多功能摄影装置在摄影测量模拟实验室中的应用

熊 强，王双亭，胡倩伟

(1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454001;2.北京四维远见信息技术有限公司，北京 100070)

摄影测量模拟实验室是北京四维远见信息技术有限公司联合国内部分高校，根据摄影测量规范要求，结合实际生产流程，研发的可以模拟室外摄影测量的模拟实验室系统[1]，该模拟实验室系统可以模拟航空摄影测量的全部生产流程，通过配套软件可以生成沙盘模型的“4D”产品，得到的成果精度可以满足摄影测量规范要求，而且在沙盘模型中可以进行控制测量、地籍测量和地形图绘制等实验[2]。

摄影测量模拟实验室为高校摄影测量课程教学实习提供一个易学实用的教学平台，该实验室数据获取不受时间和天气因素的影响，产品制作周期短，设备易于操作且可以重复利用，降低航飞成本与风险[3]。

自摄影测量模拟实验室建成以来，深受好评，国内多所高校引进该模拟实验室系统(如河南理工大学、解放军信息工程大学、同济大学等高校)，充分满足了教师和学生的实践教学需求，有利于学生开展自主学习，有效地提高了实验教学的效果和质量[4]。

摄影测量模拟系统的摄影装置是经过外框加固的单相机，相机镜头垂直向下，只能拍摄沙盘模型的正射影像，难以拍摄不同姿态角的影像。鉴于此，本文对摄影测量模拟实验室摄影装置进行优化设计，使空中轨道可以搭载单相机模拟航空摄影测量[5-6]、搭载五镜头倾斜相机模拟倾斜摄影测量[7-8]、搭载云台相机模拟航空摄影测量和倾斜摄影测量，使该实验室具有多功能的特性，能够拍摄具有不同姿态角的沙盘影像。

1 摄影测量模拟实验室的设计

摄影测量模拟实验室主要由地面部分和移动平台构成，在沙盘上方安装空中轨道，将摄影装置安装在空中轨道上，通过控制系统驱动摄影装置和可移动轨道运行并同步拍摄沙盘影像，由投影仪实时显示影像并检查影像的质量，并通过控制系统调整相机感光度、曝光时间和影像的重叠度等，然后通过配套软硬件处理数据，输出沙盘的“4D”产品和三维模型等成果。

1.1 地面部分

地面部分主要由沙盘、投影仪和计算机构成：

1)沙盘用来模拟室外地形地貌，具有人工踩踏不变形的特性，在沙盘上布设控制点，可以进行控制测量、地形测绘等实验；

2)投影仪用来实时显示沙盘影像，通过控制系统及时调节相机感光度、光圈大小、曝光时间等参数；

3)实验室配置一台计算机，用于处理沙盘影像，安装有三维建模软件、数字化测图软件以及图像处理软件等，主要功能是将模拟实验室中获取的影像进行空中三角测量、三维建模和“4D”产品的制作等。

1.2 移动平台

移动平台主要由空中轨道、滑块、步进电机、摄影装置和控制装置构成。

1)空中轨道由3个直线轨道构成，如图1所示，两个平行轨道固定于沙盘上空，可移动轨道垂直架设于两平行轨道之间，通过步进电机驱动可移动轨道运行。

图1 空中轨道

2)滑块安置于可移动轨道上，用于固定摄影装置，使得摄影装置能够沿可移动轨道运行。

3)步进电机用来控制可移动轨道和滑块运行。控制滑块沿可移动轨道运行的电机称为x轴步进电机，控制可移动轨道沿平行固定轨道运行的电机称为y轴步进电机。

4)摄影装置固定于滑块之上，通过步进电机驱动摄影装置横向与纵向运行并拍摄具有一定航向重叠度和旁向重叠度的沙盘影像。

5)控制装置是摄影测量模拟实验室的核心组成部分，主要用来控制电机驱动、影像传输和摄影装置曝光。控制装置主要由移动平台控制装置和地面PC控制装置组成：移动平台控制装置采用单片机控制技术，实现电机驱动控制、摄影装置曝光控制和影像传输，是该模拟系统的主控部分；地面PC控制装置利用个人电脑，通过无线通信模块完成对控制装置的远程遥控，可以及时反馈控制装置的当前状态。

