СПОСОБ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКИ ФОТОКАМЕР Российский патент 2007 года по МПК G01C11/02 

Изобретение относится к области фотограмметрии.

Известен способ фотограмметрической калибровки фотокамер по снимкам испытательного полигона или тест-объекта [Дубиновский В.Б. Калибровка снимков, М., Недра, 1982, 224 с.]. По фотографиям пространственного тест-объекта с известными координатами контрольных точек решают обратные пространственные фотограмметрические засечки с одновременным определением элементов внутреннего ориентирования фотокамеры и параметров фотограмметрической дисторсии объектива.

Недостатком способа являются требования, которые предъявляются к относительной глубине пространства тест-объекта. Согласно [Дубиновский В.Б. Калибровка снимков, М.: Недра, 1982, 224 с.] для широкоугольных камер относительная глубина пространства тест-объекта (h/H) должна составлять не менее чем 0.2. Для нормальноугольных камер это отношение должно быть не менее 0.5. Для узкоугольных камер отношение глубины пространства к расстоянию до заднего плана может достигать 0.6 и более. Для обеспечения резкого изображения объективами, фокусированными на бесконечность, необходимо, чтобы расстояние до объекта было не меньше, чем гипперфокальное расстояние камеры. Малоформатные и среднеформатные цифровые фотокамеры имеют гипперфокальное расстояние от 1 до 10 м. Для их калибровки достаточно иметь тест-объект глубиной от 0.5 до 5 метров. Для широкоформатных камер с форматом кадра 230×230 мм и с объективом с фокусным расстоянием 300 мм гипперфокальное расстояние составляет около 200 м, а глубина пространства должна быть около 120 метров. Тест - объект с такой относительной глубиной пространства может быть создан лишь в горах. Создание такого тест-объекта для топографических камер в равнинных условиях невозможно.

Известен способ фотограмметрической калибровки фотокамер по снимкам тест-объекта [Гельман Р.Н. Точность измерений по снимкам, полученным неметрической фотокамерой // Геодезия и картография. - 1982. - №7. - С.29-32]. Способ основан на фотографировании тест-объекта двумя фотокамерами из одной точки пространства. При этом элементы внутреннего ориентирования одной камеры должны быть известны, а параметры ее фотограмметрической дисторсии - пренебрежимо малы. Снимки, полученные фотокамерой с известными элементами внутреннего ориентирования, считаются эталонными. Определение элементов внутреннего ориентирования и параметров фотограмметрической дисторсии второй фотокамеры выполняется при сравнении полученного фотоизображения с эталонным фотоснимком.

Недостатком способа является сложность калибровки, обусловленная необходимостью иметь эталонную фотокамеру с известными элементами внутреннего ориентирования и с пренебрежимо малыми параметрами фотограмметрической дисторсии. Следовательно, эталонная камера должна иметь высокие метрические характеристики, какими обладают фототеодолиты или современные аэрофотоаппараты. Фототеодолиты в настоящее время не выпускаются, а современные аэрофотоаппараты недостаточно широко распространены из-за высокой стоимости, оборудования. Кроме того, эталонную камеру также необходимо периодически калибровать, причем способом, обеспечивающим не относительное, а абсолютное определение параметров фотограмметрической дисторсии.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ, включающий определение координат точек плоского тест-объекта, фотографирование тест-объекта, измерение координат точек тест-объекта на снимках, вычисление элементов внутреннего ориентирования и параметров фотограмметрической дисторсии [Тюфлин Ю.С., Степаньянц Д.Г., Князь В.А., Желтов С.Ю. Предвычисление точности определения координат точек объекта в ближней фотограмметрии // Геодезия и картография. - 2004. - №11. - С.29-32]. Способ основан на двукратном фотографировании тест-объекта одной фотокамерой из одной точки пространства. При этом тест-объект после первого фотографирования перемещают вдоль оптической оси фотокамеры на определенное расстояние. Величину перемещения фиксируют с помощью отсчетного приспособления с высокой точностью. Координаты точек тест-объекта измеряют на снимках. Элементы внутреннего ориентирования вычисляют совместно с элементами внешнего ориентирования снимков из решения уравнений коллинеарности, составленных для каждого изображения точки тест-объекта на снимках. Параметры фотограмметрической дисторсии определяют по остаточным расхождениям вычисленных и измеренных координат точек тест-объекта с учетом найденных элементов внешнего и внутреннего ориентирования снимков.

