多功能测绘模拟实验系统摄影装置的设计与应用

贾周云，张献伟，熊 强，王春祥，胡倩伟

(1.陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000; 2.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023; 3.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454001;4.河南测绘职业学院，河南 郑州 450000; 5.北京四维远见信息技术有限公司，北京 100070)

在摄影测量课程实习过程中，由于航飞成本高、风险大和教学实践场地有限等因素，学生一般无法获取影像数据，基本上是进行一些航空摄影测量数据后处理实习，导致学生缺乏摄影测量全流程的实践操作，对航测作业的数据获取和数据处理没有一个完整认识，不利于学生将摄影测量的理论和实践相结合[1-2]。为了让学生深入理解摄影测量的原理和生产流程，北京四维远见信息技术有限公司联合国内部分高校，结合实际摄影测量生产流程，研发了测绘模拟实验系统[3-4]，可以模拟摄影测量的全部生产流程，通过配套软件可以生成沙盘的“4D”产品，成果精度可以满足摄影测量规范要求[5-7]。通过不断完善，该模拟实验系统具有多功能的特性，可以搭载单相机模拟航空摄影测量、搭载五镜头倾斜相机模拟倾斜摄影测量、搭载云台模拟航空摄影测量和倾斜摄影测量，而且在沙盘中可以进行控制测量、地籍测量和地形图绘制等模拟野外地形测量[8-9]。

1 多功能测绘模拟实验系统简介

多功能测绘模拟实验系统主要由地面部分和空中部分构成，图1为实验系统整体布局图，在沙盘上方安装空中轨道，将摄影装置安装在空中轨道上，通过控制系统控制移动平台和摄影装置运行并使摄影装置拍摄沙盘影像，由投影仪实时显示影像并检查影像的质量及重叠度，然后通过配套软硬件处理数据，模拟出测绘成果产品。

1.1 地面部分

地面部分主要由模拟沙盘、计算机和投影仪构成。沙盘是该实验系统的重要组成部分，具有丰富的地形地貌且人工踩踏不变形；将拍摄的沙盘影像导入计算机中，通过配套软件处理，即可生产出该沙盘的三维模型和“4D”产品等成果数据；投影仪用来实时显示影像、检查影像的质量和调节相机感光度、光圈大小、曝光时间等参数；佩戴立体眼镜可以通过投影仪观看沙盘的三维模型。

1.2 空中部分

空中部分由移动平台、摄影装置和控制装置构成。

1)移动平台主要由“工”形轨道、步进电机和滑块构成：“工”形轨道的设计如图2所示，由两平行固定轨道和一可移动轨道构成，可移动轨道垂直于两平行固定轨道。

2)摄影装置安装于可移动轨道的滑块上，随滑块运行并拍摄沙盘影像。

3)控制装置主要用来控制步进电机转动、影像实时传输和相机曝光。

图2 “工”型轨道

2 摄影装置的设计

多功能测绘模拟实验系统的摄影装置有单相机、五镜头倾斜相机和云台+单相机3种模式，图3为摄影装置的整体结构，可移动轨道垂直于两平行固定轨道，滑块安装在可移动轨道上，摄影装置与滑块连接，通过步进电机驱动可移动轨道和滑块运行，摄影装置沿可移动轨道运行可以拍摄具有一定航向重叠度的沙盘影像，可移动轨道沿两平行轨道运行时摄影装置可以拍摄具有一定旁向重叠度的沙盘影像，实现模拟室外航空摄影测量，使该模拟实验系统系统具有可行性。

图3 摄影装置整体设计

图4为3种摄影装置的成果图，将单相机进行外框加固，五镜头倾斜相机和云台均通过条形钢板与滑块连接。

3 多功能测绘模拟实验系统摄影装置应用

通过控制系统驱动摄影装置和可移动轨道，使摄影装置能够在空中轨道上横向与纵向运行并获取沙盘影像，将沙盘影像进行质量检查和畸变差纠正等初期处理后进行空中三角测量，对空三结果进行数据采集和三维建模可以得到沙盘的“4D”产品、三维模型等成果，数据获取及处理流程如图5所示。

3.1 单相机摄影装置的应用

使用单相机摄影装置时采用的沙盘模型尺寸为7 m×5 m，比例尺为1∶320；采用佳能EOS 6D相机，对相机进行检校后拍摄沙盘影像，设置影像航向重叠60%，旁向重叠35%；相机相对航高3 m，感光度320，分辨率5 472像素×3 648像素；在沙盘上特征比较明显的区域布设反射贴片作为控制点和检查点，用全站仪测量控制点和检查点坐标。

图4 3种摄影装置

图5 数据获取及处理流程

对原始影像进行初期处理、空中三角测量、全数字摄影测量工作站中进行数据采集后可以得到沙盘模型的“4D”产品：正射影像图(DOM)，数值线划图(DLG)，数字高程模型(DEM)和数字删格地图(DRG)。图6为沙盘模型部分区域的DOM和DLG。

3.2 五镜头倾斜相机摄影装置的应用

使用五镜头倾斜相机时采用的沙盘模型比列尺为1∶300，尺寸为8 m×6 m；使用索尼QX1相机，相机分辨率为5 460像素×3 632像素；设置航向重叠度80%，旁向重叠度60%，相对行高为3 m，每条航线的一个镜头像片数目为15，共13条航线、975张测区影像。

将原始影像导入Smart3D中进行空中三角测量，然后进行三维模型重建，得到沙盘的三维模型[10-12]，图7为沙盘的三维模型和点云模型。

图6 沙盘部分区域DOM和DLG

3.3 云台+单相机摄影装置的应用

使用云台+单相机摄影装置时采用的沙盘模型比列尺为1∶240，尺寸为5 m×7 m；采用大疆 Ronin-M云台，云台上搭载检校后的佳能EOS 6D相机，将相机调平后使用遥控器调节相机姿态角，通过控制系统控制相机曝光可以获得具有不同姿态角的沙盘影像。

调节相机姿态角，使相机镜头垂直向下拍摄沙盘影像，设置航向重叠度为80%，旁向重叠度为60%，将获取的影像进行初期处理后进行空中三角测量，然后在全数字摄影测量工作站中进行数据采集，可以得到沙盘的“4D”产品，图8为沙盘的正射影像图；调整相机姿态角，获取具有不同倾斜角度的沙盘影像，将影像导入Smart3D中进行三维模型重建后可以生成沙盘的三维模型，图9为沙盘的三维模型。

图8 沙盘正射影像图

4 结束语

多功能测绘模拟实验系统通过搭载云台的方式有效地实现了传统摄影测量与倾斜摄影测量功能，与常规的倾斜摄影测量相机相比，云台能够减少相机的使用量，节约了实验成本，但是与常规的倾斜相机相比，云台的拍摄角度不稳定，相同位置所拍摄照片的倾斜角度很难确保在同一角度，与实际生产有所不同。

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