倾斜航摄探讨(二):倾斜航摄参数设置

发布时间:2020-07-20浏览数:3256次

在前面的文章中我们介绍了直升机和固定翼在倾斜航摄项目上的应用对比分析,今天我们探讨下倾斜航摄仪在使用中如何设置参数。

随着实景三维中国建设的推进,实景项目对三维模型的要求越来越高,从去年开始已经有项目要求分辨率优于2cm。下面我们就以此为例探讨一下倾斜航摄参数设置。

一、航线规划参数设置

首先,我们提出一个项目需求:

  1. 垂直影像分辨率要求:优于2cm;

  2. 测区情况:10kmX10km(长X宽),测区最高点120m,最低点80m,平均面100m;

  3. 重叠度要求:航向不低于80%,旁向不低于70%。

我们使用PAN-U5-150进行航线规划,需要关注几个重要参数:最低点的分辨率最高点的重叠度飞行高度飞行速度飞行方向基线长度(拍照间隔)像移飞行时间等。

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PAN-U5-150航线规划表

分辨率

项目要求垂直影像分辨率优于2cm,在规划航线时需要考虑到测区有地形起伏,为了满足最低点分辨率优于2cm,需要把基准面分辨率调整为1.8cm。这样计算的相对飞行高度是191.5m。这个高度考虑飞行安全条件一般选用直升机作为飞行平台。

重叠度

在倾斜数字航空摄影技术规程中,对影像重叠度要求如下:

  1. 垂直影像:航向重叠度在陡峭山区和高层建筑物密集区域一般应设计为70%~80%,其他地区航向重叠度一般不低于60%;旁向重叠度一般应设计为50%~80%,最低不低于30%;

  2. 倾斜影像:当满足垂直影像重叠度后,倾斜影像的航向、旁向重叠度可不再重新设计;航摄成果用于三维建模时,其航向重叠度一般不低于53%。

在本项目中,为满足最高点的重叠度要求,需要把平均面的重叠度调整为航向82%和旁向73%。

航摄分区

航摄时需要考虑地表高差影响,高差(包含建筑物)大于1/4相对航高时,建议分区进行航摄。根据经验,一个分区内的最高点、最低点与基准面分辨率不超过1.5倍为宜。

飞行高度、飞行速度及相移

本次航线规划的飞行高度191.5m,飞行速度是90km/h(直升机能够按照这个速度航摄飞行),相机快门速度是1/1600s,曝光像移是1.56cm,满足航摄中不超过1个像元的要求。

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1.8cm倾斜影像

如果采用固定翼飞机,飞行速度可以提高很多,但在本项目中为了满足像移小于1个像元的要求,即使把相机快门速度调整到1/2500s,飞行速度也不能超过153km/h,否则像移会影响成图。因此我们在高分辨率倾斜航摄项目均采用直升机作为飞行平台。

另外,可以通过更换相机焦距来改变飞行高度,如果垂直相机采用50mm镜头,飞行高度可达到239.4m。焦距越长,飞的越高,但航摄飞行更容易受到天气、空气质量、空域高度等因素影响,尤其空气质量对成像质量的影响随着飞行高度越高影响越严重。

拍照间隔

PAN-U5-150倾斜航摄仪使用航空工业相机,单张影像大小约150MB,采用固态硬盘存储原始影像。当连续存储5组影像时对设备的存储速度要求很高。PAN-U5-150经测试在拍摄间隔0.8s时能够连续稳定存储数据,完全满足本项目的要求。

航线外扩

在倾斜航摄项目中都需要进行航线外扩,根据要求航向覆盖应超过测区边界线一定的基线数,旁向覆盖应超过分区边界线一定的航线数。计算公式如下:

理论超过值=tanθ/[2tan(β/2)*(1-ρ)]……..…….…….(1)

式中:

θ——倾斜相机角度,单位为度;

β——视场角,单位为度;

ρ——航向或旁向重叠度。

在实际飞行中,由于大气等各因素的影响,航向或旁向覆盖超过测区边界线的实际值一般按照公式2或公式3计算:

基线数=理论超过值+2……………………………..(2)

航线数=理论超过值+1……………………………..(3)

