基高比对摄影测量精度影响的研究

0引言

摄影测量有着悠久的历史,从诞生至今,已经经历了模拟摄影测量、解析摄影测量以及当代的数字摄影测量等发展阶段。数字摄影测量是基于传统的摄影测量,结合计算机技术,从影像中自动提取所摄对象的信息,因主要利用计算机完成影像数据的采集,主要工作在室内完成,减少了室外作业时间,受天气、地势等条件的限制少,且能直观、全面反映所研究物体的真实信息,相比常规测量方法,数字摄影测量具有较明显的优势,从而广泛应用于各领域。精度是数字摄影测量应用过程中人们最为关注的焦点[1—3],是摄影测量的灵魂所在,所以如何更好地把握外界因素对精度造成的影响成为一个至关重要的问题。而影响摄影测量精度的因素很多,基高比就是其中之一,通过研究基高比对精度的影响,可以指导航测设计。

1 理论基础

1.1 研究思路

基高比即摄影基线长度与摄站高度之比,是影响摄影测量精度的因素之一。摄影基线长度是立体像对两相邻摄站间连线的长度,一般由曝光时间间隔来控制。摄站高度是摄影镜头中心在拍摄瞬间与地面的垂直距离。基高比决定相邻影像在航向上的重叠度,重叠度越大,构成立体模型时其高程方向的比例尺夸大越不明显,立体效果越差,对高程值的获取影响越大。

本文以全站仪采集的标志点坐标值作为标准值,使用数字摄影测量平台采集基高比不同的像对的标志点坐标,并与全站仪采集的坐标值进行比较,分析差值的规律,从而得出基高比对摄影测量精度的影响规律。

1.2 方案设计

试验采用坐标系如图1所示,其中Y方向为拍摄方向,A、B为控制点,P为其中一个待定的标志点。采用苏州一光OTS622L全站仪分别在A、B两个测站上测定标志点的三维坐标,A、B测站均采用测回法观测后取平均值,以A、B测站的平均值作为最终各标志点的坐标值。

摄影使用佳能5D Mark Ⅱ数码相机(已检校),基本参数如下:2110万像素,6.4μm像元大小,像幅尺 寸5 616×3 744,固定焦距51.8 mm。在预先设定的位 置对目标区域进行拍摄(拍摄位置分布如图2所示),并组成相应的像对。相应像对的基高比设计值如表1所示。

表1中像对B-B'与像对I-I'基高比设计值相同,用于检验。

此时重叠度最小的像对即C-C'的重叠度P接近60%:

P_C-C'=[(13.87-6)/13.87]× 100%≈56.74%

2数据采集与分析

2.1标准值采集

试验场地选取一个约60 m× 14m的边坡,边坡呈三级台阶状,形成了不同平面上的3层次立体结构(图3)。场地开阔,区域内共布设50个标志点,均匀分布在大体平行的5个层面上[4] (图4)。标志点的选取不仅影响全站仪外业坐标的采集,而且影响标志点影像坐标的量测,本次试验使用的标志点为半径60mm的白色圆形加上半径40mm的黑色圆,中间放有20mm× 20 mm的正方形反射片,标志点清晰、醒目。标志点坐标标准值测量采用极坐标法,高程采用三角高程测量。根据设计的坐标系,布设好A、B两个控制点并假设相应的坐标值,用测回法在A、B测站分别依次测量并保存各标志点坐标。标志点坐标全站仪外业测量精度采用中误差进行分析,结果为:mx=1.2mm,my=1.4 mm,mz=0.9 mm。

2.2 像对采集

为确保所拍摄的同一组像对的影像焦距相同,本试验所使用的相机焦距已固定,试验中使用正直摄影方式,即摄影瞬间相机物镜主光轴近似与试验场垂直,主光轴在曝光时会有微小的倾斜,按规定要求像片倾角应小于3°。为了便于立体测图,要求像片间有一定的重叠,重叠部分与整个像幅长的百分比称为重叠度,一般要求在60%以上。

⨍/H=l/L

式中:⨍表示相机的焦距;H表示拍摄距离;l表示像幅横向尺寸,即3 744;L表示像片对应的实地长度。

由上式可知:当H=20 m时,L=14.38 m;当H=25 m 时,L=17.97m;当H=30m时,L=21.56m;当H=35m时,L=25.16 m。因此,试验在距离边坡为20、25m处各选择3个像对拍摄点,像对间距离间隔均为1 m;在距离边坡为30、35 m处各选择4个像对拍摄点,像对间距离间隔仍为1 m。

2.3解算与数据分析

本试验中的内业操作流程如图5所示。

通过数字摄影测量工作站对采集的14个像对进行数据提取,所得的不同基高比的精度如表2所示,精度随基高比的变化趋势如图6所示。

由图6可看出,在一定范围内,随着基高比的增大,摄影测量精度逐渐上升,且对Y方向的影响显著,即对摄影方向的坐标值影响较大。

3 结束语

作为非量测数码相机,要应用于测绘工作,必须有较高的精度。而要保证精度,首先就应该对影响精度的因素有较清楚的认识,基高比的选取将影响摄影测量最终的精度。本文通过自己建立野外摄影测量场,以全站仪采集的标志点坐标值作为理论值,使用数字摄影测量平台采集基高比不同的像对的标志点坐标,并与全站仪采集的坐标值进行比较,分析差值,从而得出基高比对摄影测量精度的影响规律。通过研究基高比对摄影测量精度的影响,有如下结论:

1)基高比对摄影方向上的坐标值影响较大,通常即指高程。

2)在一定范围内,随着基高比的增大,摄影测量精度逐渐上升。

此外,通过本次研究可知:

1)应用普通数码相机进行近景摄影测量能达到一定的精度,本方法完全可以应用于近距离的地形测绘、数字地面模型的建立以及较低精度的工程变形观测。

2)应尽可能采用正像摄影,在允许范围内增加摄影基线长度,对摄影方向精度的提高效果很明显。

3)采用普通数码相机进行近景摄影测量成本低、工作量小、简便易行,并能实现多个观测点同时测定,在一定的精度范围内,这种作业方式具有较高的应用推广价值[5]。

但本文的研究也存在一些不足,例如由于试验场地受限,本文研究中的基高比比值均较小,即所有像对的基线长与摄影距离的差值较大;缺乏对基高比大于1/2的像对的精度影响的研究等。将来可从这些方面着手深化研究,从而进一步提升摄影测量的精度。

[参考文献]

[1]王之卓.摄影测量原理[M].北京:测绘出版社,1979.

[2]张剑清,潘励,王树根.摄影测量学[M].2版.武汉:武汉大学出版社,2010.

[3] 王树根.摄影测量原理与应用[M].武汉:武汉大学出版 社,2009.

[4] 张慧鑫,李非栗,雷巨光.基于普通数码相机的近景摄影测量方法与精度的试验研究[J].北京测绘,2008 (4):4—7.

[5]李能.多基线普通数码相机近景摄影测量精度研究[D].昆明:昆明理工大学,2013.

2024年第23期第20篇