張 兵， 崔希民， 趙旭陽， 韋 銳

(1. 中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2. 石家莊學院資源與環(huán)境系，河北 石家莊 050035)

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一種航空攝影測量模擬系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張 兵1, 2， 崔希民1， 趙旭陽2， 韋 銳2

(1. 中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2. 石家莊學院資源與環(huán)境系，河北 石家莊 050035)

介紹了一種航空攝影測量模擬系統(tǒng)的設計思想和制作過程，該實驗系統(tǒng)能夠模擬真實的航空攝影測量工作全過程。模擬系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的設計是按照外業(yè)攝影測量的相關規(guī)范要求進行的。該系統(tǒng)能夠根據(jù)實際需要來調整攝影航線之間的距離，在航向和旁向上實現(xiàn)不同重疊度的航空像片的攝影。模擬系統(tǒng)與專門設計的多要素地形、地物模型及數(shù)據(jù)處理中心集成在一起，為遙感、攝影測量和工程測量方向的研究人員提供了實用的科研設備，同時還滿足了測繪工程、遙感科學與技術等相關專業(yè)課程和實驗教學的需要。系統(tǒng)的建立解決了長期以來高校在攝影測量與遙感教學過程中實驗設備相對落后的現(xiàn)狀，節(jié)約了該領域科學研究的實驗成本，豐富了測繪科學與技術學科的教學和實驗手段。

航空攝影； 模擬系統(tǒng)； 地形模型； 攝影測量； 遙感

0 引 言

為了適應社會對測繪科技快速發(fā)展的技術[1]和人才需求，進一步加強攝影測量相關領域的科學研究和人才培養(yǎng)已越來越成為業(yè)內共識，而相關科研設備的研制以及教學平臺的創(chuàng)新就顯得尤為重要。目前用于室內研究的攝影測量平臺，在高校攝影測量與遙感等專業(yè)課程教學及實習、實踐中還不能適應社會對創(chuàng)新性測繪人才培養(yǎng)的需求。盡管國內高校如蘇州科技學院、黑龍江工程學院、江西應用技術職業(yè)學院等都已經(jīng)進行或正在進行模擬航空攝影測量系統(tǒng)的設計嘗試；但已有的航空攝影測量教學系統(tǒng)中，攝影測量軌道大多是不能根據(jù)需要變動位置的固定式，種類比較單一，缺乏靈活性與完整性，只能滿足基本的攝影測量課程的實踐教學需要。有鑒于此，急需設計和研制一種新的航空攝影測量模擬系統(tǒng)以解決上述存在的問題。

1 系統(tǒng)設計

航空攝影測量模擬系統(tǒng)的設計首先要考慮系統(tǒng)的功能需求，以真實航空攝影測量系統(tǒng)為基礎，以裝載模擬航空攝影測量系統(tǒng)的空間面積大小、高度條件，依據(jù)功能需求來設計系統(tǒng)的各組成部分。

1.1 系統(tǒng)的結構設計

系統(tǒng)結構設計主要包括3個部分[2]：空中模擬航空攝影測量部分，地面地形、地物模型部分以及攝影數(shù)據(jù)處理部分，見圖1。本文主要對空中模擬航空攝影測量部分的設計進行深入闡述。

圖1 航空攝影測量模擬系統(tǒng)組成

1.2 系統(tǒng)的詳細設計

航空攝影測量模擬系統(tǒng)的設計和應用需要結合實際的地面攝影模型，因為實驗室空間高度是一定的，一旦攝影系統(tǒng)裝載之后攝影航高就是相對固定的，因此攝影比例尺不能像室外真實的航空攝影測量系統(tǒng)那樣任意選擇，必須根據(jù)裝載模型的實驗室實際尺寸以及攝影模型的安裝大小、安裝高度、模型上地物、地貌的相對高度來綜合考慮。

1.2.1 模型大小的確定

根據(jù)實際量測的裝載模型實驗室的實際尺寸(8 m×12 m)來進行模型尺寸的設計，模型尺寸要和整個室內空間相協(xié)調、長寬比例合適、模型的地面高度和模型要素間的相對高度要合理。模型的尺寸設計主要需要考慮以下幾個方面的因素：模擬攝影系統(tǒng)的設計尺寸、攝影控制面積、室內控制測量觀測墩的位置、演示控制系統(tǒng)設備安裝以及設備操作的空間需求，經(jīng)過在計算機上反復模擬優(yōu)選，最終確定設計模型的尺寸為(4 m×8 m)。

