数字航测相机的实验室检定与摄影检校

邹勇平,缪 剑

(西安 61363部队,陕西西安 710054)

数字航测相机的实验室检定与摄影检校

邹勇平,缪 剑

(西安 61363部队,陕西西安 710054)

介绍数字航测相机检定的原理,以及国内外实验室检定和飞行检校的概况,对比分析两者的关系,提出了数字航测相机检定的建设思路。

数字航测相机;内方位元素与畸变;实验室检定;飞行检校

一、前 言

严格检定相机参数,正确恢复摄影光束,消除影像畸变,才可达到利用航摄影像完成测量的目的,因而对相机进行严格的检定是摄影测量的关键。胶片相机检定都是以实验室的检定仪器采用精密测角法得到内方位元素和畸变,此项工作在技术能力、测量装备、计量标准等方面都已经成熟规范。随着数字航测相机的广泛应用,其检定已成为必须解决的问题。数字相机的检定和传统相机的检定有很大不同,传统相机检校主要针对物镜,而数字相机必须作为光机电整体来对待,不仅需要更高精度的几何检定,还需要对光谱和辐射量进行检定。

二、数字航测相机检定概述

数字相机的几何量误差,包括光学误差、机械误差和电学误差。光学误差主要是指光学畸变误差,是指相机物镜系统制作、装配引起的像点偏离其理论位置点位的误差,可分为径向畸变差、偏心畸变差和共面畸变差。机械误差是指从光学镜头摄取的影像转化为数字化阵列影像产生的误差,主要由扫描阵列不平行于光学影像或阵列元素尺寸和排列不同而产生变形。电学误差主要包括行同步误差、场同步误差和采样误差。以ADS40相机为例,图 1所示为由畸变造成的影像失真;图 2所示为单波段的 12 000个CCD像元理论位置、实际位置和检校位置的偏差。

图1 畸变造成的CCD实际焦平面失真

图2 CCD单线阵列像元安置误差

相机检定的目的就是确定相机的内方位元素和影响像点成像质量的各系统误差系数,式(1)就是一种系统误差的数学模型。检定中通过一系列像点的观测,能够得到一个数据的集合,进而解算该模型的未知参数,最后拟合出图2所示的 CCD阵列位置。

式中,x、y是像点在像平面坐标系中的坐标;x0、y0为像主点坐标;

二、数字航测相机的实验室检定

1.国外数字航测相机的实验室检定

在研制过程中对数字航测相机进行检定是必不可缺少的。以ADS系列线阵数字相机为例,在徕卡公司和德国宇航中心都有检定的仪器。其中德国宇航中心的检定仪器属于科学级,通用性强、精度高。徕卡公司的检定仪器比较经济,借鉴意义强。徕卡的检定仪器用途是：在生产过程中测试镜头和在系统定标中完成相机整体的最后检定。ADS40的几何校准所用仪器为垂直测角编码器(CVG),图 3所示是其光路示意图,它是由检测胶片相机镜头的测角器改装而成,全自动化的测量程序将结果直接导入系统数据库。测量时将镜头的入瞳与测角器的旋转轴调整重合,在旋转轴内由一个辅助光路把一个小的电码图影像到无穷远,被测的ADS镜头重调焦距使电码图聚焦在数字传感器上,旋转轴沿着 CCD基线做一个场 (X)扫描。为了确定基线外的像素,还需要在垂直方向移动的镜向(Y)扫描。从旋转的角度和扫描读数得到所需数据。电码图由一串随机安排的在两个正交方向上3μm宽的黑白刻线组成,这是增强线阵 CCD对目标定位精度的手段之一。

图3 垂直测角编码器(CVG)的光路示意图

面阵相机的检定类似与传统胶片相机,相对而言较容易实现,以 DMC为例,检定包括两个阶段：①先在检定台上检定相机的每一个单镜头参数和单镜头的倾角方位;②测量组合在一起的多个镜头的相对方位,依靠试飞取得的检定图像通过参数计算得到。每一台相机都要在标定好 33个控制点的试验场上试飞,通过比较空中三角测量的解算精度对检定方法进行评估。DMC检定在耶拿和上科亨的厂区有不同的仪器,耶拿的检定台是专门为DMC相机镜头检定建立的两维高精度转台,上科亨使用的是装有瞄准器的光具座和测角仪,是由胶片相机检定仪改制而成,这与笔者现有仪器相似,易于实现,借鉴意义较强。不过新仪器采用了更高对比度的圆形目标和新算法,将识别精度提高到 1/25像素,经过研究笔者认为基于插值和非线性加权的质心算法可以达到这一精度。

2.数字相机检定仪研制的初步方案

在国内,航空面阵和航天三线阵相机的实验室检定都有研究,笔者检定仪研制的初步思路是：将被检测的航摄相机固定在一个可以绕相机的光轴旋转的转台之上。用相机下方的目标平行光管模拟无穷远的目标成像于 CCD焦平面。通过转臂旋转,使目标像点在CCD探测平面上以像主点为圆心沿直径方向作径向移动。转台和转臂的旋转就能使像点在 CCD像面上产生米字形分布,用高精度的测角编码器测量并输出转动的精确角度(如图 4所示)。

图4 数字相机检定仪结构设计示意图

系统同时采集、记录CCD的图像数据和和测角编码器的角度数据。通过对 CCD焦平面不同分布像点的测量,应用相关算法,便能够解算笔者需要的相机参数,实现对数字航摄相机的几何量检定。图 4所示为系统结构示意图。当然,其中对高精度目标像的定位、高精度的回转轴系和光电轴角编码器、几何校准的算法和系统误差模型、系统与被测进口相机的数据接口、自动控制软件及检校软件以及对于线阵数字航摄相机的编码目标等都需要做深入的研究。

