无人机六目倾斜摄影相机系统研制及应用

赵星涛 陈 强 张 浩 王 笑 秦海超

(1. 中国矿业大学 环境与测绘学院, 江苏 徐州 221116；2. 北京帝信科技有限公司，北京 100021；3. 兖矿能源集团股份有限公司济宁三号煤矿，山东 济宁 272169；4. 建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007)

0 引言

基于无人机的低空数字摄影测量技术已经成为现代地理空间信息数据采集的重要手段之一[1-4]。一个完整的无人机低空摄影测量系统涉及信息采集与传输、自动导航控制等多学科的理论和方法。近年来发展的无人机倾斜摄影测量技术通过多镜头、多视角摄影模式在提高了常规数字测绘产品精度的同时，还可以获得高精度的纹理细节较为丰富的实景三维和真正射影像(true digital ortho map，TDOM)[5-11]。此外，倾斜摄影测量的发展也使得数字线划图(digital linear graph，DLG)的采集方法从传统的立体测图模式转变为更符合人眼直观感受的基于倾斜实景三维模型的裸眼测图模式。其已被广泛应用于不动产测绘、智慧城市建设等领域，亦成为助力实景三维中国建设的重要手段[12-15]。多目倾斜摄影相机作为无人机低空摄影测量系统的重要载荷，其数据获取的效率、质量对后续的数字测绘产品生产具有重要的影响。

在无人机低空摄影测量系统中，倾斜摄影相机是一个关键的设备。关于倾斜摄影相机的研究在我国起步较晚[3]，2007年北京四维远见公司推出的 SWDC成为国内最早的倾斜相机，且快速完成了大范围的工程应用，推动了国内倾斜摄影技术的发展。随后，中测新图、上海航遥等公司也相继推出了 TOPDC-5、AMC580 等多角度相机[4]。为提高无人机倾斜摄影测量的数据采集效率，基于高分辨率单反数码相并综合顾及了相机布局、成像质量及快门同步等影响因素，研发了一种适合较大区域的六目倾斜摄影相机系统。

1 六目倾斜摄影相机系统构建

选用互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)传感器更大的索尼A7R4全画幅相机(表1)作为航摄仪的单体相机；综合考虑重量、大小、焦距、成像质量、畸变大小等影响因素，相机镜头选用徕卡F2.4 50 mmASPH全画幅定焦镜头(表2)并进行合理设计和改装来构建六目倾斜摄影相机系统。

表1 索尼A7R4参数表

表2 徕卡F2.4 50 mmASPH全画幅定焦镜头参数表

1.1 相机使用寿命提升及其轻量化

影响成像质量一个很重要的因素就是“信噪比”，这个比值越大，画质越好。采用全画幅CMOS的索尼A7R4相机，改装策略和方法如下：

(1)对相机的内部结构、外形等进行了改装，去除其对于航摄无用的结构部件，在提升成像精度的基础上，减小了相机重量和体积，有着较强的实用性和适用性。

(2)将民用相机用在无人机上进行高频率拍照，对于民用相机来说，幕帘的寿命同时，更换相机传感器幕帘，将相机传感器幕帘材质更换为钛合金材质，提高幕帘的耐磨性，延长相机使用寿命。不经过幕帘改装的一台相机快门寿命在15万张照片左右，经过改装后可达到30万张照片。

通过上述策略和方法对Sony A7R4相机进行深度改造，将单体相机重量从665 g减至在250 g左右(不含镜头)，外形尺寸由129 mm×97 mm×68 mm变成115 mm×75 mm×32 mm，较原来相机体积减小超过2/3。

1.2 成像质量维持的相机镜头轻量化

徕卡F2.4 50 mmASPH全画幅定焦镜头解析像素为5 500万左右，是目前市面上最接近6 100万像素的镜头，该镜头为非球面镜片组，镜头口径较大，单位时间内通光量充足，成像像素够、锐度高、色彩均匀度好，由于是非球面镜片组，镜头畸变较小，同时该镜头在全开光圈下，也没有边缘下滑的调制传递函数(modulation transfer function，MTF)曲线，使得获取的影像全部照片都能呈现出全部锐利细节的影像，因而更有利于成像质量及摄影测量精度的提高。