Недостатком известного решения является непригодность способа для калибровки широкоформатных фотокамер с нормально и длиннофокусными объективами. Так, при калибровке фотокамеры с форматом кадра 230×230 мм и с фокусным расстоянием объектива 150 мм, гиперфокальное расстояние составит минимум 50 м. Габариты тест-объекта, при этом, должны быть порядка 75×75 м, а перемещение тест-объекта должно составить около 25 м. При калибровке аналогичной фотокамеры с фокусным расстоянием объектива 300 мм гиперфокальное расстояние составляет 200 м. Габариты тест-объекта, в этом случае, достигают 160×160 м, а перемещение тест-объекта составит около 90 м. Создание тест-объекта такого размера в условиях наземной калибровки практически невозможно.

Задачей изобретения является обеспечение процесса полной калибровки фотокамер любого формата с любыми фокусными расстояниями объективов по фотографиям плоскостного тест-объекта, получение в процессе калибровки параметров характеризующих суммарное влияние факторов, отличающих реальный фотоснимок от «идеальной» центральной проекции сфотографированного объекта, в условиях реального воздушного фотографирования.

Поставленная задача достигается тем, что в способе, включающем определение координат точек плоского тест-объекта, фотографирование тест-объекта, измерение координат точек тест-объекта на снимках, вычисление элементов внутреннего ориентирования и параметров фотограмметрической дисторсии, плоский тест-объект создают на поверхности земли, фотографирование тест-объекта выполняют с самолета с двух высот фотографирования, а разность высот определяют с помощью бортовой системы спутниковой навигации (GPS), при вычислении элементов внутреннего ориентирования координаты главной точки снимка принимают равными координатам центральной точки кадра, а фокусное расстояние вычисляют по точкам тест-объекта, расположенным симметрично относительно центра кадра.

Способ осуществляется следующим образом.

Тест-объект создают на равнинном участке местности в виде сети опорных маркированных точек. Опорные точки располагают в узлах регулярной сетки квадратов, с таким расчетом, чтобы обеспечивалось равномерное распределение точек по всему полю фотоснимков. В районе расположения тест-объекта создается 2-3 базовые станции для определения координат спутниковыми приемниками. Координаты опорных точек определяются относительно базовых станций.

Минимальную высоту фотографирования выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечивалось фокусирование объектива на бесконечность, и определяют ее по известной формуле:

;

где f - приближенное значение фокусного расстояния фотокамеры, n - знаменатель относительного отверстия объектива, δ - допустимый диаметр кружка нерезкого изображения на снимке.

Фотографирование выполняют с самолета, с двух высот с определением координат центров фотографирования. Координаты центров фотографирования определяют с помощью спутниковых приемников, установленных на базовых станциях и на борту самолета. Разность высот фотографирования выбирают в зависимости от значения фокусного расстояния. Для короткофокусных фотокамер разность высот фотографирования должна составлять от 0.2 до 0.5 Н, для среднефокусных фотокамер - от 0.5 до 0.6 Н, для длиннофокусных фотокамер - от 0.6 до 1.0 Н. При фотографировании точку съемки стараются совместить с центром тест-объекта.

Координаты опорных точек измеряют на аналоговых, аналитических приборах или на цифровых фотограмметрических станциях. Положение главной точки задают путем измерения координат меток прикладной рамки фотоаппарата. Для цифровых любительских камер в качестве главной точки снимка выбирают центральную точку кадра. Измеренные координаты точек приводят к системе координат снимка с началом системы координат в главной точке снимка.

Координаты главной точки снимка x₀, y₀ принимают равными нулю. Фокусное расстояние фотокамеры вычисляют по отрезкам, сформированным из опорных точек, расположенных симметрично относительно центра кадра. Известно, что длины таких отрезков не искажаются под влиянием углов наклона снимка и рельефа местности.

