熊 強(qiáng)，王雙亭，胡倩偉

(1.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454001;2.北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司，北京 100070)

攝影測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn)室是北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司聯(lián)合國(guó)內(nèi)部分高校，根據(jù)攝影測(cè)量規(guī)范要求，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)流程，研發(fā)的可以模擬室外攝影測(cè)量的模擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)[1]，該模擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)可以模擬航空攝影測(cè)量的全部生產(chǎn)流程，通過(guò)配套軟件可以生成沙盤模型的“4D”產(chǎn)品，得到的成果精度可以滿足攝影測(cè)量規(guī)范要求，而且在沙盤模型中可以進(jìn)行控制測(cè)量、地籍測(cè)量和地形圖繪制等實(shí)驗(yàn)[2]。

攝影測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn)室為高校攝影測(cè)量課程教學(xué)實(shí)習(xí)提供一個(gè)易學(xué)實(shí)用的教學(xué)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)獲取不受時(shí)間和天氣因素的影響，產(chǎn)品制作周期短，設(shè)備易于操作且可以重復(fù)利用，降低航飛成本與風(fēng)險(xiǎn)[3]。

自攝影測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn)室建成以來(lái)，深受好評(píng)，國(guó)內(nèi)多所高校引進(jìn)該模擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)(如河南理工大學(xué)、解放軍信息工程大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高校)，充分滿足了教師和學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)需求，有利于學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)，有效地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和質(zhì)量[4]。

攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)的攝影裝置是經(jīng)過(guò)外框加固的單相機(jī)，相機(jī)鏡頭垂直向下，只能拍攝沙盤模型的正射影像，難以拍攝不同姿態(tài)角的影像。鑒于此，本文對(duì)攝影測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn)室攝影裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使空中軌道可以搭載單相機(jī)模擬航空攝影測(cè)量[5-6]、搭載五鏡頭傾斜相機(jī)模擬傾斜攝影測(cè)量[7-8]、搭載云臺(tái)相機(jī)模擬航空攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量，使該實(shí)驗(yàn)室具有多功能的特性，能夠拍攝具有不同姿態(tài)角的沙盤影像。

1 攝影測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)

攝影測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn)室主要由地面部分和移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成，在沙盤上方安裝空中軌道，將攝影裝置安裝在空中軌道上，通過(guò)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)攝影裝置和可移動(dòng)軌道運(yùn)行并同步拍攝沙盤影像，由投影儀實(shí)時(shí)顯示影像并檢查影像的質(zhì)量，并通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整相機(jī)感光度、曝光時(shí)間和影像的重疊度等，然后通過(guò)配套軟硬件處理數(shù)據(jù)，輸出沙盤的“4D”產(chǎn)品和三維模型等成果。

1.1 地面部分

地面部分主要由沙盤、投影儀和計(jì)算機(jī)構(gòu)成：

1)沙盤用來(lái)模擬室外地形地貌，具有人工踩踏不變形的特性，在沙盤上布設(shè)控制點(diǎn)，可以進(jìn)行控制測(cè)量、地形測(cè)繪等實(shí)驗(yàn)；

2)投影儀用來(lái)實(shí)時(shí)顯示沙盤影像，通過(guò)控制系統(tǒng)及時(shí)調(diào)節(jié)相機(jī)感光度、光圈大小、曝光時(shí)間等參數(shù)；

3)實(shí)驗(yàn)室配置一臺(tái)計(jì)算機(jī)，用于處理沙盤影像，安裝有三維建模軟件、數(shù)字化測(cè)圖軟件以及圖像處理軟件等，主要功能是將模擬實(shí)驗(yàn)室中獲取的影像進(jìn)行空中三角測(cè)量、三維建模和“4D”產(chǎn)品的制作等。

1.2 移動(dòng)平臺(tái)

移動(dòng)平臺(tái)主要由空中軌道、滑塊、步進(jìn)電機(jī)、攝影裝置和控制裝置構(gòu)成。

1)空中軌道由3個(gè)直線軌道構(gòu)成，如圖1所示，兩個(gè)平行軌道固定于沙盤上空，可移動(dòng)軌道垂直架設(shè)于兩平行軌道之間，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)軌道運(yùn)行。