六个镜头均采用性能优越的徕卡F2.4 50 mm ASPH全画幅定焦镜头进行改装，关键技术和步骤如下：

(1)对徕卡F2.4 50 mmASPH全画幅定焦镜头进行激光扫描多次后，获得徕卡镜片相对位置的精准数据，重新设计镜筒，采用数控机床(computer numerical control，CNC)电脑锣车床精密加工全铝镜筒，沿袭徕卡镜头的内部光学结构，以达到符合原厂镜头精度及成像指标，将原徕卡非球面镜片组安装至镜筒。

(2)重新对改装的相机镜头进行拍照测试，测试完成后对相机先进行室内平行光管验证像元分辨率，室内采用平行光管验证无误；然后采用无人机搭载该相机对地面检校场进行空中拍照测试验证，测试数据经过航空摄影测量数据处理软件(PHOTOMOD)进行空三匹配、联合平差，自动对相机参数进行精确自检校，结合检查点验证精度满足要求后，完成相机镜头标定工作，标定后的相机能够提高整个相机光学系统的稳定性。

经过上述步骤后，使得该镜头在维持原徕卡镜头高像素解析度、高成像质量、小畸变等优点的同时又降低了镜头重量(改装后的重量从原来的300 g减为60 g)，使得该相机系统更稳定，精度更高，重量更轻(图1)。

图1 改装后单相机

1.3 相机布局优化设计

倾斜摄影相机性能的硬件指标主要包括单相机像素、相机总像素、画幅大小、镜头焦距、整体重量等。评价倾斜相机数据获取效率的关键技术指标是获取不同角度影像的能力和单架次作业的广度和深度。在倾斜摄影中可以不对单一相机的像素进行限定，而对一次曝光获取的影像像素进行控制。倾斜摄影一次曝光采集的像素越高越好，要有定点曝光功能，确保影像重叠度满足要求。

经优化设计后的六目倾斜相机布局如图2所示。六套相机长边垂直于无人机飞行方向，六套相机分为前后各3套，前面3套中间相机垂直于地面向前倾角30°，前3套相机左右各1个相机，向前倾角30°后各向左右倾角29°，左右相机拍摄的影像与中间相机拍摄的影像重叠为20%；后面3套中间相机垂直于地面向后倾角30°，后3套相机左右各1个相机，向后倾角30°后各向左右倾角29°，左右相机拍摄的影像与中间相机拍摄的影像重叠为20%。

(a)六镜头航摄仪相机光轴

1.4 差分GNSS接口模块设计

组合宽角相机与高精度全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)/惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)的集成，重点在于顾及组合相机同步差的定位定姿系统(position and orientation system,POS)系统检校，以实现曝光时刻影像与初始外方位元素的精确协同。本项目研制的倾斜摄影航摄仪设计了差分GNSS接口模块，该模块解决了航摄仪曝光与差分全球定位系统(global positioning system,GPS)模块脉冲信号同步问题，通过单片机采集相机拍照热靴信号，在延时触发的方式下测量六相机曝光时间差，准确测定相机曝光同差分GNSS记录时间点之差，然后在单片机程序中设置时间补偿，能有效提高对相机曝光点的定位精度，可有效提高影像与获取的位置数据匹配精度。

2 六目倾斜摄影相机测试

2.1 像元分辨率测试

2.1.1测试方法

平行光管可用于模拟无限远目标，因此通过靶标来验证相机能否达到地面像元分辨率指标要求。计算原理依据公式为

(1)

式中，H为飞行高度；GSD为地面像元分辨率；J为平行光管焦距；D为可分辨靶标线宽。

如达到150 m高空地面像元分辨率为0.01 m，则采用550 mm焦距平行光管进行推扫验证，对应可分辨的靶标线对宽度应为73 μm,条纹宽度为73 μm。A3靶标板的第3组条纹宽度为35.6 μm，即轻小型宽视角倾斜摄影航摄仪对着分辨率板，若测得的分辨率板的图中能分辨第3组条纹，则说明设备性能完全超过指标要求。

如达到134 m高空地面像元分辨率为0.01 m，则采用550 mm焦距平行光管进行推扫验证，对应可分辨的靶标线对宽度应为82 μm,条纹宽度为82 μm。A3分辨率板中的第1组条纹宽度为40 μm，即超宽视角倾斜摄影航摄仪对着分辨率板，若测得的分辨率板的图中能分辨第1组条纹，则说明设备性能完全超过指标要求。

