常燕敏 秦 軍 劉 晨

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

相機(jī)檢校的方法有多種，由于數(shù)碼相機(jī)的多樣化以及檢校內(nèi)容的多樣化，其檢校的設(shè)備、作業(yè)流程和規(guī)范并未標(biāo)準(zhǔn)化。出于解求內(nèi)方位元素和光學(xué)畸變的目的，以及檢校環(huán)境的考慮，選擇室內(nèi)三維控制場(chǎng)檢校方法，而實(shí)施相機(jī)檢校的前提條件是建立高精度的三維檢校場(chǎng)。

1 檢校場(chǎng)的建立

1.1 檢校場(chǎng)地的選擇

用于普通數(shù)碼相機(jī)檢校的三維檢校場(chǎng)地一般應(yīng)該滿(mǎn)足以下幾個(gè)方面的要求:①檢校場(chǎng)地需要有一定的深度，滿(mǎn)足數(shù)碼相機(jī)在無(wú)窮遠(yuǎn)處能獲得滿(mǎn)幅檢校場(chǎng)圖像;②檢校場(chǎng)地有一定的縱深，滿(mǎn)足三維層次的標(biāo)志點(diǎn)布置;③標(biāo)志點(diǎn)之間的幾何關(guān)系長(zhǎng)期或在一定時(shí)期內(nèi)必須穩(wěn)定;④標(biāo)志點(diǎn)利于經(jīng)緯儀或全站儀精確測(cè)量。綜合考慮以上關(guān)于三維檢校場(chǎng)建立的條件，檢校場(chǎng)地選定一棟三層實(shí)驗(yàn)樓，該樓高約25 m，有走廊、墻體、柱子和凹槽，構(gòu)成了前后4個(gè)層次的立體結(jié)構(gòu)。由于在凹槽內(nèi)粘貼標(biāo)志困難很大，只能利用走廊、墻體、柱子3個(gè)層次。實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)有足夠的光線條件，方便在任何時(shí)間獲取試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)。墻面為白色，減少了影像噪聲點(diǎn)的影響，能夠在該樓對(duì)面50 m左右，以不同的高度、不同的角度進(jìn)行多角度多方位拍攝。綜上所述，該實(shí)驗(yàn)樓是一個(gè)比較理想的相機(jī)室內(nèi)檢校場(chǎng)地。

1.2 控制點(diǎn)標(biāo)志的選擇

檢校場(chǎng)控制點(diǎn)人工標(biāo)志類(lèi)型較多，標(biāo)志的選擇應(yīng)有利于精確提取像點(diǎn)坐標(biāo)，而且方便基于全站儀或經(jīng)緯儀的測(cè)角模式進(jìn)行前方交會(huì)，獲得控制點(diǎn)坐標(biāo)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，最終選定圖1標(biāo)志作為此檢校場(chǎng)的控制點(diǎn)標(biāo)志。為方便測(cè)量控制點(diǎn)標(biāo)志中心坐標(biāo)，在標(biāo)志的中心粘貼帶有十字絲刻劃的反射片，反射片帶有十字絲刻劃線，既可用來(lái)測(cè)量距離，又可用來(lái)瞄準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，粘貼反射片不影響檢校軟件對(duì)標(biāo)志圖像的自動(dòng)識(shí)別和觀測(cè)精度［1］。