圖1 空中軌道

2)滑塊安置于可移動(dòng)軌道上，用于固定攝影裝置，使得攝影裝置能夠沿可移動(dòng)軌道運(yùn)行。

3)步進(jìn)電機(jī)用來(lái)控制可移動(dòng)軌道和滑塊運(yùn)行?？刂苹瑝K沿可移動(dòng)軌道運(yùn)行的電機(jī)稱為x軸步進(jìn)電機(jī)，控制可移動(dòng)軌道沿平行固定軌道運(yùn)行的電機(jī)稱為y軸步進(jìn)電機(jī)。

4)攝影裝置固定于滑塊之上，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)攝影裝置橫向與縱向運(yùn)行并拍攝具有一定航向重疊度和旁向重疊度的沙盤影像。

5)控制裝置是攝影測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn)室的核心組成部分，主要用來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)、影像傳輸和攝影裝置曝光。控制裝置主要由移動(dòng)平臺(tái)控制裝置和地面PC控制裝置組成：移動(dòng)平臺(tái)控制裝置采用單片機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、攝影裝置曝光控制和影像傳輸，是該模擬系統(tǒng)的主控部分；地面PC控制裝置利用個(gè)人電腦，通過(guò)無(wú)線通信模塊完成對(duì)控制裝置的遠(yuǎn)程遙控，可以及時(shí)反饋控制裝置的當(dāng)前狀態(tài)。

2 攝影裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

攝影測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn)室的空中軌道最初搭載的是單相機(jī)，相機(jī)與軌道滑塊相對(duì)固定安裝，鏡頭垂直于地面，姿態(tài)角(旋偏角、俯仰角、橫滾角)不隨相機(jī)軌道的移動(dòng)而改變，只能從垂直方向拍攝，難以拍攝具有不同姿態(tài)角的沙盤影像。

本文通過(guò)對(duì)攝影裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使可移動(dòng)軌道上可以同時(shí)搭載單相機(jī)、五鏡頭傾斜相機(jī)和云臺(tái)相機(jī)3種攝影裝置，單相機(jī)可以模擬航空攝影測(cè)量，五鏡頭傾斜相機(jī)可以模擬傾斜攝影測(cè)量，云臺(tái)相機(jī)可以拍攝具有任意姿態(tài)角的沙盤影像。攝影裝置與滑塊連接，安裝在可移動(dòng)軌道上，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)軌道和滑塊運(yùn)行，攝影裝置沿可移動(dòng)軌道運(yùn)行并拍攝具有一定航向重疊度的沙盤影像，可移動(dòng)軌道沿兩平行軌道運(yùn)行時(shí)攝影裝置可以拍攝具有一定旁向重疊度的沙盤影像，實(shí)現(xiàn)模擬室外航空攝影測(cè)量飛行航線的設(shè)計(jì)，使該模擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)具有可行性。

優(yōu)化后的攝影裝置安裝效果如圖2所示。通過(guò)控制裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得套設(shè)在螺紋桿外側(cè)的導(dǎo)塊能夠通過(guò)內(nèi)側(cè)的螺紋槽在螺紋桿的表面橫向傳動(dòng)，通過(guò)控制裝置對(duì)螺紋桿末端的行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)控制，當(dāng)滑塊傳動(dòng)到螺紋桿末端觸碰到行程開關(guān)時(shí)，能夠斷開電機(jī)的電源，防止滑塊損壞。單相機(jī)、云臺(tái)相機(jī)和傾斜相機(jī)安裝于轉(zhuǎn)盤下方，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單相機(jī)、傾斜相機(jī)和云臺(tái)相機(jī)切換。

圖2 攝影裝置安裝效果圖 注：1.平行固定軌道；2.控制裝置；3.螺紋桿；4.電機(jī)； 5.行程開關(guān)；6.云臺(tái)相機(jī)；7.單相機(jī)；8.轉(zhuǎn)軸；9.轉(zhuǎn)盤；10.傾斜相機(jī)