1.2.2 攝影比例尺和模型相對高度的確定

由于實測模型室內空間凈空高為3.3 m，地物、地貌模型底盤高度為0.4 m，安裝模擬攝影系統(tǒng)后相機的鏡頭中心距離模型底面只剩2.5 m的高度。根據(jù)攝影相機的焦距f值，結合空間高度，最終將攝影比例尺選取為m=1∶50。

根據(jù)航空攝影技術設計規(guī)范[3]，當航攝比例尺小于1∶8 000時攝影區(qū)相對航高不能大于1/4；當航攝比例尺大于1∶8 000時攝區(qū)相對航高不能大于1/6。由于設計比例尺為1∶50，為了滿足規(guī)范要求而又不對攝影區(qū)域進行分區(qū)，最終設計模型區(qū)的最高點相對高程設計值應小于H攝*1/6，H攝為攝影航高。如果模型底部平面的高程設為0，則模型區(qū)的相對高程設計為0.4 m。

(1) 攝區(qū)內平均高度。

(1)

式中：hmax為攝區(qū)(模型區(qū))最高點的高程(設計值)；hmin為攝區(qū)(模型區(qū))最底點的高程(假定值)。設模型底面的高程為零，設計模型的最高處相對于模型底面的高度為0.4 m。

(2) 攝影相對航高為。

H攝=f·m=0.05×50=2.5m

(2)

式中：H攝為攝影相對航高；f為攝影相機焦距；設計值為50 mm；m為攝影的設計比例尺。

(3) 攝影航線的絕對航高。

H絕對=H攝+h平=2.5+0.2=2.7m

(3)

以上計算結果顯示：攝影相對航高為2.5 m，與安裝模擬攝影系統(tǒng)后相機的鏡頭中心到模型的距離相符合，均沒有超過2.5 m的實際空間高度，表明此次設計的1∶50比例尺和地面模型的相對設計高差0.4 m是合理的。

1.2.3 攝影基線和航線間隔的確定

規(guī)范規(guī)定了攝影像片的航向重疊度和旁向重疊度，沿同一航線上相鄰像片間的航向重疊為50～65%，旁向重疊為15%～35%，本次設計的航向重疊度為60%。旁向重疊度、攝影相機APS畫幅尺寸、航攝比例尺的大小直接決定航線間隔的大小，由于選定相機的畫幅尺寸是固定的，航攝比例尺已事先設計好，因此航線間隔的設計主要受旁向重疊度的控制。

為了減小模擬攝影系統(tǒng)設計的復雜程度，實際設計中應盡可能的減少攝影航線的條數(shù)，而減少攝影航線的條數(shù)則需要增加航線間距，在攝影比例尺和畫幅尺寸確定的前提下，航線間距的增加則只能通過減小旁向重疊度來實現(xiàn)，因此此次設計的旁向重疊度選取的是規(guī)范規(guī)定的最小值15%。

根據(jù)各相關設計值可計算攝影基線(Bx)和航線間距(By)，再根據(jù)攝影區(qū)的實際尺寸計算航線條數(shù)和每條航線的像片張數(shù)以及整個攝區(qū)攝影像片總張數(shù)。

(1) 攝影基線和航線間隔的計算。本系統(tǒng)采用的攝影相機是尼康D90，影像感應器：Nikon DX 格式 (23.6 mm×15.8 mm) CMOS 感應器，鏡頭選用的是尼康AF-S 50mm f/1.4 GB，攝影的相片有效幅面寬度：lx=23.6 mm，ly=15.8 mm

Bx=lxm(1-qx)=(1-0.6)×23.6×10-3×50=0.472m

(4)

By=lym(1-qy)=(1-0.15)×15.8×10-3×50=0.671m

(5)

(2) 計算每條航線的像片數(shù)。

(6)

(3) 計算航線數(shù)。

根據(jù)式(2)和式(3)的計算結果，攝影區(qū)像片的總張數(shù)=N1N2=147。

利用攝影基線和航線間隔，可按如下公式計算每條航線的每個攝影點的位置：

Xi=X0+By(i-1)

(8)

