航空傾斜相機(jī)AOS影像關(guān)聯(lián)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：本文主要首先分析了航空傾斜相機(jī)AOS系統(tǒng)的工作原理，然后通過(guò)研究AOS水平影像和傾斜影像之間的幾何關(guān)系，設(shè)計(jì)出水平影像和傾斜影像之間關(guān)聯(lián)顯示的系統(tǒng)。在水平影像上選擇某一地物點(diǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)地求解出傾斜影像上的同名點(diǎn)。該功能為傾斜影像的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：傾斜相機(jī)；AOS；關(guān)聯(lián)顯示

中圖分類號(hào)：TP311

AOS（Aero Oblique System）系統(tǒng)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的航空傾斜相機(jī)之一。與傳統(tǒng)的航空攝影相比，AOS系統(tǒng)能夠探測(cè)到地物的各個(gè)側(cè)面，提供了大量的三維信息，能實(shí)現(xiàn)地物長(zhǎng)度、面積、角度、高度、坡度等的量測(cè)。在數(shù)字城市的三維建模中，利用航空傾斜影像批量提取及粘貼紋理相比傳統(tǒng)方式極大地提高了工作效率并降低了大量的成本。

AOS影像的關(guān)聯(lián)顯示是指根據(jù)水平影響的地物點(diǎn)自動(dòng)地找出各傾斜影像上對(duì)應(yīng)的同名點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)快速瀏覽和應(yīng)用。關(guān)聯(lián)顯示是傾斜影像快速、自動(dòng)化應(yīng)用的基礎(chǔ)，具有重要的研究意義。

1 AOS系統(tǒng)工作原理

AOS系統(tǒng)由3臺(tái)相機(jī)組成，包括一臺(tái)垂直下視相機(jī)和兩臺(tái)傾斜相機(jī)。3臺(tái)相機(jī)安置在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的底座上，底座可以在水平方向上做90°旋轉(zhuǎn)，這使得AOS系統(tǒng)用3臺(tái)相機(jī)即可獲得前后左右四個(gè)方向的傾斜影像和垂直下視的水平影像[1]。相機(jī)由三臺(tái)RolleiMetric AIC + Phase One P45相機(jī)構(gòu)成[2]，相機(jī)的CCD面陣的大小為49.1mm×36.9mm，其中每個(gè)CCD元件大小為6.8μm，所獲取的影像大小為7228×5428像素。傾斜相機(jī)的傾斜角度可調(diào)范圍為29°至49°。三個(gè)相機(jī)一次曝光所獲取的影像有較小的重疊，可拼接為一個(gè)蝶形影像。AOS系統(tǒng)適宜的最大工作高度為3000m，超過(guò)3000m則會(huì)產(chǎn)生較大誤差[3]。

2 AOS影像的關(guān)聯(lián)顯示系統(tǒng)

AOS影像的關(guān)聯(lián)顯示步驟如下：（1）選定水平影像上某點(diǎn)；（2）根據(jù)該點(diǎn)的地理坐標(biāo)，結(jié)合DTM數(shù)據(jù)，內(nèi)插出該點(diǎn)位的高程；（3）利用共線方程求出傾斜影像上的同名像點(diǎn)；（4）還原像點(diǎn)的物鏡畸變差，獲得畸變差改正前的像點(diǎn)；（5）將所求像點(diǎn)在傾斜影像上顯示出來(lái)。

2.1 AOS的共線方程

AOS系統(tǒng)的共線方程可表示為：

（1）

其中，x，y為影像的像平面坐標(biāo)；x0，y0，f為影像的內(nèi)方位元素；XS，YS，ZS為攝站的物方空間坐標(biāo)；XA，YA，ZA為物方點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；ai，bi，ci（i=1，2，3）為影像的3個(gè)外方位角元素組成的9個(gè)方向余弦。

AOS系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為以X軸為主軸的ω-φ-k系統(tǒng)。其旋轉(zhuǎn)矩陣可表示為[4]：

（2）

2.2 AOS相機(jī)畸變差校正

相機(jī)畸變差包括對(duì)稱畸變和非對(duì)稱畸變。一般情況下只需考慮對(duì)稱畸變，當(dāng)對(duì)精度要求較高時(shí)，則需要考慮非對(duì)稱畸變[4]。本文只考慮對(duì)稱畸變，其形式可表示為：

（3）

式中，x`，y`為改正畸變差之后的像點(diǎn)坐標(biāo)，x，y為改正前像點(diǎn)坐標(biāo)，ki為第i次項(xiàng)系數(shù)，r為向徑。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為德國(guó)Adlershof地區(qū)數(shù)據(jù)，包括相機(jī)參數(shù)文件，外方位元素文件，航測(cè)區(qū)DTM及影像文件。

相機(jī)參數(shù)文件部分內(nèi)容如表1所示。其中，1號(hào)相機(jī)和2號(hào)相機(jī)為傾斜相機(jī)，3號(hào)相機(jī)為垂直下視相機(jī)，-f為相機(jī)焦距，單位為毫米；x0、y0為相機(jī)的內(nèi)方位元素，單位為毫米；k0、k1、k2為相機(jī)物鏡畸變差改正參數(shù)。

（a）水平影像中的房屋腳點(diǎn)；（b）傾斜影像1中的房屋腳點(diǎn)；（c）傾斜影像2中的房屋腳點(diǎn)

圖1

可以明顯看出該方法準(zhǔn)確找出了傾斜影像中的同名點(diǎn)，其中由于房屋投影差的原因，房屋腳點(diǎn)被屋頂?shù)耐队罢趽?，故腳點(diǎn)落在屋頂上。

經(jīng)抽樣統(tǒng)計(jì)，傾斜影像中同名點(diǎn)位置的偏差約為2-14像素，且由于同一幅傾斜影像各處比例尺不同，位置誤差也不均勻。誤差主要來(lái)源于外方位元素和DTM的誤差，可以通過(guò)空三平差和選用精度更高的DTM數(shù)據(jù)來(lái)提高總體精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

航空傾斜攝影在三維建模、公共應(yīng)急等領(lǐng)域具有廣闊的前景，傾斜影像的關(guān)聯(lián)顯示則是應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文旨在通過(guò)分析傾斜影像和水平影像的幾何關(guān)系，設(shè)計(jì)出通過(guò)水平影像上點(diǎn)自動(dòng)地尋找傾斜影像上各同名點(diǎn)的系統(tǒng)。系統(tǒng)為傾斜影像的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊久峰，高峰，向宇.傾斜航空攝影的原理與特點(diǎn)[A].中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].北京：中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)，2010：341-344.

[2]Albert Wiedemann，John More，Michael Moller and Ronny Wolf.Usage of innovative aerial sensors for conservation purposes[A].Prag：Proc.of the CIPA Int.Symposium 2011，2011.

[3]Filanda Inc.Datasheet[EB/OL].http：//www.softnav.com/PRODUCTS/Digital_Cameras/AOS_Oblique_Cam/AOS_Oblique_Camera.html.2012-05-20.

[4]王之卓.攝影測(cè)量原理[M].北京：測(cè)繪出版社，1984.

作者簡(jiǎn)介：王堯（1990-），男，江蘇海安人，測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，碩士研究生在讀，研究方向?yàn)閿z影測(cè)量、遙感圖像處理。

作者單位：武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079；浙江華東測(cè)繪有限公司，杭州 310000