3 沙盤影像獲取

攝影裝置及可移動(dòng)軌道運(yùn)行示意圖如圖3所示，控制可移動(dòng)軌道運(yùn)行至位置1處，控制攝影裝置沿可移動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)行并進(jìn)行曝光獲取具有一定航向重疊度的沙盤影像；當(dāng)整條航線的沙盤影像獲取完畢后，控制可移動(dòng)軌道運(yùn)行至位置2處，控制攝影裝置反向運(yùn)行并拍攝該條航線的沙盤影像，獲取具有一定航向重疊度和旁向重疊度的沙盤影像，重復(fù)以上步驟直至影像覆蓋整個(gè)沙盤。

影像獲取流程如圖4所示，接通電源后使軌道初始化，模擬攝影測(cè)量飛行并控制相機(jī)曝光，控制單相機(jī)曝光可以獲取沙盤單片正射影像，控制五鏡頭傾斜相機(jī)曝光可以單攝站獲取沙盤五張傾斜影像，控制云臺(tái)相機(jī)曝光可以單攝站獲取具有不同姿態(tài)角的沙盤影像。

圖4 沙盤影像獲取流程

3.1 控制點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

本文選用國(guó)內(nèi)某高校沙盤模型，沙盤尺寸為7 m×5 m，比例尺為1∶500。沙盤西部以學(xué)校建筑物模型為主，東部以山脈林地模型為主，具有豐富地形地貌，主要包括：建筑物、道路、草地、林地、山脈、水域等。

在沙盤模型上使用反射貼片來(lái)布設(shè)控制點(diǎn)，如圖5所示。反射貼片與沙盤上其他地物反差很大，中心點(diǎn)易于尋找，測(cè)量比較方便，易于識(shí)別，且在空中三角測(cè)量中利于刺點(diǎn)。本文一共布設(shè)12個(gè)控制點(diǎn)，點(diǎn)位分布如圖6所示。在攝影測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn)室中架設(shè)全站儀，以全站儀對(duì)中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)、正北方向?yàn)閄軸、正西方向?yàn)閅軸、垂直平面XOY向上為Z軸建立局部左手坐標(biāo)系，使用全站儀對(duì)點(diǎn)P01-P12進(jìn)行觀測(cè)，得到各點(diǎn)的坐標(biāo)值如表1所示。

圖5 控制點(diǎn)布設(shè)示例

圖6 控制點(diǎn)點(diǎn)位分布圖

3.2 基于單相機(jī)沙盤影像獲取

單相機(jī)攝影裝置采用檢校后的佳能EOS 6D相機(jī)，鏡頭焦距為35 mm，分辨率為5472*3648。將EOS 6D相機(jī)架設(shè)于空中軌道上，接通電源啟動(dòng)電機(jī)，模擬航空攝影測(cè)量飛行并控制相機(jī)進(jìn)行定點(diǎn)曝光，獲取沙盤單片正射影像。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置影像航向重疊80%，旁向重疊60%，相機(jī)飛行4條航帶，每條航帶獲取8張沙盤影像，共32張影像。

3.3 基于五鏡頭傾斜相機(jī)的沙盤影像獲取

五鏡頭傾斜相機(jī)采用索尼QX1相機(jī)，相機(jī)分辨率為5 460*3 632，中間相機(jī)垂直固定，周圍4個(gè)相機(jī)分別以前傾、后傾、左傾、由右傾30°角固定，使得五鏡頭傾斜相機(jī)能夠在同一攝站點(diǎn)獲取5個(gè)不同角度的沙盤影像。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置影像航向重疊80%、旁向重疊60%，五鏡頭傾斜相機(jī)飛行4條航帶，每條航帶8個(gè)攝站點(diǎn)，每個(gè)攝站點(diǎn)獲取5張影像，共獲取160張影像。

