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如何优化设计无人机倾斜摄影技术设计

来源:三维前沿    查看次数:    发表时间:2020-08-11 10:04:32
倾斜航空摄影技术设计在地面分辨率选择、航高计算等方面沿用了框幅式数码相机航空摄影的设计思路和内容;在航摄时间选择、航摄分区划分、影像重叠度与航线敷设设计、分区覆盖等方面,倾斜航空摄影与框幅式数码航空摄影存在差异。
 

01航摄时间选择设计
 
倾斜航空摄影的对象通常是高层建筑密集的城市地区和高差较大的陡峭山区,因此航空摄影时需要特别注意太阳高度角及出现阴影,阴影太大会直接影响影像处理的效果。太阳高度角推算摄区的摄影时间参考公式为
 
式中,tθ为太阳时角,单位为 (°);hθ为太阳高度角,单位为 (°);δθ为摄影日期的太阳赤纬,单位为 (°);φ为摄区的平均地理纬度,单位为 (°);Tφ为摄区地方时,单位为时。
 
为便于后期影像判读与处理,建议高差特大的陡峭山区或高层建筑物密集的大城市要求在正午前后1 h内进行航空摄影,阴影倍数不大于1倍。
 

02地面分辨率与航摄分区设计
 
在数码相机航摄时统一都使用GSD(Ground Sample Distance)概念。使用数码相机航摄时,航线设计以GSD为出发点,先由成图比例尺确定GSD,进而确定航高。在高差较小的地区航摄时,成图比例尺与GSD的对应关系如下表所示:
 
 
倾斜航空摄影为了体现真实纹理的三维实景影像,多选择建城区或有较大高差的区域作为摄区,具有航摄面积小、影像分辨率高的突出特点。一般情况下优于0.2 m,最高甚至可达0.03 m。在地面分辨率选择、航高选择与划分航摄分区时,应当重点注意以下几点:
 
(1) 利用下视影像进行标准测绘产品生产时,地面分辨率选择需要严格遵循框幅式数字航空摄影规范的要求,1:500比例尺不超过8 cm,1:1000比例尺在8~10 cm之间,1:2000比例尺在15~20 cm之间;航摄时需要顾及地表高差影响,高差 (包含建筑物) 大于1/4相对航高时,建议分区进行航摄。如能确保航线在直线性的情况下,分区的跨度应尽量划大。
 
(2) 仅生产实景三维影像数据时,可根据三维影像的目视效果合理设置地面分辨率。由于高差影响,摄区内最高点和最低点的分辨率、重叠度有较大变化。根据经验,在满足最高点重叠度的前提下,最高点、最低点与基准面分辨率不超过1.5倍为宜。如果超过1.5倍,建议分区进行航摄。
 

03影像重叠度与航线敷设设计
 
在建筑物密集的城市地区倾斜摄影获取的影像存在严重的地物遮挡现象,为了获取全方位无信息盲点的倾斜影像,同时也为了多视影像的整体平差效果,应采取大重叠的影像获取方式。影像重叠度以下视相机为基础,与垂直摄影重叠度设计不同,倾斜航摄下视相机的航向重叠度一般不小于70%,也不宜过大,以80%以内为宜;旁向重叠度建议在50%~80%之间,可与航向重叠度相同。
 
04分区覆盖设计
 
根据侧视相机倾斜角度和视场角的关系,航向和旁向覆盖超区分区边界线理论值计算公式为
 
 
式中,P为航向或旁向重叠度;θ为倾角;β为视场角。
 
在实际飞行中,由于大气等各因素的影响,航向或旁向覆盖超出边界线的实际值一般按照基线数=理论值 2、航线数=理论值 1进行计算。
 
当倾斜角为45°,视场角为40°、52°,航向和旁向重叠度均设计为70%时,超区分区边界线的理论值计算为5和4,即航摄时航带内超出7条基线,摄区范围外侧需要超出5条航线。
 

05检校场航摄设计
 
在IMU/DGPS辅助航空摄影测量时,需要借助飞行检校场的方法实现惯性坐标系下的直接测量数据 (位置数据X、Y、Z和姿态数据pitch、roll、yaw) 到摄影测量坐标系下的精确外方位元素位置数据 (X′,Y′,Z′) 和姿态数据 (φ,ω,κ) 的转换,以获得高精度的像片外方位元素,从而实现无或极少地面控制的航片定向和测图。
 
检校场区域选择应考虑以下因素:一是地势尽量平坦;二是尽量避开水域范围;三是尽量避免大面积植被覆盖;四是尽量避免有特大密集型建筑群。
 
以RCD30倾斜数码航摄仪为例,航线敷设时,可采取井字形飞行方案。每条航线均十字交叉来回飞行1次,共计8条航线。设计航高可与分区作业高度相同,可设置航向和旁向重叠80%以上。倾斜航空摄影平台检校飞行示意图如图3所示。
 
 
此外,采用其他倾斜航摄仪执行时,若摄区航向和旁向重叠均不小于80%,可挑选2~3条正常航线的航片作为检校场飞行航线。
 

06航高
 
对于无人机搭载的数码相机而言,其焦距是购置时已知的,通常有50mm、35mm和24mm等几种,用于倾斜航摄仪的镜头焦距一般是组合存在的,用于轻小型无人机上的倾斜航摄仪的下视相机的焦距一般有20mm、25mm、28mm、35mm等几种。焦距的大小直接与航摄时的航高相关。
 

07航线外扩
 
倾斜航摄仪常见的是由五个单相机组合形成,数据获取时为了获取到测区范围内完整的侧面纹理,倾斜航摄仪的航线一般要完整覆盖测区需要在航向和旁向均超出一定的距离,航向方向一般是以摄影基线数量衡量,旁向方向上一般以航线数量(旁向间距)衡量。
摄影基线、旁向间距的长度与重叠度、像素数和地面分辨率有关,计算方法如下:
 
以选定索尼A6000相机为例,假设以传感器长边垂直于飞行方向(见下图),航向重叠度80%,旁向重叠度65%,设定地面分辨率为0.02米。
 
 
摄影基线B=4000*(1-80%)*0.02米=16米
旁向间距L=6000*(1-65%)*0.02米=42米
 
 

08变高航线设计
 
三维模型的质量最重要的因素就是分辨率;另外倾斜摄影的模型高程精度一般是地面分辨率(GSD)的三倍,如果生成的正射影像的分辨率是5cm,那模型的高程精度基本就是15cm,最大限差为2倍中误差即30cm,所以为了得到满足精度要求的倾斜模型,GSD就有一定的限制。
 
对于丘陵、山区、高山区、由于存在一定的高差,如果按照等高的形式进行航线设计,为了保证飞机安全,则会受到测区内最高点的高程的影响,一般会按照测区最高点的高程 安全距离的方式完成航线设计,这种航线设计的方式明显增加了飞行高度,降低了GSD,进而降低了高程精度及模型质量,而且这种情况会随着测区高差的变化而发生变化。
 


09建筑高度引入航线设计
 
航摄飞行过程中,航线设计时主要采用的是地形图的高程信息,未引入人为构建的独立地物、建筑物等高度,若测区出现高度高于相对航高的独立地物或建筑物,很容易出现撞机事故,引发飞机坠毁,严重情况下引起人身财产损失。所以将建筑物的高度引入航线设计中很有必要。
 
另外,当测区建筑较高的时候,建筑屋顶会在影像中形成较大的投影差,如下图所示,单纯考虑地面物体的重叠度必然导致建筑屋顶出现漏洞,需要结合相对航高、重叠度以及建筑高度等方面的相关因素加以分析。
 
 

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