偏振鏡在無人機航攝中使用的可行性分析

聶 飛 徐貴興 鄭勤華

（江西省煤田地質局測繪大隊 江西南昌 330001）

偏振鏡在無人機航攝中使用的可行性分析

聶 飛 徐貴興 鄭勤華

（江西省煤田地質局測繪大隊 江西南昌 330001）

航空攝影測量影像中的光斑使地物輪廓不清晰且不易辨別，給影像的美觀度和后期圖像解譯帶來了不小的影響，是否可以在無人機航攝中增加偏振鏡，利用偏振鏡對光線的偏振過濾作用來消除偏振光對鏡面地物的影響？文中從技術、安全以及應用等方面對偏振鏡在無人機航攝中使用的可行性進行深入的分析和研究。

偏振鏡；無人機航攝；可見光偏振遙感

1 引言

在航空攝影測量影像中經?？吹铰访?、屋頂或者水面等表面易反光的物體在影像中形成光斑，致使物體輪廓不清晰且不易辨別，給影像的美觀度和后期圖像解譯帶來了不小的影響。光斑不同于影像的畸變、色偏、對比度等因子，不能后期通過影像處理軟件來解決或減輕，其只能是事前干預。光斑是由于光滑物體表面的反射光線而產生的一種 “鏡面效應”現(xiàn)象，如何消除或減弱光滑物體表面的“鏡面效應”？攝影師在拍攝水面景物、玻璃墻面等非金屬表面通常使用偏振鏡來消除物體表面的反光，在無人機航攝中是否也可以使用偏振鏡來消除航攝影像中的光斑？

2 選題背景

偏振遙感目前屬于遙感應用中的一個新的研究方向，并具有很大的應用和發(fā)展?jié)摿?，國外很多大學和研究機構都在從事這方面的研究和探索。在自然界中，地表或大氣中的目標地物，在反射、散射和透射電磁輻射的過程中，會產生由它們自身性質決定的偏振特征。在理解偏振遙感的基礎上，本文從自然光的偏振特性以及“鏡面效應”產生的原因出發(fā)，利用偏振鏡對自然光線進行可見光偏振過濾，最大限度的消除偏振光對鏡面地物的影響。非鏡面地物也可以獲取不同偏振角的圖像信息，這些圖像信息為航攝提供了新的數(shù)據來源。對于航測中“鏡面效應”的研究以及消除方法的研究相關的文章不多，解決辦法也只是停留在增加航向和旁向重疊度以及避免高太陽位置拍攝。本文從技術、安全以及應用等方面對偏振鏡在無人機航攝中的可行性進行深入的分析和研究，試圖通過偏振鏡的使用，為航攝遙感中“鏡面效應”以及圖像質量的提高尋找新的解決方案。

3 可行性分析

3.1 偏振鏡的作用

在戶外風光攝影中，偏振鏡的使用幾乎和UV鏡一樣普遍，且使用非常簡單，它可以讓照片看起來更加通透，色彩更加鮮亮，它還能夠壓暗天空，消除反光，在拍攝水流和玻璃的時候非常有用。我們知道，光線經過不同折射率的介質界面上會發(fā)生反射和折射。光線通過不同的介質，當反射光線與折射光線成直角時，反射光線將是線偏振光，這就是有名的布儒斯特原理，此時的入射角就稱為布儒斯特角。當入射角偏離布儒斯特角時，反射光將是部分偏振光。影像中的光斑正是由于物體表面的反射光中的部分偏振光（或線偏振光）造成的,偏振鏡能夠對物體表面的反射光起到消光作用（如圖1所示）。偏振鏡一般分為線偏振鏡和圓偏振鏡，它們作用沒有本質的區(qū)別，只是線偏振鏡會導致單反相機AE不準和AF失效，所以單反一般使用圓偏振鏡。

圖1 偏振鏡對光線的偏光作用

3.2 無人機技術已日趨成熟

無人機、數(shù)碼相機以及無線遙控技術的發(fā)展，使無人機航攝系統(tǒng)日趨完善和成熟，特別是其系統(tǒng)部件的民用化，使得無人機航攝系統(tǒng)成本大幅降低。在影像獲取方面具有機動靈活、使用成本低、圖像分辨率高和數(shù)據定位精度高等特點，適用于中小面積、大比例尺、工作周期短的快速航測影像獲取，被不少測繪公司所青睞。目前應用于無人機的數(shù)碼相機主要有索尼A900、佳能5D－Ⅱ、佳能 5D－Ⅲ及尼康D800，在此基礎上，只需根據無人機航攝相機參數(shù)購置配套的偏振鏡。

3.3 增加偏振鏡不影響現(xiàn)有的無人機航測系統(tǒng)安全

無人機的載重負荷有限，一般要求數(shù)碼相機總重量（包括機身、鏡頭、電池及存儲卡重量）不超過2000g。以前面介紹的四種數(shù)碼相機中最重的佳能EOS5DMarkIII為例，其的總質量為950g，偏振鏡一般都不超過50g,如nisiCPL77mm重為32.1g,B+ WCPL77mm重為42g,偏振鏡的加入對無人機的載重負荷影響不大，也不會改數(shù)碼相機的結構和形狀。在成像方面，偏振鏡會減少鏡頭的進光量，為保證曝光量，可相應增加快門速度?？梢灶A見，增加偏振鏡不影響現(xiàn)有的無人機航測系統(tǒng)安全。

3.4 使用偏振鏡利于改善航攝影像質量和豐富航攝影像數(shù)量來源

在無人機航攝系統(tǒng)中使用偏振鏡，在不同偏振角度下進行航攝影像獲取，利用偏振鏡對自然光線進行偏振過濾，消除或減少航攝影像中“鏡面效應”“太陽熱點”等影響，為航攝影像質量的提高以及影像成圖提供更高質量影像；研究同時也可以獲取多角度（0°、30°、60°、90°或其他角度）可見光偏振影像，為航攝影像解譯提供了新的數(shù)據來源，豐富了無人機航攝影像的種類。

4 總結與展望

光線是可見光遙感的基礎，本文根據光線的偏振特點，將光學工程與無人機航攝緊密集合，從技術、安全以及應用等方面對偏振鏡在無人機航攝中使用的可行性進行深入的分析和研究，為可見光偏振遙感探索了新的方法?！捌耒R在無人機航攝中使用的可行性研究”只是進行可見光偏振遙感的基礎，在此基礎上可開展偏振鏡偏振角、被攝目標與太陽夾角以及航向三者之間位置關系，如何設置最佳的偏振角來消除或減弱“鏡面效應”，偏振影像與普通影像成像對比等研究，這些都是需要進一步研究的內容。此外，還可以擴展到可見光偏振遙感影像的利用研究等其他方面。

［1］蔡俊良．太陽位置對航攝影象質量的影響．《測繪科技》［J］．1992(2)．

［2］王昱等．數(shù)字遙感影像質量評價方法的研究．《解放軍測繪研究所學報》［J］．2002(4)．

［3］張朝陽等．偏振遙感的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢．《激光與紅外》［J］．2007(12)．

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［5］董漢錢等．基于偏振特征的目標檢測．《武漢大學學報(理學版)》［J］．2006,52(S1)．

［6］吳正鵬等．無人機低空遙感系統(tǒng)傳感器選型研究．《城市勘測》［J］．2013(5)．

［7］《無人機航攝系統(tǒng)技術要求》．CH/T3002-2010．