倾斜相机的镜头焦距越长,视场角越小,需要外扩的航线数和基线数越多。在使用PAN-U5倾斜航摄作业中,一般旁向外扩航线4-5条,航向上基线数外扩5-8个。

航线敷设

航线敷设应遵循如下原则:

  1. 航线按测区范围特征直线敷设;

  2. 曝光点宜采用数字高程模型依地形起伏设计;

  3. 水域、海域摄影时应尽可能避免垂直影像像主点落水。

航摄成果用于三维建模时,航线敷设宜遵循以下原则:

  1. 建筑物低矮、稀疏区域按大部分建筑物分别、朝向以及地形敷设;

  2. 建筑物高大、密集区域可交叉敷设或加大航线旁向重叠度。

另外,如果在机场附近航摄作业时,需要考虑航线方向对通航飞机起降的影响,尽量避免因飞行方向造成的空中避让等待,这会极大影响作业效率,增加飞行成本。

飞行时间及存储容量

不同飞机的航时不同,不同倾斜航摄仪存储容量不同,如果一个架次无法飞完整个测区,需要按照飞机的续航时间以及航摄仪存储容量进行测区分区。同时需要注意2个分区之间保证重叠,不影响后期三维建模。

以上是关于航线规划中需要注意的事项,在实际项目中进行综合考虑,争取把航线设计的既满足项目要求又能高效作业。

二、航摄飞行参数设置

在倾斜航摄飞行过程中,也需要根据天气倾斜设置航摄仪参数。主要是相机的ISO、光圈、快门速度。

ISO

ISO(又叫感光度)表示CCD或者CMOS感光元件的感光速度。ISO数值越高就说明该感光元器件的感光能力越强。

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ISO需要根据光线强度来调整,一般设置50-200,推荐设置200。如果阳光很强烈时,可以调整为50;在光学不足时,ISO可以调整到400。倾斜镜头和垂直镜头因为进光量不同,ISO的参数有所不同。用户可以在实际航摄作业过程中观察影像缩略图并调整ISO。

光圈

光圈是一个用来控制光线透过镜头,进入机身内感光面的光量的装置,它通常是在镜头内。表达光圈大小我们使用f值。对于已经制造好的镜头,我们不可能随意改变镜头的直径,但是我们可以通过在镜头内部加入多边形或者圆形,并且面积可变的孔状光栅来达到控制镜头通光量,这个装置就叫做光圈。

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光圈大小影响进光量,在光圈f调整中,f的数值和光圈大小成反比,f越大,光圈越小,进光量越小。

PAN-U5-150使用的相机光圈范围是f/4-f/22,在航摄中一般f值设置为5.6。

为了保证影像一致性一般不改变光圈f值。如果在ISO调整后影像还是过亮,可以适当缩小光圈。

快门速度

快门是相机用来控制感光片有效曝光时间的结构。是相机的一个重要组成部分,它的结构、形式及功能是衡量相机档次的一个重要因素。

一般而言快门的时间范围越大越好。秒数低适合拍运动中的物体,可轻松抓住急速移动的目标。

在倾斜航摄中,快门速度调整影响成像质量和像移,根据航摄规范,一般都在1/1000以上,根据分辨率要求、飞行速度和像移要求进行调整。在本项目的航线规划中影像分辨率要求优于2cm,在飞行速度90km/h时,为了像移不超过1个像元。快门速度需要调整为1/1600s。

注意事项

正常影像应微过曝,以便更好利用相机动态范围。不过航摄相机使用16位RAW,动态范围远大于民用相机,即使影像暗些,后期调整后也能取得满意的成果。因此在航摄中影像可以稍微暗点,不可以曝光过度。PAN-U5使用的传感器单元拥有高达83dB动态范围,可以通过配套的Capture One软件进行影像预处理,把过暗影像批量调整成适当的亮度,并还原影像细节。

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过暗影像调整前后对比

三、结尾

在文章最后,再给大家提两个小问题:

  1. 倾斜航摄仪的相机检校参数在三维建模中如何使用最好?

  2. 如何使用倾斜航摄的POS数据提高三维建模的精度和效率?

倾斜航摄探讨(一):直升机VS固定翼