无人机倾斜摄影设计与成果质量检验

01
什么是倾斜摄影技术
 
倾斜摄影技术是通过在飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个侧视等不同角度采集影像。我们可以将它理解为一项进化了的摄影测量技术，它比传统的摄影测量多了四个倾斜拍摄角度，从而能够获取到更加丰富的侧面纹理等信息。
 

02
数码相机相对位置
 
倾斜航摄仪集成一个下视相机和多个倾斜相机，中央一个垂直对地观测，获取垂直影像，于该相机4个正交方位分别以一定的倾角放置一个相机。
 
由于倾斜航摄仪拍摄模式的特殊性，相机间的相对关系对于地物覆盖范围、倾斜影像分辨率变化范围、相邻曝光点影像重叠度、集成系统空间尺寸乃至后续数据处理算法都会产生影响，因此确定相机间排布模式是首要解决的问题之一。针对多种排布可能，通过对地物覆盖范围、倾斜影像分辨率等因素进行计算与仿真，确定较优的排布模式为下视影像长边跨航线、前视、后视影像长边跨航线、左视、右视影像短边跨航线。5相机观测视野如图1所示。

 

相机倾角指倾斜放置相机主光轴与垂直放置相机主光轴在它们所确定的平面内所形成的夹角。根据经验及模拟测试，当倾角在40°~50°之间时，所获得的影像更接近人眼对立面纹理信息的真实视觉体验，此范围角度一般为摄影测量大倾角范围。
 

03
相机安装倾角、视场角与分辨率的关系
 
垂直和倾斜影像的地面分辨率是倾斜航摄仪最为直观与重要的参数之一，也是直接决定后续三维建模质量的关键因素。倾斜影像自动空三时，为了保证量测点的精度，应尽量保证不同影像的分辨率一致，从而侧视影像需要裁掉远端和近端分辨率差异过大的部分，但同时为了保证影像的重叠度，航线设计时需要顾及侧视影像的分辨率。因此需对垂直与倾斜视角的影像分辨率进行组合分析。
根据垂直影像GSD计算公式
 

 
结合倾斜相机主光轴旋转角度，由图2可以得出倾斜影像中心点、近地点与远地点的大致分辨率。设倾斜影像中心点、近点和远点分辨率分别为GSDmid、GSDtop、GSDbotton，计算公式如下
 

式中，δ为CCD单像元大小；h为飞行高度；f为相机焦距；αy为倾角；βy=arctan (b/f) 为视场角的一半。倾斜影像的几何关系如图2所示。

 
以SWDC-5相机为例，当倾角为45°，视场角为40°，βy=20°，f下视=50 mm，f侧视=80 mm时，按照下视相机进行设计，当GSD=0.08 m时，H=666 m。
 
则侧视相机的分辨率概算为
 

 
由此可见，除飞行高度、焦距、像素大小之外，倾角也是影响倾斜影像GSD的一个重要因素。倾角越小，其远点的分辨率越高，近点、远点GSD差异也就越小，GSD指标的控制也是影响倾角设计的一个关键因素。通常，获取的倾斜影像与垂直影像中心点地面分辨率应相当，倾斜影像的最小分辨率不宜超过垂直影像分辨率的3倍。
 

04
倾斜航摄相机的选择
 
相机选择是影像获取的关键因素之一，决定了所获取影像质量的好坏 (如影像分辨率、成像的几何精度等) 和摄影交会角的大小 (与相机视场角和摄影方式有关)，将直接影响最终的量测精度。
 
如何搭配下视相机与倾斜相机的焦距，是影像获取的另一个关键因素。目前，通常可选用的相机焦距在50~120 mm之间。焦距较长的相机，视场角小，可以获取更多的影像纹理；焦距较短的相机，视场角大，影像变形也越厉害。选择组合相机焦距时，需要整体考虑下视相机焦距和侧视相机焦距的组合选择。
 
一般情况下，选择下视相机的GSD应与侧视相机的GSDmid相当

 

公式中，α为倾角。当倾角设置为45°时，一般情况下侧视相机的焦距宜为下视相机焦距的1.4倍。因此，倾斜摄影时一般选用侧视相机的焦距比下视相机的焦距要长。
 

05平台检校
 
平台检校的过程是解算多视相机相对关系的过程，是获取侧视相机相对于下视相机摄影中心的相对位置关系。由于现有空三软件处理大倾角影像比较困难，实际作业时可预先解算下视相机的外方位元素，通过获知侧视相机与下视相机的相对关系，从而推算侧视相机影像的外方位元素。
 
以5镜头倾斜航摄仪为例，利用光束法区域网空中三角测量的原理，从影像所覆盖范围内若干控制点的已知地面坐标和相应点的像点坐标出发，根据共线方程解求4个侧视相机相对于下视相机的位置和姿态参数。