基高比對(duì)攝影測(cè)量精度影響的研究

摘 要：為了使普通數(shù)碼相機(jī)更好地應(yīng)用于近景攝影測(cè)量，研究基高比對(duì)攝影測(cè)量精度的影響。以全站儀觀測(cè)值為理論值，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站采集數(shù)據(jù)為觀測(cè)值，通過在一系列基高比不同的位置獲取影像并內(nèi)業(yè)采集數(shù)據(jù)，綜合分析基高比對(duì)攝影測(cè)量精度的影響。結(jié)果表明，隨著基高比的增大，攝影測(cè)量精度逐漸上升，對(duì)實(shí)際的攝影測(cè)量生產(chǎn)具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：攝影測(cè)量；基高比；精度

中圖分類號(hào)：P23" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）23-0089-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.020

0" " 引言

攝影測(cè)量有著悠久的歷史，從誕生至今，已經(jīng)經(jīng)歷了模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量以及當(dāng)代的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等發(fā)展階段。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是基于傳統(tǒng)的攝影測(cè)量，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，從影像中自動(dòng)提取所攝對(duì)象的信息，因主要利用計(jì)算機(jī)完成影像數(shù)據(jù)的采集，主要工作在室內(nèi)完成，減少了室外作業(yè)時(shí)間，受天氣、地勢(shì)等條件的限制少，且能直觀、全面反映所研究物體的真實(shí)信息，相比常規(guī)測(cè)量方法，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，從而廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。精度是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量應(yīng)用過程中人們最為關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]，是攝影測(cè)量的靈魂所在，所以如何更好地把握外界因素對(duì)精度造成的影響成為一個(gè)至關(guān)重要的問題。而影響攝影測(cè)量精度的因素很多，基高比就是其中之一，通過研究基高比對(duì)精度的影響，可以指導(dǎo)航測(cè)設(shè)計(jì)。

1" " 理論基礎(chǔ)

1.1" " 研究思路

基高比即攝影基線長(zhǎng)度與攝站高度之比，是影響攝影測(cè)量精度的因素之一。攝影基線長(zhǎng)度是立體像對(duì)兩相鄰攝站間連線的長(zhǎng)度，一般由曝光時(shí)間間隔來控制。攝站高度是攝影鏡頭中心在拍攝瞬間與地面的垂直距離?；弑葲Q定相鄰影像在航向上的重疊度，重疊度越大，構(gòu)成立體模型時(shí)其高程方向的比例尺夸大越不明顯，立體效果越差，對(duì)高程值的獲取影響越大。

本文以全站儀采集的標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)值作為標(biāo)準(zhǔn)值，使用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量平臺(tái)采集基高比不同的像對(duì)的標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)，并與全站儀采集的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，分析差值的規(guī)律，從而得出基高比對(duì)攝影測(cè)量精度的影響規(guī)律。

1.2" " 方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用坐標(biāo)系如圖1所示，其中Y方向?yàn)榕臄z方向，A、B為控制點(diǎn)，P為其中一個(gè)待定的標(biāo)志點(diǎn)。采用蘇州一光OTS622L全站儀分別在A、B兩個(gè)測(cè)站上測(cè)定標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)，A、B測(cè)站均采用測(cè)回法觀測(cè)后取平均值，以A、B測(cè)站的平均值作為最終各標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)值。

攝影使用佳能5D Mark Ⅱ數(shù)碼相機(jī)（已檢校），基本參數(shù)如下：2 110萬像素，6.4 μm像元大小，像幅尺寸5 616×3 744，固定焦距51.8 mm。在預(yù)先設(shè)定的位置對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行拍攝（拍攝位置分布如圖2所示），并組成相應(yīng)的像對(duì)。相應(yīng)像對(duì)的基高比設(shè)計(jì)值如表1所示。

表1中像對(duì)B-B′與像對(duì)I-I′基高比設(shè)計(jì)值相同，用于檢驗(yàn)。

此時(shí)重疊度最小的像對(duì)即C-C′的重疊度P接近60%：

PC-C′=[（13.87-6）/13.87]×100%≈56.74%

2" " 數(shù)據(jù)采集與分析

2.1" " 標(biāo)準(zhǔn)值采集

試驗(yàn)場(chǎng)地選取一個(gè)約60 m×14 m的邊坡，邊坡呈三級(jí)臺(tái)階狀，形成了不同平面上的3層次立體結(jié)構(gòu)（圖3）。場(chǎng)地開闊，區(qū)域內(nèi)共布設(shè)50個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，均勻分布在大體平行的5個(gè)層面上[4]（圖4）。標(biāo)志點(diǎn)的選取不僅影響全站儀外業(yè)坐標(biāo)的采集，而且影響標(biāo)志點(diǎn)影像坐標(biāo)的量測(cè)，本次試驗(yàn)使用的標(biāo)志點(diǎn)為半徑60 mm的白色圓形加上半徑40 mm的黑色圓，中間放有20 mm×20 mm的正方形反射片，標(biāo)志點(diǎn)清晰、醒目。標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值測(cè)量采用極坐標(biāo)法，高程采用三角高程測(cè)量。根據(jù)設(shè)計(jì)的坐標(biāo)系，布設(shè)好A、B兩個(gè)控制點(diǎn)并假設(shè)相應(yīng)的坐標(biāo)值，用測(cè)回法在A、B測(cè)站分別依次測(cè)量并保存各標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)。標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)全站儀外業(yè)測(cè)量精度采用中誤差進(jìn)行分析，結(jié)果為：mx=1.2 mm，my=1.4 mm，mz=0.9 mm。

