一、近景攝影機檢校內容
我們知道,恢復每張影像光束的正確形狀,即借內方位元素恢復攝影中心與像片之間的相對幾何關係,幾乎是所有攝影測量處理方法必須經過的一個作業過程。另外,為了正確恢復攝影時的光束形狀,也必須知曉光學畸變係數。檢查和校正攝影機(攝像機)內方位元素和光學畸變係數的過程稱之為近景攝影機的檢校。廣義上講,近景攝影機檢校的內容,比上述定義所涉及的內容還要寬廣,包括:
1.主點位置(x0,y0)與主距(f)的測定;2.光學畸變係數的測定;
3.壓平裝置以及像框坐標系的設定;
4.調焦後主距變化的測定與設定;5.調焦後畸變差變化的測定;6.攝影機偏心常數的測定;
7.立體攝影機(及立體視覺系統)內方位元素與外方位元素的測定;
8.多台攝影機同步精度的測定。
由於不同的目的與原因,對量測攝影機、格網量測攝影機、半量測攝影機和非量測攝影機都存在檢校問題。確認攝影機的機械結構、光學結構和電子結構穩定可靠時,才能進行檢定。
考慮到近景攝影測量僅關心被測物體的尺寸,當被測物體深度差為h時,有
mX=mx0mY=my0mh=mf
ffhffmhX,Y
(3)
所以有內方位元素測定精度要求估算式:
mx0=my0=fmf=m
hh
(4)
如果認為,對mX,Y和mh產生影響的誤差源不止內方位元素一個,而是n個時,那么可以有更嚴格的內方位元素測定精度要求估算式:
mx0,y0=mf=
如果n=3,則有
mx0,y0=mf=
分析此式可以知道:
1.理論上講,內方位元素的測定精度與被測物的測定精度(mX,Y,mh)有關。
2.所用攝影機主距f越大,被測物深度h越小,內方位元素測定精度要求越低。當被測物無起伏(h=0)時,內方位元素的測定沒有意義。
列舉幾例:
如f=100mm,h=5000mm,mX,Y=mh=±1mm,則
(2)
mx0,y0=±0.012mm;mf=±0.012mm。
如f=200mm,h=10000mm,mX,Y=mh=±0.5mm,則mx0,y0=±5.8??m;mf=±5.8??m。
當f=100mm,h=50mm,mX,Y=mh=±2mm,則,0m=f3hf3hmh
mX,Y
(6)
nhfnhmh
mX,Y
(5)
二、內方位元素的檢定精度要求
世界各國大公司出售的量測攝影機,其內方位元素的測定精度,包括攝影時主距的安置精度,一般在0.01mm。現分析如下:
依正直攝影測量的基本關係式
X x
Y= y(1)
pZ-f
依此式,有像主點坐標中誤差(mx0,my0)以及主距中誤差mf與物方空間坐標中誤差的關係為
mx
mX=X?=mx0
xf
mY=Y?mZ=Z?
:myZ=my0yfmfZ=mf
測 繪 通 報 22000年 第10期
可見,不同測量任務的環境,對攝影機檢校精度的要求,大不相同。往常,對測量任務與環境不加區別,把檢校精度均控制在mx0=my0=mf=±0.01mm的水準上。
“平麵點”和三個“高程點”。
5.恆星檢校(StellarCalibration)法
基於“給定地點給定時間的恆星方位角和天頂距為已知”原理的攝影機檢校方法稱之為恆星檢校法。操作方法順序是:夜間,在已知點位的觀測墩上將調焦至無窮遠的被檢定攝影機對準星空,實施較長時間曝光;在坐標儀上量測已知方位的數十至數百個恆星的像點坐標;按專用程式計算被檢校相機的內方位元素和光學畸變係數。
本檢校方法的缺陷是:??僅適用於檢校調焦至無窮遠的攝影機;??識別恆星耗時;??應採取措施以減少量測誤差、大氣折光異常、溫度變化和底片變形對檢校質量的影響。
本檢校方法的投入較小,特別適用於調焦至無窮遠的攝影機的檢校。例如衛星攝影機和某些專用非量測攝影機。
因地球自轉,在曝光的數分鐘內,像片各恆星的影像是一條條短線。
三、近景攝影機檢校方法分類
航空攝影機的檢校方法,包括實驗室檢校法和實驗場檢校法,均已標準化成形多年,有專用的設備、作業流程和規範。至今,近景攝影機的檢校並未標準化,其原因可能是攝影機的多樣化以及檢校內容的多樣化。