Yj=Y0-1.5Bx+Bx(j-1)

(9)

式中：Xi、Yj為航線上每個攝影點的坐標，i=1，2，3；i=1，2，3…11；X0、Y0為航線上第一個攝影點的坐標。

2 系統(tǒng)組成與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)各部分的組成

(1) 空中模擬航空攝影部分。主要包括CCD相機、步進電機、精密滑軌等[3]，其中精密滑軌由兩條直線軌道組成，直線軌道上設置有滑動裝置，滑動裝置通過擺軸設置擺架，擺架頂端固定有CCD相機，步進電機與滑動裝置和擺軸電連接，與直線導軌平行設置有步進電機的輔助牽引裝，具體設計見圖2～4。圖中,1是傳感器裝置CCD相機,2是轉動連接桿,3和6是精密滑軌裝置。

如圖3所示，傳感器固定在轉動連接桿2的頂端，轉動連接桿繞固定裝置8可在水平面上180(旋轉；由于固定裝置只有一處，當連接桿的長度過長則會影響相機攝影時的穩(wěn)定性。考慮到為了減小裝置設計的復雜程度又保證攝影時的穩(wěn)定性，此次設計并沒有通過無限增加連接桿的長度來保證攝影能覆蓋整個模型區(qū)域，即本次系統(tǒng)設計并沒有包含模型的所有7條攝影航線，而是包含了中央的4條航線。在這4條航線的范圍內，可以根據(jù)需要重新設計滿足規(guī)范要求的航向重疊度和旁向重疊度，再依據(jù)相關的公式計算相應參數(shù)，通過轉動連接桿來調整航線間距進行攝影，系統(tǒng)詳細的工作過程如后所述。

圖2 模擬航空攝影裝置主視圖

圖3 模擬航空攝影裝置俯視圖

圖4 模擬航空攝影裝置透視圖

(2) 地形、地物要素模型部分。地形、地物要素模型的設計[4]要遵循各要素選取合理、比例適當、搭配和諧、整體美觀的原則，各個常見地貌要素要有體現(xiàn)，山峰、山脊、山谷、鞍部、陡崖、河流等自然地理要素適當選取，地物要素的選取也要盡可能的合理，居民點、公路、鐵路、隧道、橋梁、工廠、學校等社會經(jīng)濟要素要包括在模型中，必須保證地形、地物要素模型的各個要素能模擬現(xiàn)實的客觀自然界，具體的地形、地物模型見圖5和圖6。

圖5 地物要素模型圖

圖6 地貌要素模型圖

(3) 攝影數(shù)據(jù)處理部分。數(shù)據(jù)處理部分主要是由計算機、全數(shù)字攝影測量工作站軟硬件、數(shù)字化測圖軟件、以及常規(guī)遙感和地理信息系統(tǒng)軟件組成。主要功能是利用空中模擬航空攝影部分獲取的影像數(shù)據(jù)或其它航攝影像資料進行數(shù)字線劃地圖(DLG)、數(shù)字正射影像圖(DOM)和數(shù)字地形模型(DTM)的生產(chǎn)制作。

2.2 系統(tǒng)工作過程

為了能夠在不同的航線對下方地面模型進行拍攝，每次開始拍攝前需要使用控制器將滑動裝置7移動到貼近步進電機9，使第一行程開關5-1和前觸抓5-3連接，在電機7-1的控制下，擺架2可以繞擺軸8在180°范圍內自由旋轉(目的是調整傳感器的位置并根據(jù)旁向重疊的設計值選擇合適的航線寬度)，此時步進電機9轉動，由于輔助牽引裝置4一端與步進電機9的主動輪相連接，并固定在滑動裝置7上，因此滑動裝置7可以在輔助牽引裝置4的作用下滑動，當滑動到后固定桿的位置，第二行程開關5-2與后觸抓5-4接觸，向步進電機9發(fā)出信號，步進電機9反轉，此時滑動裝置7返回起始狀態(tài)。