2 摄影装置的优化设计

摄影测量模拟实验室的空中轨道最初搭载的是单相机，相机与轨道滑块相对固定安装，镜头垂直于地面，姿态角(旋偏角、俯仰角、横滚角)不随相机轨道的移动而改变，只能从垂直方向拍摄，难以拍摄具有不同姿态角的沙盘影像。

本文通过对摄影装置进行优化设计，使可移动轨道上可以同时搭载单相机、五镜头倾斜相机和云台相机3种摄影装置，单相机可以模拟航空摄影测量，五镜头倾斜相机可以模拟倾斜摄影测量，云台相机可以拍摄具有任意姿态角的沙盘影像。摄影装置与滑块连接，安装在可移动轨道上，通过步进电机驱动可移动轨道和滑块运行，摄影装置沿可移动轨道运行并拍摄具有一定航向重叠度的沙盘影像，可移动轨道沿两平行轨道运行时摄影装置可以拍摄具有一定旁向重叠度的沙盘影像，实现模拟室外航空摄影测量飞行航线的设计，使该模拟实验室系统具有可行性。

优化后的摄影装置安装效果如图2所示。通过控制装置实现对电机的实时控制，通过电机转动带动螺纹杆转动，从而使得套设在螺纹杆外侧的导块能够通过内侧的螺纹槽在螺纹杆的表面横向传动，通过控制装置对螺纹杆末端的行程开关实现控制，当滑块传动到螺纹杆末端触碰到行程开关时，能够断开电机的电源，防止滑块损坏。单相机、云台相机和倾斜相机安装于转盘下方，通过电机带动转盘转动，实现单相机、倾斜相机和云台相机切换。

图2 摄影装置安装效果图 注：1.平行固定轨道；2.控制装置；3.螺纹杆；4.电机； 5.行程开关；6.云台相机；7.单相机；8.转轴；9.转盘；10.倾斜相机

3 沙盘影像获取

摄影装置及可移动轨道运行示意图如图3所示，控制可移动轨道运行至位置1处，控制摄影装置沿可移动导轨运行并进行曝光获取具有一定航向重叠度的沙盘影像；当整条航线的沙盘影像获取完毕后，控制可移动轨道运行至位置2处，控制摄影装置反向运行并拍摄该条航线的沙盘影像，获取具有一定航向重叠度和旁向重叠度的沙盘影像，重复以上步骤直至影像覆盖整个沙盘。

影像获取流程如图4所示，接通电源后使轨道初始化，模拟摄影测量飞行并控制相机曝光，控制单相机曝光可以获取沙盘单片正射影像，控制五镜头倾斜相机曝光可以单摄站获取沙盘五张倾斜影像，控制云台相机曝光可以单摄站获取具有不同姿态角的沙盘影像。

图4 沙盘影像获取流程

3.1 控制点布设与测量

本文选用国内某高校沙盘模型，沙盘尺寸为7 m×5 m，比例尺为1∶500。沙盘西部以学校建筑物模型为主，东部以山脉林地模型为主，具有丰富地形地貌，主要包括：建筑物、道路、草地、林地、山脉、水域等。

在沙盘模型上使用反射贴片来布设控制点，如图5所示。反射贴片与沙盘上其他地物反差很大，中心点易于寻找，测量比较方便，易于识别，且在空中三角测量中利于刺点。本文一共布设12个控制点，点位分布如图6所示。在摄影测量模拟实验室中架设全站仪，以全站仪对中点为坐标原点、正北方向为X轴、正西方向为Y轴、垂直平面XOY向上为Z轴建立局部左手坐标系，使用全站仪对点P01-P12进行观测，得到各点的坐标值如表1所示。