2.1.2测试结果

测试结果表明，六目倾斜摄影相机的单相机对分辨率靶标第9组黑白条纹清晰可辨(图3)。其像元分辨率为0.009 7 m，不大于0.01 m，符合设计要求。

图3 相机分辨率板拍照结果图

2.2 成像质量测试

先用六目倾斜摄影相机对户外拍照，利用photoshop软件查看所拍照片是否满足航摄仪成像测试指标，像片有较丰富的层次、能辨别与地面分辨率相适应的细小地物影像，再利用无人机搭载该设备对地成像，测试数据经过PHOTOMOD软件进行空三匹配、联合平差，自动对相机参数进行精确自检校，结合检查点验证，平面中误差为0.031 m，高程中误差为0.052 m，精度满足大比例地形图测量的要求。

经测试，研发的六目倾斜摄影相机获取的影像清晰，反差适中，颜色饱和，色彩鲜明，色调一致。有较丰富的层次、能辨别与地面分辨率相适应的细小地物影像(图4)，满足外业全要素精确调绘和室内判读的要求。

图4 六目倾斜摄影相机1个摄影站获取的6个不同视角的影像

3 应用测试及分析

3.1 研究区域数据采集

研究区1为我国西部丘陵，面积约为40 km2，地面分辨率为0.05 m，研究目的为获取数字真正射影像图、数字表面模型。研究区2为地势较为平坦的城镇，面积约为13 km2，地面分辨率为0.03 m，研究目的为获取实景三维模及DLG线画图。研究区3为黄河支流水域巡查，长度959 km，带宽1 km，地面分辨率为0.10 m，研究目的为获取数字真正射影像图及数字表面模型。

3.2 应用结果分析

(1)研究区1采用六目倾斜相机后飞行效率比该单位原有5目全画幅倾斜摄影相机效率提升40%，在大面积航测项目中优势体现明显，研究区1丘陵三维模型全景见图5。

图5 研究区1丘陵三维模型全景

(2)研究区2原始数据及实景三维成果均满足规范要求。采用该相机比传统5相机效率高，数据量小，成图精度满足要求，研究区2城镇三维模型见图6。

图6 研究区2城镇地区三维模型

(3)研究区3黄河支流水域为带状地形，利用该相机比传统单相机效率提升较大，约为50%，相关成果满足了水域巡查的要求，研究区3黄河支流水域正射影像图见图7。

图7 研究区3黄河支流水域正射影像图

理论和实践均表明：本项目研究构建的六目倾斜摄影相机在整体像素、画幅大小等方面相比传统倾斜相机有明显优势。项目研制的六目倾斜摄影相机同实际中广泛使用的五目倾斜摄影相机相比在数据采集效率上具有明显优势。五目下视和六目相机长边覆盖长度对比见图8。

如针对50 km×50 km共计2500 km2的大范围场景区域，获取分辨率为0.080 m的高分辨影像，航摄旁向重叠为60%，航向重叠为80%进行航线设计，分别采用项目研制的六目倾斜摄影相机和常规的五目倾斜摄影相机进行航线设计，所得摄影信息如表3所示。

表3表明，六目倾斜摄影相机航线间距比五目倾斜摄影相机增加一倍，从而导致航线数量及获得像片总数减少一半以上，极大地提高了数据获取效率。需要指出的是，虽然获取的总照片数量极大地减少，但并未降低后续数字测绘成果的质量。

图8 五目下视和六目相机长边覆盖长度对比图

表3 六目和五目倾斜摄影相机摄影参数对比

4 结束语

倾斜摄影技术的迅速发展，给测绘行业带来了更为广阔的发展前景。倾斜摄影技术通过无人机搭载多角度镜头，拍摄较为迅速且方位更为全面。本文研制的六目宽视角倾斜摄影相机系统在保证了精度的同时，显著提高了数据获取和处理的效率。实际应用表明，该相机系统所获得的数字测绘产品(如实景三维模型、地形图及地籍图等)均具有较高的精度和可靠性均，可满足不同行业及不同领域的应用需求。