為了滿足航空攝影測量規(guī)范對于航片攝影測量的要求，選擇符合條件的3個位置作為航拍的航帶，在每一個位置單獨控制滑動7沿著軌道運行，每運行到一定距離到達攝影點位后，暫停并等待幾秒鐘(目的是使相機處于穩(wěn)定狀態(tài))，然后利用相機遙控裝置對地面模型進行拍攝，也可根據(jù)滑行速度設置一定的時間讓相機對地面模型進行自動拍攝，當1條航帶拍攝完后檢查其航向重疊是否滿足規(guī)范要求，即重疊率要達到設計值，如果滿足規(guī)范要求，可以按照上述介紹的方法調整擺架2到第2條航帶再對地面模型進行拍攝，第2條航帶拍攝完成后檢查其與第1條航帶之間的旁向重疊是否滿足規(guī)范要求，即重疊率要達到設計要求。如果滿足規(guī)范要求，可以開始調整擺架2到第3條航帶對地面模型進行拍攝，拍攝完成同樣需要檢查第2條航帶和第3條航帶之間的旁向重疊率。當3個航帶拍攝完成后可以將像片傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，利用他全數(shù)字攝影測量工作站軟件和硬件(包括高性能計算機、專業(yè)立體圖形卡、3D液晶眼鏡、手輪腳盤)以及對地面模型采集的像片控制點資料對像片進行處理，最后進行數(shù)字線劃地圖(DLG)、數(shù)字正射影像圖(DOM)和數(shù)字地形模型(DTM)的生產(chǎn)制作。

3 結 語

該系統(tǒng)已在石家莊學院成功建立，其它高校也正在籌建類似的系統(tǒng)，希望通過本文的闡述，能夠給這些高校提供一個有益的參考。限于篇幅，本文主要討論模擬航空攝影測量系統(tǒng)空間部分的設計和實現(xiàn)過程，地形、地物模型的設計與實現(xiàn)，攝影數(shù)據(jù)的處理與模型二維和三維地圖的制作等內容將在后續(xù)的文章中分別加以闡述。

該系統(tǒng)的建立對教師的科研工作和相關課程的教學起到了很大的促進作用，是對科研手段和現(xiàn)代教育手段的一次全面提升，通過模擬生動逼真的真實實驗環(huán)境，大大的改變了學生學習知識和技能的方式，提高了學生學習知識的興趣和對知識掌握的能力。系統(tǒng)的建立打破了攝影測量科研工作和實驗教學對于時間和空間的要求，不受外界天氣，實驗場地和實驗經(jīng)費的限制，提高了實驗的靈活程度，大大節(jié)約了實驗成本，同時避免了真實的實驗操作所帶來的各種風險，比如：操作失誤引起的飛機失控，航攝質量不能滿足要求所帶來的經(jīng)濟損失等等。由于是模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)的各個設備和部件可以根據(jù)現(xiàn)實科學技術的發(fā)展情況進行不斷的更新，以保證科研工作和教學工作能緊跟學術前沿。

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Design and Implementation of Simulated System for Aerial Photogrammetry

ZHANGBing1, 2，CUIXi-min1，ZHAOXu-yang2，WEIRui2

(1. College of Geoscience and Surveying Engineering， China University of Mining and Technology (Beijing)， Beijing 100083， China;2. Department of Resources and Environment， Shijiazhuang University， Shijiazhuang 050035， China)

This paper is devoted to design and implement of simulated aerial photogrammetric system. By using this system we can simulate the whole working process of true photographic surveying. Every part of this photogrammetric system is to obey the relevant specification of photogrammetry. If necessity it can do different overlapping aerial photography by adjusting the route distance. In this simulated system, the terrain model is specially designed and all elements are integrated together with the data processing center. The system can be used as practical scientific research equipment for photogrammetric researchers, and it can satisfy the teaching need of specialized courses and experiments for the engineering of surveying and mapping or remote sensing science and technology. The establishment of the system has solved the relatively “backward” status of experiment equipment which does long exist in the field of photogrammetry and remote sensing teaching. It can also save the cost of scientific research in the relevant field and improve the teaching and experiment method of surveying and mapping science and technology subject.

aerial photograph； simulation system； topographic model； photogrammetry； remote sensing

2015-08-20

國家自然科學基金項目資助(51474217)；河北省高等學?？茖W研究計劃項目資助(Z2015160)

張 兵(1979-)，男，河南潢川人，博士，講師，主要從事攝影測量、礦山開采沉陷工程及形變監(jiān)測相關領域的研究工作。

E-mail：zhbing1020@126.com

P 231

A

1006-7167(2016)01-0061-04