图5 控制点布设示例

图6 控制点点位分布图

3.2 基于单相机沙盘影像获取

单相机摄影装置采用检校后的佳能EOS 6D相机，镜头焦距为35 mm，分辨率为5472*3648。将EOS 6D相机架设于空中轨道上，接通电源启动电机，模拟航空摄影测量飞行并控制相机进行定点曝光，获取沙盘单片正射影像。本次实验设置影像航向重叠80%，旁向重叠60%，相机飞行4条航带，每条航带获取8张沙盘影像，共32张影像。

3.3 基于五镜头倾斜相机的沙盘影像获取

五镜头倾斜相机采用索尼QX1相机，相机分辨率为5 460*3 632，中间相机垂直固定，周围4个相机分别以前倾、后倾、左倾、由右倾30°角固定，使得五镜头倾斜相机能够在同一摄站点获取5个不同角度的沙盘影像。本次实验设置影像航向重叠80%、旁向重叠60%，五镜头倾斜相机飞行4条航带，每条航带8个摄站点，每个摄站点获取5张影像，共获取160张影像。

3.4 基于云台相机的沙盘影像获取

云台相机摄影装置将检校后的佳能EOS 6D相机搭载于大疆Ronin-M云台上，将相机调平后使用遥控器调节相机姿态角，通过控制系统控制相机曝光可以获得具有不同姿态角的沙盘影像。本次实验在同一摄站点获取3张不同姿态角的沙盘影像，分别为正射影像、左倾45°影像和右倾45°影像。设置影像航向重叠80%、旁向重叠60%，云台相机飞行4条航带，每条航带8个摄站点，每个摄站点获取3张影像，共获取96张影像。

4 沙盘影像处理

为了验证3种摄影装置的可行性，将3种摄影装置获取的沙盘影像进行空中三角测量，分析空三精度，然后对沙盘影像进行数字矢量化采集和三维模型重建，得到沙盘的“4D”产品和三维模型等成果。

空中三角测量是根据摄影瞬间的摄影光线来建立地面点与对应像点之间的数学关系、像片间的数学关系及航带间的数学关系[9-10]。空中三角测量根据平差模型的区别主要分为航带法、独立模型法和光束法3种[11]。本文进行对比实验，将单相机和云台相机获取的沙盘正射影像进行畸变差纠正后分别导入Geolord-AT自动空中三角测量软件中进行空中三角测量[12]，流程如图7所示。

图7 Geolord-AT空中三角测量流程

沙盘比例尺为1∶500，使用Geolord-AT对沙盘影像进行空中三角测量时，为了能够成功构建航线自由网，需要将控制点坐标值放大1000倍，得到的空三结果默认单位为m，将其缩小1 000倍后，如表2所示为定向点与检查点的空三精度，单位为mm。

表2 Geolord-AT空三精度 mm

将五镜头倾斜影像和云台相机的3种姿态角影像分别导入Smart3D中进行空中三角测量[13-14]，得到两种沙盘影像的空三精度，如表3所示。

表3 Smart3D空三精度

由表2和表3可以看出单相机正射影像和五镜头倾斜影像的空三精度高于云台相机影像的空三精度。以单相机正射影像为例，将空三结果导入JX-4G数字摄影测量工作站中进行数字摄影测量，得到沙盘模型的“4D”产品，如图8和图9所示为沙盘模型的DOM和DLG；以五镜头倾斜影像为例，在Smart3D中进行空中三角测量，然后进行三维模型重建[15]，得到沙盘的三维模型，如图10所示。

图8 DOM

图9 DLG

图10 三维模型

5 结束语

摄影测量模拟实验室通过在沙盘上空架设轨道的方式来模拟航空摄影测量，用具有丰富地形地貌的实体沙盘来模拟地球表面形态，形成一整套航空摄影模拟系统。本文对摄影测量模拟实验室摄影装置进行优化设计，使实验室空中轨道上可以搭载单相机、五镜头倾斜相机和云台相机3种摄影装置，对3种摄影装置获取的沙盘影像进行预处理、空中三角测量、数字矢量化采集、三维模型重建后，生成沙盘模型的“4D”产品和三维模型等成果，实现从数据获取到产品输出的全过程摄影测量模拟。