3.4 基于云臺(tái)相機(jī)的沙盤影像獲取

云臺(tái)相機(jī)攝影裝置將檢校后的佳能EOS 6D相機(jī)搭載于大疆Ronin-M云臺(tái)上，將相機(jī)調(diào)平后使用遙控器調(diào)節(jié)相機(jī)姿態(tài)角，通過(guò)控制系統(tǒng)控制相機(jī)曝光可以獲得具有不同姿態(tài)角的沙盤影像。本次實(shí)驗(yàn)在同一攝站點(diǎn)獲取3張不同姿態(tài)角的沙盤影像，分別為正射影像、左傾45°影像和右傾45°影像。設(shè)置影像航向重疊80%、旁向重疊60%，云臺(tái)相機(jī)飛行4條航帶，每條航帶8個(gè)攝站點(diǎn)，每個(gè)攝站點(diǎn)獲取3張影像，共獲取96張影像。

4 沙盤影像處理

為了驗(yàn)證3種攝影裝置的可行性，將3種攝影裝置獲取的沙盤影像進(jìn)行空中三角測(cè)量，分析空三精度，然后對(duì)沙盤影像進(jìn)行數(shù)字矢量化采集和三維模型重建，得到沙盤的“4D”產(chǎn)品和三維模型等成果。

空中三角測(cè)量是根據(jù)攝影瞬間的攝影光線來(lái)建立地面點(diǎn)與對(duì)應(yīng)像點(diǎn)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系、像片間的數(shù)學(xué)關(guān)系及航帶間的數(shù)學(xué)關(guān)系[9-10]?？罩腥菧y(cè)量根據(jù)平差模型的區(qū)別主要分為航帶法、獨(dú)立模型法和光束法3種[11]。本文進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將單相機(jī)和云臺(tái)相機(jī)獲取的沙盤正射影像進(jìn)行畸變差糾正后分別導(dǎo)入Geolord-AT自動(dòng)空中三角測(cè)量軟件中進(jìn)行空中三角測(cè)量[12]，流程如圖7所示。

圖7 Geolord-AT空中三角測(cè)量流程

沙盤比例尺為1∶500，使用Geolord-AT對(duì)沙盤影像進(jìn)行空中三角測(cè)量時(shí)，為了能夠成功構(gòu)建航線自由網(wǎng)，需要將控制點(diǎn)坐標(biāo)值放大1000倍，得到的空三結(jié)果默認(rèn)單位為m，將其縮小1 000倍后，如表2所示為定向點(diǎn)與檢查點(diǎn)的空三精度，單位為mm。

表2 Geolord-AT空三精度 mm

將五鏡頭傾斜影像和云臺(tái)相機(jī)的3種姿態(tài)角影像分別導(dǎo)入Smart3D中進(jìn)行空中三角測(cè)量[13-14]，得到兩種沙盤影像的空三精度，如表3所示。

表3 Smart3D空三精度

由表2和表3可以看出單相機(jī)正射影像和五鏡頭傾斜影像的空三精度高于云臺(tái)相機(jī)影像的空三精度。以單相機(jī)正射影像為例，將空三結(jié)果導(dǎo)入JX-4G數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站中進(jìn)行數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量，得到沙盤模型的“4D”產(chǎn)品，如圖8和圖9所示為沙盤模型的DOM和DLG；以五鏡頭傾斜影像為例，在Smart3D中進(jìn)行空中三角測(cè)量，然后進(jìn)行三維模型重建[15]，得到沙盤的三維模型，如圖10所示。

圖8 DOM

圖9 DLG

圖10 三維模型

5 結(jié)束語(yǔ)

攝影測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn)室通過(guò)在沙盤上空架設(shè)軌道的方式來(lái)模擬航空攝影測(cè)量，用具有豐富地形地貌的實(shí)體沙盤來(lái)模擬地球表面形態(tài)，形成一整套航空攝影模擬系統(tǒng)。本文對(duì)攝影測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn)室攝影裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使實(shí)驗(yàn)室空中軌道上可以搭載單相機(jī)、五鏡頭傾斜相機(jī)和云臺(tái)相機(jī)3種攝影裝置，對(duì)3種攝影裝置獲取的沙盤影像進(jìn)行預(yù)處理、空中三角測(cè)量、數(shù)字矢量化采集、三維模型重建后，生成沙盤模型的“4D”產(chǎn)品和三維模型等成果，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)獲取到產(chǎn)品輸出的全過(guò)程攝影測(cè)量模擬。