Если H₁ - высота фотографирования крупномасштабного снимка, H₂ - высота фотографирования мелкомасштабного снимка, ΔH - разность высот фотографирования, В - базис между опорными точками на местности, b₁, b₂ - изображение базиса соответственно на крупномасштабном и мелкомасштабном снимке, то:

H₁=f·m₁,

H₂=f·m₂,

ΔH=H₂-H₁=f(m₂-m₁)=f·Δm

где , , тогда

Для повышения точности вычисления фокусного расстояния и уменьшения влияния дисторсии на результат вычисления фокусного расстояния следует ограничить минимальное и максимальное допустимое значение базиса на снимке, а также установить допустимую асимметрию отрезка относительно главной точки снимка. Статистическими исследованиями установлено, что оптимальная длина отрезка на снимке должна быть в интервале от 40% до 80% длины стороны кадра, а допустимая асимметрия не должна превышать 10% длины отрезка. Окончательное значение фокусного расстояния вычисляют как среднее арифметическое из значений, полученных по всем допустимым отрезкам. С целью уменьшения влияния дисторсии объектива и влияния асимметрии отрезков на результаты определения фокусного расстояния, в качестве опорных точек выбирают квазиопорные точки. Для получения координат квазиопорных точек опорные точки группируют по четвертям координатной системы снимка с началом в главной точке снимка. В каждой четверти ограничивают группировку, задавая координаты в интервале от 20% до 80% максимального радиуса на снимке. Из координат точек, сгруппированных таким образом, вычисляют средние значения координат, которые являются координатами квазиопорных точек. Базисы формируют из симметричных относительно начала координат квазиопорных точек. Таким образом фокусное расстояние определяют с контролем по двум отрезкам.

Вычисляют элементы внешнего ориентирования (ЭВО) снимка, к которым относятся координаты центра фотографирования и углы наклона и поворота снимка. Для этого составляют и решают систему уравнений (2):

Решение производится методом функциональной итерации. Задают приближенные значения неизвестных величин. Функции ϕ_x, ϕ_y раскладывают в ряд Тэйлора, получают линейные уравнения относительно поправок к приближенным значениям неизвестных. Уравнения (2) составляют для каждой опорной точки. Формируют систему линейных уравнений и решают ее. Полученными в результате решения поправками исправляют приближенные значения неизвестных. Таким образом получают второе приближение ЭВО. С исправленными значениями ЭВО вновь составляют и решают систему линейных уравнений и получают третье приближение неизвестных. Итерации повторяют до тех пор, пока величины поправок к ЭВО не потеряют смысла.

Влияние остаточной дисторсии в опорных точках определяют как разность между координатами точек, измеренными на снимках, и координатами этих же точек, вычисленными с использованием элементов внешнего и внутреннего ориентирования по известным формулам:

Поправки в координаты произвольной точки снимка определяют по формулам (5):

,

где Р - вес точки, обратно пропорциональный расстоянию текущей точки от ближайших опорных точек.

Представленный способ проверен в лабораторных условиях с использованием малоформатных камер и на математических макетах местности и снимков, расчищенных для условий применения широкоформатных аэрофотокамер.

Лабораторная калибровка камеры выполнялась представленным способом на специально созданной лабораторной установке. В качестве тест-объекта использовалась сетка квадратов со стороной 5 см, распечатанная на пластике и наклеенная на мраморный экран. Фотографирование тест-объекта производилось с двух высот. Разность высот определялась с помощью специальной линейки с точностью 0.1 мм. В результате калибровки определялось фокусное расстояние и параметры дистрсии объектива камеры.

Результаты лабораторной калибровки тестировались путем сравнения точности построения ортофотопланов местности. Аэросъемка производилась с борта радиоуправляемой модели с высоты 200 м участка местности площадью около 9 га. На участке местности были определены плановые координаты 20 опознаков, которые использовались в качестве опорных точек. Ортофотопланы создавались как с учетом, так и без учета параметров калибровки. Оценка точности производилась по расхождениям координат опорных точек. Средние смещения точек на калиброванном изображении составили 0.2 м, а на фотопланах, построенных без учета параметров калибровки, среднее смещение точек достигло 2.0 м.