圖1 控制點(diǎn)標(biāo)志示意

1.3 控制點(diǎn)標(biāo)志的制作

影響控制點(diǎn)標(biāo)志設(shè)計(jì)的因素很多，主要因素是航攝相機(jī)的參數(shù)。該檢校場(chǎng)主要用來(lái)檢校Cannon 5D MarkII，使用焦距f=35 mm/50 mm，像元大小 δ=6.4 μm。檢校場(chǎng)控制點(diǎn)在影像上成像大小為6～10個(gè)像元時(shí)，匹配中心點(diǎn)的精度較高［2］，過(guò)大或過(guò)小的標(biāo)志成像均不利于識(shí)別、量測(cè)，靠人工識(shí)別，工作量大，精度低。由縱深一般為50 m及關(guān)系式f/h=δ/GSD可得，f=35 mm時(shí)采用直徑d=6 cm的標(biāo)志，f=50 mm時(shí)采用d=4 cm的標(biāo)志，就能滿(mǎn)足成像6～10個(gè)像元的要求?？紤]到標(biāo)志要容易固定且長(zhǎng)期使用，標(biāo)志的材料采用不易腐蝕的鋁材，標(biāo)志的模板為60 mm×60 mm的正方形鋁片，表面刷白色防水漆，四角留有小孔用于固定，中間用黑色的防水漆刷出30 mm×30 mm的黑色正方形，然后在其近似中心粘貼大小為10 mm×10 mm的反光片。黑色與白色形成明顯反差，利于標(biāo)志圖像的自動(dòng)識(shí)別，反光片保證全站儀準(zhǔn)確獲取標(biāo)志點(diǎn)的物方坐標(biāo)。

1.4 檢校場(chǎng)的布設(shè)

按照控制點(diǎn)不應(yīng)該分布在一條直線上或接近一個(gè)平面內(nèi)，要在三維方向均勻分布于整個(gè)攝區(qū)，且使它們?cè)谟跋裆弦脖M量滿(mǎn)幅而均勻的原則。把標(biāo)志點(diǎn)牢固地固定在左右兩側(cè)柱子、走廊的墻面及三樓天頂?shù)暮髩γ嫔??？刂泣c(diǎn)的個(gè)數(shù)直接影響主距的測(cè)定精度，增加控制點(diǎn)個(gè)數(shù)可以提高檢校質(zhì)量［3］，因此該檢校場(chǎng)共布設(shè)了77個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，標(biāo)志點(diǎn)橫向間距約為80 cm，豎向間距約為60 cm。在控制場(chǎng)的中間部分進(jìn)行了標(biāo)志點(diǎn)加密，豎向間距約為40 cm，以便長(zhǎng)焦距窄視場(chǎng)角相機(jī)檢校時(shí)可拍攝足夠數(shù)量的標(biāo)志。布設(shè)完后的檢校場(chǎng)如圖2所示。

圖2 控制點(diǎn)布設(shè)示意

2 檢校場(chǎng)的測(cè)量

2.1 坐標(biāo)系的建立及測(cè)量方法

采用自由坐標(biāo)系，利用后方交會(huì)的方法確定2個(gè)地面控制點(diǎn)A、B的坐標(biāo)。為了得到精度評(píng)定的目的，需要有多余觀測(cè)量，即測(cè)量4個(gè)點(diǎn)O1、O2、O3、O4的水平角。采用前方交會(huì)的方法，利用地面控制點(diǎn)A、B上的兩臺(tái)全站儀同時(shí)觀測(cè)，交會(huì)出檢校點(diǎn)Px的平面坐標(biāo)(如圖3所示)。

圖3 坐標(biāo)系示意

將兩臺(tái)同型號(hào)的全站儀分別架于A、B兩地面控制點(diǎn)上，儀器高度大致相同;將銦鋼尺懸掛或貼附在墻壁上，使圓水準(zhǔn)氣泡居中;調(diào)節(jié)全站儀的豎直微動(dòng)螺旋，使視線水平，將兩臺(tái)全站儀目鏡對(duì)準(zhǔn)銦鋼尺，讀取尺子上的讀數(shù) HA、HB，則 hAB=HB－HA。假定 HA=H為一常數(shù)，則HB=H+HA。然后，通過(guò)三角高程測(cè)量，計(jì)算出各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)PX與地面控制點(diǎn)A、B間的高差，計(jì)算出各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)PX的高程HP。

