂直于地面向后傾角30°，后3套相機左右各1個相機，向后傾角30°后各向左右傾角29°，左右相機拍攝的影像與中間相機拍攝的影像重疊為20%。

(a)六鏡頭航攝儀相機光軸

1.4 差分GNSS接口模塊設計

組合寬角相機與高精度全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)/慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)的集成，重點在于顧及組合相機同步差的定位定姿系統(position and orientation system,POS)系統檢校，以實現曝光時刻影像與初始外方位元素的精確協同。本項目研制的傾斜攝影航攝儀設計了差分GNSS接口模塊，該模塊解決了航攝儀曝光與差分全球定位系統(global positioning system,GPS)模塊脈沖信號同步問題，通過單片機采集相機拍照熱靴信號，在延時觸發的方式下測量六相機曝光時間差，準確測定相機曝光同差分GNSS記錄時間點之差，然后在單片機程序中設置時間補償，能有效提高對相機曝光點的定位精度，可有效提高影像與獲取的位置數據匹配精度。

2 六目傾斜攝影相機測試

2.1 像元分辨率測試

2.1.1測試方法

平行光管可用于模擬無限遠目標，因此通過靶標來驗證相機能否達到地面像元分辨率指標要求。計算原理依據公式為

(1)

式中，H為飛行高度；GSD為地面像元分辨率；J為平行光管焦距；D為可分辨靶標線寬。

如達到150 m高空地面像元分辨率為0.01 m，則采用550 mm焦距平行光管進行推掃驗證，對應可分辨的靶標線對寬度應為73 μm,條紋寬度為73 μm。A3靶標板的第3組條紋寬度為35.6 μm，即輕小型寬視角傾斜攝影航攝儀對著分辨率板，若測得的分辨率板的圖中能分辨第3組條紋，則說明設備性能完全超過指標要求。

如達到134 m高空地面像元分辨率為0.01 m，則采用550 mm焦距平行光管進行推掃驗證，對應可分辨的靶標線對寬度應為82 μm,條紋寬度為82 μm。A3分辨率板中的第1組條紋寬度為40 μm，即超寬視角傾斜攝影航攝儀對著分辨率板，若測得的分辨率板的圖中能分辨第1組條紋，則說明設備性能完全超過指標要求。

2.1.2測試結果

測試結果表明，六目傾斜攝影相機的單相機對分辨率靶標第9組黑白條紋清晰可辨(圖3)。其像元分辨率為0.009 7 m，不大于0.01 m，符合設計要求。

圖3 相機分辨率板拍照結果圖

2.2 成像質量測試

先用六目傾斜攝影相機對戶外拍照，利用photoshop軟件查看所拍照片是否滿足航攝儀成像測試指標，像片有較豐富的層次、能辨別與地面分辨率相適應的細小地物影像，再利用無人機搭載該設備對地成像，測試數據經過PHOTOMOD軟件進行空三匹配、聯合平差，自動對相機參數進行精確自檢校，結合檢查點驗證，平面中誤差為0.031 m，高程中誤差為0.052 m，精度滿足大比例地形圖測量的要求。

經測試，研發的六目傾斜攝影相機獲取的影像清晰，反差適中，顏色飽和，色彩鮮明，色調一致。有較豐富的層次、能辨別與地面分辨率相適應的細小地物影像(圖4)，滿足外業全要素精確調繪和室內判讀的要求。

圖4 六目傾斜攝影相機1個攝影站獲取的6個不同視角的影像

3 應用測試及分析

3.1 研究區域數據采集

研究區1為我國西部丘陵，面積約為40 km2，地面分辨率為0.05 m，研究目的為獲取數字真正射影像圖、數字表面模型。研究區2為地勢較為平坦的城鎮，面積約為13 km2，地面分辨率為0.03 m，研究目的為獲取實景三維模及DLG線畫圖。研究區3為黃河支流水域巡查，長度959 km，帶寬1 km，地面分辨率為0.10 m，研究目的為獲取數字真正射影像圖及數字表面模型。

3.2 應用結果分析

(1)研究區1采用六目傾斜相機后飛行效率比該單位原有5目全畫幅傾斜攝影相機效率提升40%，在大面積航測項目中優勢體現明顯，研究區1丘陵三維模型全景見圖5。

圖5 研究區1丘陵三維模型全景

(2)研究區2原始數據及實景三維成果均滿足規范要求。采用該相機比傳統5相機效率高，數據量小，成圖精度滿足要求，研究區2城鎮三維模型見圖6。

圖6 研究區2城鎮地區三維模型

(3)研究區3黃河支流水域為帶狀地形，利用該相機比傳統單相機效率提升較大，約為50%，相關成果滿足了水域巡查的要求，研究區3黃河支流水域正射影像圖見圖7。

圖7 研究區3黃河支流水域正射影像圖

理論和實踐均表明：本項目研究構建的六目傾斜攝影相機在整體像素、畫幅大小等方面相比傳統傾斜相機有明顯優勢。項目研制的六目傾斜攝影相機同實際中廣泛使用的五目傾斜攝影相機相比在數據采集效率上具有明顯優勢。五目下視和六目相機長邊覆蓋長度對比見圖8。

如針對50 km×50 km共計2500 km2的大范圍場景區域，獲取分辨率為0.080 m的高分辨影像，航攝旁向重疊為60%，航向重疊為80%進行航線設計，分別采用項目研制的六目傾斜攝影相機和常規的五目傾斜攝影相機進行航線設計，所得攝影信息如表3所示。

表3表明，六目傾斜攝影相機航線間距比五目傾斜攝影相機增加一倍，從而導致航線數量及獲得像片總數減少一半以上，極大地提高了數據獲取效率。需要指出的是，雖然獲取的總照片數量極大地減少，但并未降低后續數字測繪成果的質量。

圖8 五目下視和六目相機長邊覆蓋長度對比圖

表3 六目和五目傾斜攝影相機攝影參數對比

4 結束語

傾斜攝影技術的迅速發展，給測繪行業帶來了更為廣闊的發展前景。傾斜攝影技術通過無人機搭載多角度鏡頭，拍攝較為迅速且方位更為全面。本文研制的六目寬視角傾斜攝影相機系統在保證了精度的同時，顯著提高了數據獲取和處理的效率。實際應用表明，該相機系統所獲得的數字測繪產品(如實景三維模型、地形圖及地籍圖等)均具有較高的精度和可靠性均，可滿足不同行業及不同領域的應用需求。