Математическое моделирование калибровки широкоформатных камер производилось по специально составленной программе. Макет местности представлял собой равнинный участок размером 1 кв. км с перепадом высот до 10 м. Опорные точки задавались по всей площади участка по сетке квадратов со стороной 50 м. Макеты снимков создавались в масштабе 1:5000 и 1:10000. В координаты точек на снимках вводились случайные ошибки измерения и идентификации точек. Систематические ошибки моделировали влияние дисторсии объектива. Предельные значения систематических ошибок в 10 раз превосходили средние квадратичные значения случайных ошибок измерения координат точек. В разности высот центров проекции вносились случайные ошибки со средним квадратичным отклонением 0.2 м. Процесс калибровки повторялся многократно, до ста повторений. Параметры калибровки сравнивались с макетными значениями. В результате статистических исследований установлено, что в принятых условиях моделирования фокусное расстояние определяется с погрешностью 1/10000-1/15000, а учет модели деформации изображения обеспечивает коррекцию координат точек на снимке с погрешностями, не превышающими случайные ошибки измерений.

Предлагаемый способ позволяет выполнять полную калибровку фотокамер любого формата с любыми фокусными расстояниями объективов по фотографиям плоскостного тест-объекта, получение в процессе калибровки параметров, характеризующих суммарное влияние факторов, отличающих реальный фотоснимок от «идеальной» центральной проекции сфотографированного объекта, в условиях реального воздушного фотографирования.

По сравнению с лабораторной калибровкой, которая производится в специальных лабораториях, имеющихся лишь в специализированных научных учреждениях, предлагаемый способ позволяет выполнять калибровку в процессе эксплуатации аэросъемочного оборудования без отвлечения аппаратуры от производственного цикла. Параметры лабораторной калибровки могут существенно отличаться от параметров внутреннего ориентирования в условиях реального аэросъемочного полета. Предлагаемый способ калибровки может использоваться для исследования как цифровых, так и аналоговых аэрофотокамер. Полигон с указанными параметрами создается в Омской области и будет использоваться для оперативного уточнения параметров калибровки аэрофотоаппаратов.

Способ фотограмметрической калибровки фотокамер включает определение координат точек плоского тест-объекта, фотографирование тест-объекта, измерение координат точек тест-объекта на снимках, вычисление элементов внутреннего ориентирования и параметров фотограмметрической дисторсии. Плоский тест-объект создают на поверхности земли. Фотографирование выполняют с самолета с двух высот фотографирования, а разность высот определяют с помощью бортовой системы спутниковой навигации (GPS). При вычислении элементов внутреннего ориентирования координаты главной точки принимают равными координатам центральной точки кадра, а фокусное расстояние вычисляют по точкам тест-объекта, расположенным симметрично относительно центра кадра. Технический результат - обеспечение процесса полной калибровки фотокамер любого формата с любыми фокусными расстояниями объективов по фотографиям плоскостного тест-объекта, получение в процессе калибровки параметров, характеризующих суммарное влияние факторов, отличающих реальный фотоснимок от «идеальной» центральной проекции сфотографированного объекта, в условиях реального воздушного фотографирования.

Способ фотограмметрической калибровки фотокамер, включающий определение координат точек плоского тест-объекта, фотографирование тест-объекта, измерение координат точек тест-объекта на снимках, вычисление элементов внутреннего ориентирования и параметров фотограмметрической дисторсии, отличающийся тем, что плоский тест-объект создают на поверхности земли, фотографирование выполняют с самолета с двух высот фотографирования, а разность высот определяют с помощью бортовой системы спутниковой навигации (GPS), при вычислении элементов внутреннего ориентирования координаты главной точки принимают равными координатам центральной точки кадра, а фокусное расстояние вычисляют по точкам тест-объекта, расположенным симметрично относительно центра кадра.