2.2" " 像對(duì)采集

為確保所拍攝的同一組像對(duì)的影像焦距相同，本試驗(yàn)所使用的相機(jī)焦距已固定，試驗(yàn)中使用正直攝影方式，即攝影瞬間相機(jī)物鏡主光軸近似與試驗(yàn)場(chǎng)垂直，主光軸在曝光時(shí)會(huì)有微小的傾斜，按規(guī)定要求像片傾角應(yīng)小于3°。為了便于立體測(cè)圖，要求像片間有一定的重疊，重疊部分與整個(gè)像幅長(zhǎng)的百分比稱為重疊度，一般要求在60%以上。

=

式中：f表示相機(jī)的焦距；H表示拍攝距離；l表示像幅橫向尺寸，即3 744；L表示像片對(duì)應(yīng)的實(shí)地長(zhǎng)度。

由上式可知：當(dāng)H=20 m時(shí)，L=14.38 m；當(dāng)H=25 m時(shí)，L=17.97 m；當(dāng)H=30 m時(shí)，L=21.56 m；當(dāng)H=35 m時(shí)，L=25.16 m。因此，試驗(yàn)在距離邊坡為20、25 m處各選擇3個(gè)像對(duì)拍攝點(diǎn)，像對(duì)間距離間隔均為1 m；在距離邊坡為30、35 m處各選擇4個(gè)像對(duì)拍攝點(diǎn)，像對(duì)間距離間隔仍為1 m。

2.3" " 解算與數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)中的內(nèi)業(yè)操作流程如圖5所示。

通過數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站對(duì)采集的14個(gè)像對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，所得的不同基高比的精度如表2所示，精度隨基高比的變化趨勢(shì)如圖6所示。

由圖6可看出，在一定范圍內(nèi)，隨著基高比的增大，攝影測(cè)量精度逐漸上升，且對(duì)Y方向的影響顯著，即對(duì)攝影方向的坐標(biāo)值影響較大。

3" " 結(jié)束語

作為非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)，要應(yīng)用于測(cè)繪工作，必須有較高的精度。而要保證精度，首先就應(yīng)該對(duì)影響精度的因素有較清楚的認(rèn)識(shí)，基高比的選取將影響攝影測(cè)量最終的精度。本文通過自己建立野外攝影測(cè)量場(chǎng)，以全站儀采集的標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)值作為理論值，使用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量平臺(tái)采集基高比不同的像對(duì)的標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)，并與全站儀采集的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，分析差值，從而得出基高比對(duì)攝影測(cè)量精度的影響規(guī)律。通過研究基高比對(duì)攝影測(cè)量精度的影響，有如下結(jié)論：

1）基高比對(duì)攝影方向上的坐標(biāo)值影響較大，通常即指高程。

2）在一定范圍內(nèi)，隨著基高比的增大，攝影測(cè)量精度逐漸上升。

此外，通過本次研究可知：

1）應(yīng)用普通數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行近景攝影測(cè)量能達(dá)到一定的精度，本方法完全可以應(yīng)用于近距離的地形測(cè)繪、數(shù)字地面模型的建立以及較低精度的工程變形觀測(cè)。

2）應(yīng)盡可能采用正像攝影，在允許范圍內(nèi)增加攝影基線長(zhǎng)度，對(duì)攝影方向精度的提高效果很明顯。

3）采用普通數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行近景攝影測(cè)量成本低、工作量小、簡(jiǎn)便易行，并能實(shí)現(xiàn)多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)同時(shí)測(cè)定，在一定的精度范圍內(nèi)，這種作業(yè)方式具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值[5]。

但本文的研究也存在一些不足，例如由于試驗(yàn)場(chǎng)地受限，本文研究中的基高比比值均較小，即所有像對(duì)的基線長(zhǎng)與攝影距離的差值較大；缺乏對(duì)基高比大于1/2的像對(duì)的精度影響的研究等。將來可從這些方面著手深化研究，從而進(jìn)一步提升攝影測(cè)量的精度。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王之卓.攝影測(cè)量原理[M].北京：測(cè)繪出版社，1979.

[2] 張劍清，潘勵(lì)，王樹根.攝影測(cè)量學(xué)[M].2版.武漢：武漢大學(xué)出版社，2010.

[3] 王樹根.攝影測(cè)量原理與應(yīng)用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.

[4] 張慧鑫，李非栗，雷巨光.基于普通數(shù)碼相機(jī)的近景攝影測(cè)量方法與精度的試驗(yàn)研究[J].北京測(cè)繪，2008（4）：4-7.

[5] 李能.多基線普通數(shù)碼相機(jī)近景攝影測(cè)量精度研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2013.

收稿日期：2024-08-27

作者簡(jiǎn)介：黃仰福（1990—），男，福建三明人，測(cè)繪工程師，研究方向：攝影測(cè)量。