三、数字航测相机的摄影检校

在国内,摄影检校以摄影方式区分主要有：室内、室外近景及航摄三类。对应的检定场即室内检定场、室外近景式检定场及动态航摄地面检定场,理论上后两种适合于量测型数字相机。基于室内外检定场的校准基本都是事先标定好试验场标志点,再利用共线方程、直接线性变换、空间后方交会等原理解算内方位元素。

1.国外数字航测相机的摄影检校

在国外,徕卡的 LPS或法国 Infoterra公司的像素工厂都可以采用自检校光束法平差原理通过严格的飞行检校完成摄影检校,不需要标定物,仅仅依靠多幅图像对应点之间的关系就可以检校出相机的内方位元素、CCD像元误差以及 IMU安置误差。自检校光束法平差的基本思想就是,在通常的光束法误差方程式中,增加由待定参数组成的若干项来抵偿系统误差的影响,这些附加的待定参数在平差过程中与其他未知参数一起同时解算出来,所以也可称为附加参数的光束法平差。像点坐标系统误差δx、δy随像点在焦平面上的位置而改变,规律较复杂,但是其变化是连续的,通常是使用像点坐标的多项式(2)来逼近

式中,多项式的系数 a0、a1、a2、b0、b1、b2即所谓的附加参数,它们在整体平差的过程中与其他参数一起解算。像素工厂ADS40相机检校模块在计算像元排列误差时,先在光束法平差过程求出一次项多项式系数a0、a1、b0、b1,然后再根据像点残差拟合出高阶多项式系数,反复迭代逼近实际像元位置坐标。

由于自检校仅要建立图像对应点,标定方法灵活性强,但是最大的不足在于其算法的鲁棒性差,即要求完美的飞行和理想的影像数据。该类模块在以下几个方面是需要作深入研究的:相机镜头光学成像的严密数学模型;线阵 CCD像元扫描图像几何纠正的数学模型; IMU误差补偿数学模型;快速空三、光束法平差算法;原始图像增强;整航带影像匹配和大量连接点的自动生成。

2. IM U的检校问题

对于 ADS系列线阵相机,还有 IMU的检校问题。 IMU一般与航摄仪安装时要求各轴方向一致。但实际上二者各轴指向间不可避免地存在着角度差,即偏心角,必须采用飞行检校的方法来确定。即在一个有足够数量和精度控制点的区域检校飞行,用传统空三方法计算出每张像片的外方位元素,再通过与 POS测量获得的位置和姿态数据进行计算来求得偏心角的最佳估计值。

四、数字航测相机实验室检定与试验场检校的关系

1.实验室检定与飞行检校的区别

1)内容比较。实验室检定可以涵盖几何、光度、色度三个方面。几何校准是为了消除镜头的光学畸变误差、像素排列的机械误差、光电信号转化的电学误差,校准内容包括内方位元素即主点、主距、单个像素的二维几何坐标、光学传递函数(OTF)和调制传递函数 (MTF)。光度学辐射校准的目标是消除像素响应非均匀性,校准内容包括缺陷像素、单个像素的感光灵敏度、渐晕效应和光圈的影响。色度学校准目的是测量单个像素光谱敏感度。飞行检校仅可以完成几何校准。

2)作用比较。实验室检定是基础,是最原始最物理的检定,所有检定数据是要安置在相机内部;而飞行检校最初是为了验证最后测量精度而设置的,随着自检校技术的发展,飞行检校也可以完成畸变的检校工作,其检校文件是用于测图时脱机校正,应该说其影响小于实验室检定。这也是二者区分用词为检定和检校的原因,实验室检定结果可以是法定计量证书,决定相机是否合格。而飞行检校侧重于精度验证。

3)精度比较。实验室检定的不确定度是可控的,换句话说精度更高。因为实验室的环境可控,检定标准可溯源,可以用计量的体系要求全面控制,这对数字相机在各个行业的推广也是很有帮助得;而飞行检校诸多因素都难以人为控制,精度不好把握,成本高,不易进行计量认可。

飞行检校的优势：① IMU安置误差只能依靠飞行检校来完成;②最终测图精度可以利用飞行检校得到验证。所以实验室检定与飞行检校功能有重叠各有侧重但是不能相互替代。实验室检定是飞行检校的基础,虽然现阶段飞行检校在某些参数上可以代替实验室检校,但是从长远看实验室检定是无法替代的。

2.飞行检校场对数字相机检定的意义与作用

要进行飞行检校,有一种观点认为飞行检校场是必不可少的关键因素。但是飞行检校场的建设并非飞行检校的充分条件,甚至也不是必要条件。飞行检校的关键技术在于检校软件,有了检校场,没有相应的检校软件,还是无法完成检校工作,另一方面对于徕卡的 LPS或是 Infoterra的像素工厂,其相机检校模块并不需要专门的检校场,而只要按照双高度、双十字对飞的要求进行检校飞行,当然有地面控制点的检校场就具有精度验证的作用。

现阶段,对于国内自行研制的数字相机以及检校方法而言,检校场的建设是关键,特别是检校场标志点精度是影响检校精度的主要因素之一。

[1] 李月锋,邹勇平,译.LH系统的 ADS40航空数码摄影相机的校准[J].测绘技术装备,2006,8(3)：41-44.

Laboratory Calibration and Photographic Calibration of the D igital A irborneMapping Camera

ZOU Yongping,M IAO Jian

0494-0911(2010)12-0004-03

P246

B

2010-07-20

邹勇平(1972—),男,陕西西安人,硕士,工程师,研究方向为数字航测相机的维护、维修与检定。