工业级航测相机在河道带状地形的测试分析

张巧巧

（遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563000）

1 引言

水利基础建设的各个领域中，无人机航测已得到了广泛的运用，技术日趋成熟，是获取实时高分辨率影像数据和大比例尺地形图数据的重要手段，有效助力于水库建设、管线铺设、河道治理等水利项目。由于贵州水利项目多山地地形，三维建模裸眼测图技术根本不适用于植被茂盛和地形起伏多等高线的地区，测图基本以立体模型采集为主。当前无人机都是搭载普通的消费级微单相机进行作业，该类相机存在的镜头畸变大、易跑焦等缺陷，会导致影像畸变剔除不彻底，立体模型精度差等问题。为保证立体测图的精度，需要利用多余的航带进行约束，并且需要参照大量的检查点进行测图，所以不管测区是面状或者带状，都按照面状进行航飞作业，大幅度增加了内外业工作量。

航测工业级相机如哈苏、飞思等其实早已运用于摄影测量领域，只是早期该类相机由于重量过大，基本都是载人飞机或者中大型无人机搭载。但是现在已有适用于普通无人机的产品，其具有的像幅大、照片清晰度高、镜头畸变可剔除等优点，且航测工业级相机具有牢固的结构，可满足高强度长期使用需求，可拆卸部件采用防松动的紧固措施，高度可靠，可完全用于各种航测作业。本文旨在结合河道带状地形采用两条航带少像控点对航测工业级相机进行作业测试分析。

2 项目应用

2.1 项目概况

测试项目位于贵州省遵义市新浦区三坝河河道治理工程，河道中心线长1.78 km，地势平坦，实验目标精度为河道带状1 ∶1000 地形图立体采集要求。范围为：东西107°1'30.13"-107°2'7.70"，南北27°40'56.06"-27°41'35.37"。航线布设方向与河道走向一致，左右岸各一条航带分布，航飞区域可覆盖直线长1.35 km，宽0.4 km。飞行1 个架次获取了66 张影像，并且在测区内设置了河道首尾2 个辅助空三解算控制点和13 个平高检查点，测区情况见图1。

2.2 作业规划

测试设备采用四旋翼无人机搭载工业级航测相机iXM-100MP（焦距35 mm，像素1 亿，采用的是索尼1 亿像素背照式中画幅传感器IMX461（43.9 mm×32.9 mm），可提供83dB动态范围，ISO 50-6400，每秒3 张连拍），并配套GPS 高精度后差分模块一体作业，可直接获取照片的线元素坐标，可以辅助免像控或者少像控航测内业解算和测图。航线航高设置350 m，地面分辨率4 cm。

iXM-100MP 是首款搭载1 亿像素的44 mm×33 mm 中画幅CMOS 相机，为了此款航拍相机，飞思推出了全新的Phase One RSM卡口，以满足航拍相机对体积和重量的控制要求。此款航测相机主要亮点可归纳如下：①1 亿像素传感器；②更长的作业时间；③轻盈的机身大小；④工业级机身与航空镜头，适用于严苛的工作环境；⑤全面支持无人机应用；⑥按路径点/固定基线/等时间隔智能触发相机；⑦支持带路径点的飞行设计应用。

通过工业级航测相机的使用，可捕捉高分辨率图像，扩大单次飞行的覆盖面积，为专业人员提供无限的航拍数据，有利于简化测绘流程，节省相关的测绘时间、资金和人力。

2.3 影像清晰度

影像数据的质量直接决定内业处理的精度，分辨率越高，清晰度越高，那么对应的解算结果精度就越高。普通消费级的微单相机在作业中很难对准焦，且易跑焦，就会导致影像数据不清晰，地物模糊的现象。然而工业级的航测相机获取的影像清晰度高，影像边缘也不会出现模糊，跑焦的情况，见图2～图3。

