单镜头交叉环绕航线三维建模的核心参数设置备查表

2021-07-14 10:32

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在上一篇文章《倾斜摄影建模照片可以少到多少？》里我们提到，倾斜摄影三维建模的关键任务是，寻找一种方案对测区内的所有点进行6次可靠观测，可靠观测的要求是：1、被观测物体成像尽可能靠近镜头中心以避免镜头边缘畸变、像差慧差等误差累积；2、相机尽可能与被观测物体垂直以保证分辨率均匀分布。本篇文章基于此结论推导单镜头交叉环绕飞行技术中的以下几个核心参数设置：

1：相机应如何摆放；

2：镜头焦段的选择；

3：一圈要拍摄多少照片；

4：交叉环绕圈的重叠比例设置；

5：测区建筑物的极限高度与航高的比例关系；

我们先用2张图对一些概念做定义：

1：照片朝上边缘能成像的边界为视场上界，下缘能成像的边界为视场下界；

2：两个环绕圈的中心点之间的距离为“推进距”；

3：推进距/圆直径=推进比；

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为避免晦涩的公式推导，本文使用作图法来进行推导，先用三维建模软件把相机的成像锥体建模出来，旋转一周得到一个皇冠形状。

从上图我们可以看到，横置相机时投影梯形瘦长，视场上下界范围更大，但宽度较窄，竖直放置梯形矮胖，视场上下界较窄，但宽度较大。当我们对测区每个点进行6次可靠观测时，假设垂直物体的+-45度为可接受的观测区间，则每张照片之间的覆盖角度差为15度。这个区域相机无论横置还是竖直都可完整覆盖，因此一圈可以设置为同样拍照数。但在对地覆盖的圆面积上，横置方案则明显大于竖置方案，这有利于使用更低的重叠率覆盖相同的区域，减少航程和照片数量。

对皇冠在竖直方向进行解剖会得到下面图示的形状。在对地面a点进行观测时，我们更希望从1号机位而不是从2号机位获取影像，因为这样影像分辨率会更高，拍摄角度也更垂直。所以总体上我们会希望镜头的下界尽可能宽一点。为了获得更高的楼体立面纹理，我们也希望视场上界更高一点。因此从对地覆盖范围、分辨率、影像拍照垂直度方面综合考虑可以确定横置相机是比竖置相机更好的方案。一圈拍照数设置为全副焦距长，即选择35mm镜头时，一圈拍摄35张照片，选用56mm镜头时，一圈拍摄56张照片，这是经飞图Flytouav长时间实际飞行验证总结的经验值。

除了改变相机的安装方向，我们也可以通过改变镜头焦距来改变视场角，下图分别是同一全幅相机使用短焦35mm与长焦56mm横置相机时的视场对比。当35mm镜头从100m高度拍摄时，56mm在相同分辨率下对应的拍摄高度是160m。图中35mm有更大的视场角（灰色区域），视场上界物体距离相机323m，下界105米，两者分辨率比值为3.0倍，这意味着35mm广角镜头需要面对影像分辨率分布严重不平均的问题。而56mm长焦镜头远近两端的分辨率比为1.9倍，上界/中心=1.5倍，下界/中心=0.8倍，影像分辨率的分布平均度要好得多。另外56mm的视场上界高于35mm，在面对高层建筑物时有更大的优势。再考虑到固定翼交叉环绕飞行时需要在相机的倾斜同方向进行滚转机动，过往实验中使用太广的镜头将会有概率拍到飞机的机翼或者旋翼动力组件，短的焦距还对应较低的航高、较小的盘旋半径和较大的盘旋倾角，这些都会增加飞行风险。因此无论是从飞行作业还是成果质量的要求都应尽量选用长焦镜头。当然使用长焦镜头时由于视场较窄，小幅度的姿态不稳都将造成重叠率的大幅变化，因此对相机姿态及飞机压线精度有非常高的要求，在使用单镜头交叉环绕三维建模时，应至少搭载2轴增稳云台，3轴增稳云台应是标准配置。

当交叉环绕一圈一圈推进时，皇冠上方的盲区高度会随着推进比例发生变化（如下图），当以50%推进比飞行时，盲区的最低点在飞机盘旋圈的中心点，我们可以明显的看到图示的最高层建筑物不在灰色的相机像场覆盖范围内。当我们缩小推进比到25%时，盲区最低点在两个相邻锥体的相交处，可以明显看到盲区的高度被提升了，测区最高层建筑已能被相机像场完整覆盖。因此在实际工程项目中，如果测区有比较多的高层建筑物，又要保证分辨率平均度，在高层建筑区域加密环绕重叠率也是一种可靠的方案。