出於僅解求內方位元素和光學畸變的目的,近景攝影機的檢校方法大體可分作以下幾類。
1.光學實驗室檢校(OpticalLaboratoryCalibration)法該法適用於調焦到無窮遠的近景量測攝影機的檢校,如同傳統的檢校航空攝影機技術那樣。室內的多台固定的準直管或可轉動的精密測角儀是光學實驗室檢校法的基本設備。
以準直管作為基本設備時,將多台準直管按準確的已知角度??安排在物方,而在像方則安放感光片,各準直管上經照明的十字絲即構像在像片上,經對像片的量測和相應之計算,可解得主距和畸變差。
以測角儀作為基本設備時,在像方設定一精密格網板,在物方安置一台可轉動的測角儀,並順次量取各格網點的角度,再經計算以解得主距與畸變差。
2.實驗場檢校(TestRangeCalibration)法
實驗場一般由一些已知空間坐標的標誌點構成,以被檢校的攝影機拍攝此控制場後,可依據單片空間後方交會解法或多片空間後方交會解求內方位元素以及其他影響光束形狀的要素,包括各類光學畸變係數。
實驗場的大小、形狀、性質與結構大不相同,如室內3維控制場,室外3維控制場以至專為檢校目的而選擇的某種人工建築物等等。可以測定貼附在建築物上的人工標誌或者直接利用建築物自身的幾何特點,包括它的平行線組。
實驗場多為3維,有時也使用2維控制,如製作在某種材料上的標誌網。簡單地使用2維平面控制可能妨礙內方位元素的測定。
3.作業檢校(OntheJobCalibration)法
作業檢校法是一種在完成某個近景測量任務中同時對攝影機進行檢校的方法。換句話說,此方法依據物方空間分布合理的一群高質量控制點,在解求待定點物方空間坐標的任務中,同時解求像片內外方位元素、物鏡畸變係數。本方法常常以單像空間後交的方式進行。本方法特別適用於非量測相機的檢校,因為這類攝影機內方位元素可能不甚穩定,或不能重複撥定,或時有變化,在完成測量任務中進行檢校更為合理。所用的物方控制常以活動控制系統的形式出現。基於直線線性變換的檢校方法,也當屬此類方法。
4.自檢校(SelfCalibration)法
光線束自檢校平差解法是一種無需控制點以解求內方位元素,以及其他影響光束形狀的要素的近景攝影機檢校方法。這些其他要素包括各類光學畸變係數或某些附加
本方法適用於量測攝影機和非量測攝影機的檢校。
四、近景攝影機的光學畸變
攝影機物鏡系統設計、製作和裝配誤差所引起的像點偏離其理想位置的點位誤差稱之為光學畸變差。光學畸變差是影響像點坐標質量的一項重要誤差。光學畸變分作徑向畸變差(RadialDistortion)和偏心畸變差(DecenteringDistortion)兩類。徑向畸變差使構像點a沿向徑方向偏離其準確理想位置a0;而偏心畸變差使構像點a′,沿向徑方向和垂直於向徑的方向,相對其理想位置a0都發生偏離。
物鏡系統光學畸變為零的點不是像主點,而是自準直主點PPA(PrincipalPointofAutocollimation)。自準直主點PPA是物鏡系統光軸與垂直於此光軸的理想成像平面的交點。所有其他像點的徑向畸變的方向就是通過PPA的向徑方向。
據幾何光學,在非近距離攝影條件下,物鏡系統的徑向畸變和偏心畸變表示如:
??x=(x-x0)(k1r2+k2r4+k3r6+…)+ p1[r2+2(x-x0)2]+2p2(x-x0)(y-y0)??y=(y-y0)(k1r2+k2r4+k3r6+…)+ p2[r2+2(y-y0)2]+2p1(x-x0)(y-y0)應特別注意的是,在近距離攝影條件下,物鏡系統的光學畸變在以下兩種情況下,已不能用上式表達。??隨調焦距的不同,即隨著主距f的不同,物鏡系統的畸變是變化的;??在特近距離條件下(如像片比例尺大於1∶30),不位於調焦距D上的點,其光學畸變不同於在調焦距D上的點。