图2 专业相机（地物清晰）

图3 普通相机（地物模糊）

2.4 少像控作业

目前高精度差分技术已广泛运用于各类无人机航测系统，可直接获取线元素坐标，甚至角元素数据，但是由于搭载的是普通微单相机，畸变不好处理，基本只能实现少像控正射影像的生产和三维模型数据生产，因为这两类数据不完全依赖于立体模型精度，处理软件的计算机视觉算法等技术可以弥补高程精度的不足。但是基于立体采集的航测作业，该类微单相机尽管可以减少空三解算的像控点数量，但是不能解决模型接边的问题，即不能减少立体采集参考检查点的数量。因为需要依赖检查点筛选精度更可靠的模型进行采集，所以基本没有减少外业像控的工作量，也没有减少内业采集的工作量，只是减少了空三刺点的数量。航测工业级相机理论上是可以实现少像控立体采集作业，该类相机镜头影像清晰，畸变稳定可剔除，立体模型精度好，无接边误差，不依赖检查点进行立体模型筛选，所以可以大量减少外业像控点数量，也可以减少内业立体筛选的时间提高工作效率。

2.5 相机畸变参数

数字摄影测量相机在进行作业时，由于畸变的存在，使像点偏离原有的成像位置，物方的位置关系在像方得不到正确的映射，降低了摄影测量成果的质量和精度［4]。航测作业相机需要检校的参数主要包括相机主距f，像主点偏移x0、y0，径向畸变参数k1、k2、k3，切向畸变参数p1、p2。径向畸变即对称畸变在以像主点为中心的辐射线上，辐射距离相等的点，畸变相等；切向畸变即非对称畸变是因物镜各组合透镜不同心所引起，其畸变大小一般是对称畸变的1/3。普通相机畸变去除不彻底，就会导致立体模型精度差，地形有起伏，模型接边误差大等现象。

2.6 处理流程

本次测试由于拥有高精度poss 数据，所以只用该河道首尾两个控制点结合poss 数据进行联合平差处理，实现少像控航测作业，通过空三解算，最终采用空三报告精度和立体采集精度进行评定，流程见图4。

图4 航测数据处理流程

3 检查点误差统计与精度分析

3.1 规范要求

根据《GBT 23236-2009 数字航空摄影测量 空中三角测量规范》要求：由于该河道地形起伏不大，视为平地，规范要求成图比例尺1∶1000 地形为平地，基本定向点平面位置中误差平面0.3 m，高程中误差0.2 m。通常实际航测作业平地或者山地空三精度控制均在0.2 m 左右，中误差越小，越能保证立体采集的精度。

检查点的平面中误差、高程中误差分别按以下公式计算：

式中：m1为检查点中误差，m；Δ 为检查点野外实测值与解算值得误差，m；n 为参与评定精度得检查点数。

3.2 空三报告

如图1、表1 所示，图上两个控制点x4、x11 类型为CONTROL 和高精度poss 联合进行空三平差，其余CHECK 的点均是检查点，只参与精度检查。表中精度显示完全满足1∶1000 控制点及检查点精度要求，中误差5 cm 左右，实际达到了测量规范成图1∶500 的精度。由于水利项目地形图可直接用于设计及施工，所以对航测精度提出了更高的要求，并且立体采集基本也达不到软件解算的理论精度，立体采集精度基本是定向控制点中误差2 倍左右。

表1 空三报告中控制点及检查点精度 单位：m

3.3 立体采集

如表2 所示，导出空三成果组建立体模型，在立体采集检查点坐标高程进行对比，结果显示高程中误差8 cm，并且两条航带精度良好，立体环境下没有出现模型地形起伏、模型视差、模型接边误差等问题，每个模型均可立体采集。

表2 立体采集检查点高程与实测误差 单位：m

4 结语

本文结合河道带状地形采用两条航带少像控点进行作业测试分析，结果显示工业级航测相机完全可以满足该河道带状1∶1000 地形图立体采集要求，模型精度好，基本没有视差、没有地形起伏、没有模型接边误差等，可大幅减少外业像控点及检查点数量，有效提高内业立体采集速度和精度。工业级航测相机提供的高质量影像数据让大面积或者更长带状地形的测区进行少像控点航测立体采集作业成为可能。但是该试验也存在很多不足之处，如：对于地形起伏大的山地还没有进行作业测试；该测试结果是否适用于大面积或者更长带状地形仍需进行作业测试。