偏振镜在无人机航摄中使用的可行性分析

聂 飞 徐贵兴 郑勤华

（江西省煤田地质局测绘大队 江西南昌 330001）

偏振镜在无人机航摄中使用的可行性分析

聂 飞 徐贵兴 郑勤华

（江西省煤田地质局测绘大队 江西南昌 330001）

航空摄影测量影像中的光斑使地物轮廓不清晰且不易辨别，给影像的美观度和后期图像解译带来了不小的影响，是否可以在无人机航摄中增加偏振镜，利用偏振镜对光线的偏振过滤作用来消除偏振光对镜面地物的影响？文中从技术、安全以及应用等方面对偏振镜在无人机航摄中使用的可行性进行深入的分析和研究。

偏振镜；无人机航摄；可见光偏振遥感

1 引言

在航空摄影测量影像中经常看到路面、屋顶或者水面等表面易反光的物体在影像中形成光斑，致使物体轮廓不清晰且不易辨别，给影像的美观度和后期图像解译带来了不小的影响。光斑不同于影像的畸变、色偏、对比度等因子，不能后期通过影像处理软件来解决或减轻，其只能是事前干预。光斑是由于光滑物体表面的反射光线而产生的一种 “镜面效应”现象，如何消除或减弱光滑物体表面的“镜面效应”？摄影师在拍摄水面景物、玻璃墙面等非金属表面通常使用偏振镜来消除物体表面的反光，在无人机航摄中是否也可以使用偏振镜来消除航摄影像中的光斑？

2 选题背景

偏振遥感目前属于遥感应用中的一个新的研究方向，并具有很大的应用和发展潜力，国外很多大学和研究机构都在从事这方面的研究和探索。在自然界中，地表或大气中的目标地物，在反射、散射和透射电磁辐射的过程中，会产生由它们自身性质决定的偏振特征。在理解偏振遥感的基础上，本文从自然光的偏振特性以及“镜面效应”产生的原因出发，利用偏振镜对自然光线进行可见光偏振过滤，最大限度的消除偏振光对镜面地物的影响。非镜面地物也可以获取不同偏振角的图像信息，这些图像信息为航摄提供了新的数据来源。对于航测中“镜面效应”的研究以及消除方法的研究相关的文章不多，解决办法也只是停留在增加航向和旁向重叠度以及避免高太阳位置拍摄。本文从技术、安全以及应用等方面对偏振镜在无人机航摄中的可行性进行深入的分析和研究，试图通过偏振镜的使用，为航摄遥感中“镜面效应”以及图像质量的提高寻找新的解决方案。

3 可行性分析

3.1 偏振镜的作用

在户外风光摄影中，偏振镜的使用几乎和UV镜一样普遍，且使用非常简单，它可以让照片看起来更加通透，色彩更加鲜亮，它还能够压暗天空，消除反光，在拍摄水流和玻璃的时候非常有用。我们知道，光线经过不同折射率的介质界面上会发生反射和折射。光线通过不同的介质，当反射光线与折射光线成直角时，反射光线将是线偏振光，这就是有名的布儒斯特原理，此时的入射角就称为布儒斯特角。当入射角偏离布儒斯特角时，反射光将是部分偏振光。影像中的光斑正是由于物体表面的反射光中的部分偏振光（或线偏振光）造成的,偏振镜能够对物体表面的反射光起到消光作用（如图1所示）。偏振镜一般分为线偏振镜和圆偏振镜，它们作用没有本质的区别，只是线偏振镜会导致单反相机AE不准和AF失效，所以单反一般使用圆偏振镜。

图1 偏振镜对光线的偏光作用

3.2 无人机技术已日趋成熟

无人机、数码相机以及无线遥控技术的发展，使无人机航摄系统日趋完善和成熟，特别是其系统部件的民用化，使得无人机航摄系统成本大幅降低。在影像获取方面具有机动灵活、使用成本低、图像分辨率高和数据定位精度高等特点，适用于中小面积、大比例尺、工作周期短的快速航测影像获取，被不少测绘公司所青睐。目前应用于无人机的数码相机主要有索尼A900、佳能5D－Ⅱ、佳能 5D－Ⅲ及尼康D800，在此基础上，只需根据无人机航摄相机参数购置配套的偏振镜。

3.3 增加偏振镜不影响现有的无人机航测系统安全

无人机的载重负荷有限，一般要求数码相机总重量（包括机身、镜头、电池及存储卡重量）不超过2000g。以前面介绍的四种数码相机中最重的佳能EOS5DMarkIII为例，其的总质量为950g，偏振镜一般都不超过50g,如nisiCPL77mm重为32.1g,B+ WCPL77mm重为42g,偏振镜的加入对无人机的载重负荷影响不大，也不会改数码相机的结构和形状。在成像方面，偏振镜会减少镜头的进光量，为保证曝光量，可相应增加快门速度。可以预见，增加偏振镜不影响现有的无人机航测系统安全。

3.4 使用偏振镜利于改善航摄影像质量和丰富航摄影像数量来源

在无人机航摄系统中使用偏振镜，在不同偏振角度下进行航摄影像获取，利用偏振镜对自然光线进行偏振过滤，消除或减少航摄影像中“镜面效应”“太阳热点”等影响，为航摄影像质量的提高以及影像成图提供更高质量影像；研究同时也可以获取多角度（0°、30°、60°、90°或其他角度）可见光偏振影像，为航摄影像解译提供了新的数据来源，丰富了无人机航摄影像的种类。

4 总结与展望

光线是可见光遥感的基础，本文根据光线的偏振特点，将光学工程与无人机航摄紧密集合，从技术、安全以及应用等方面对偏振镜在无人机航摄中使用的可行性进行深入的分析和研究，为可见光偏振遥感探索了新的方法。“偏振镜在无人机航摄中使用的可行性研究”只是进行可见光偏振遥感的基础，在此基础上可开展偏振镜偏振角、被摄目标与太阳夹角以及航向三者之间位置关系，如何设置最佳的偏振角来消除或减弱“镜面效应”，偏振影像与普通影像成像对比等研究，这些都是需要进一步研究的内容。此外，还可以扩展到可见光偏振遥感影像的利用研究等其他方面。

［1］蔡俊良．太阳位置对航摄影象质量的影响．《测绘科技》［J］．1992(2)．

［2］王昱等．数字遥感影像质量评价方法的研究．《解放军测绘研究所学报》［J］．2002(4)．

［3］张朝阳等．偏振遥感的研究现状及发展趋势．《激光与红外》［J］．2007(12)．

［4］陈立刚等．航空偏振相机的光学偏振特性实验研究．《光电子．激光》［J］.2011(11)．

［5］董汉钱等．基于偏振特征的目标检测．《武汉大学学报(理学版)》［J］．2006,52(S1)．

［6］吴正鹏等．无人机低空遥感系统传感器选型研究．《城市勘测》［J］．2013(5)．

［7］《无人机航摄系统技术要求》．CH/T3002-2010．