2.2 測(cè)量設(shè)備的要求及觀測(cè)限差控制

施測(cè)過(guò)程需用經(jīng)過(guò)檢校的同型號(hào)全站儀2臺(tái)，精度要求1″或以上儀器(如徠卡1201);銦鋼尺1根，要求尺上刻度數(shù)字清晰，尺子兩端無(wú)磨損。觀測(cè)過(guò)程中，角度各項(xiàng)的限差按表1、表2控制，測(cè)回?cái)?shù)為2，且零方向讀數(shù)按照 δ=180°(i－1)/n配置。

表1 水平角觀測(cè)技術(shù)要求

表2 豎直角觀測(cè)技術(shù)要求

2.3 標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算及坐標(biāo)精度

原始數(shù)據(jù)通過(guò)武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院研發(fā)的科傻系統(tǒng)(COSA)進(jìn)行平差，得到如表3、表4結(jié)果。

表3 最弱點(diǎn)及其精度

表4 最弱邊及其精度_________________

即:標(biāo)志點(diǎn)最弱觀測(cè)中誤差為mX=0.2 mm，mY=0.8 mm，mZ=0.43 mm，點(diǎn)位中誤差m=0.93 mm。近似認(rèn)為其平均深度D=50 m，mD=0.8 mm，即h=50 m，mh=0.8 mm，根據(jù)內(nèi)方位元素測(cè)定精度要求［4］

f為相機(jī)的主距(f=35 mm/50 mm)，mX0、mY0、mf分別為內(nèi)方位元素的中誤差，計(jì)算出內(nèi)方位元素的中誤差分別為mX0=0.000 2 mm、mY0=0.000 8 mm、mf=0.000 43 mm。不同的攝影測(cè)量任務(wù)和測(cè)區(qū)的環(huán)境對(duì)內(nèi)方位元素的檢校精度要求不同，一般把檢校精度控制在0.001 mm 以上［4］。

3 結(jié)束語(yǔ)

高精度檢校場(chǎng)的建設(shè)是攝影測(cè)量中相機(jī)檢校和有關(guān)理論研究的重要基礎(chǔ)設(shè)施。從項(xiàng)目需求出發(fā)，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用于攝影測(cè)量任務(wù)前的檢驗(yàn)，介紹了一種室內(nèi)三維檢校場(chǎng)的建立方法，該檢校場(chǎng)的測(cè)量方法采用工程測(cè)量的前方交會(huì)和三角高程原理，結(jié)合檢校場(chǎng)的具體使用情況，簡(jiǎn)化了測(cè)量步驟，具有原理簡(jiǎn)單，操作方便的特點(diǎn)。測(cè)量結(jié)果表明，所建立的室內(nèi)三維檢校場(chǎng)能夠滿(mǎn)足數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用于攝影測(cè)量的檢校要求。該檢校場(chǎng)建立方法簡(jiǎn)單易行，費(fèi)用較傳統(tǒng)檢校場(chǎng)大大降低，且易于保養(yǎng)維護(hù)，方便數(shù)碼相機(jī)影像獲取后的預(yù)處理，對(duì)非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)在攝影測(cè)量中的應(yīng)用具有重大的推動(dòng)作用。

［1］王 留召，張建霞，王寶山．航空攝影測(cè)量數(shù)碼相機(jī)檢校場(chǎng)的建立［J］．河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25(1):46-49

［2］李 瑞芳，關(guān)艷玲，左建章．高精度輕小型航空遙感集成系統(tǒng)室外檢校場(chǎng)建設(shè)方案研究［J］．測(cè)繪科學(xué)，2010，35(6):65-67

［3］苗 紅杰，趙文吉，劉先林．?dāng)?shù)碼相機(jī)檢校和攝像測(cè)量的部分問(wèn)題探討［J］．首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，26(1):117-120

［4］許 磊，王留召，余潔，王麗．一種新型的數(shù)碼相機(jī)室內(nèi)檢校場(chǎng)的建立方法［J］．北京測(cè)繪，2008(2):20-22

［5］袁 修孝，楊芬，趙青．機(jī)載POS系統(tǒng)視準(zhǔn)軸誤差檢校［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2006，31(12):1039-1043