【技术】关于倾斜航空摄影技术的优化设计，这些知识点航测人必知！

测绘之家 2022-04-26

倾斜航空摄影技术设计在地面分辨率选择、航高计算等方面沿用了框幅式数码相机航空摄影的设计思路和内容；在航摄时间选择、航摄分区划分、影像重叠度与航线敷设设计、分区覆盖等方面，倾斜航空摄影与框幅式数码航空摄影存在差异。

航摄时间选择设计

倾斜航空摄影的对象通常是高层建筑密集的城市地区和高差较大的陡峭山区，因此航空摄影时需要特别注意太阳高度角及出现阴影，阴影太大会直接影响影像处理的效果。太阳高度角推算摄区的摄影时间参考公式为

式中，tθ为太阳时角，单位为 (°)；hθ为太阳高度角，单位为 (°)；δθ为摄影日期的太阳赤纬，单位为 (°)；φ为摄区的平均地理纬度，单位为 (°)；Tφ为摄区地方时，单位为时。为便于后期影像判读与处理，建议高差特大的陡峭山区或高层建筑物密集的大城市要求在正午前后1 h内进行航空摄影，阴影倍数不大于1倍。

地面分辨率与航摄分区设计

在数码相机航摄时统一都使用GSD（Ground Sample Distance）概念。使用数码相机航摄时，航线设计以GSD为出发点，先由成图比例尺确定GSD，进而确定航高。在高差较小的地区航摄时，成图比例尺与GSD的对应关系如下表所示：

倾斜航空摄影为了体现真实纹理的三维实景影像，多选择建城区或有较大高差的区域作为摄区，具有航摄面积小、影像分辨率高的突出特点。一般情况下优于0.2 m，最高甚至可达0.03 m。在地面分辨率选择、航高选择与划分航摄分区时，应当重点注意以下几点：

(1) 利用下视影像进行标准测绘产品生产时，比例尺精度选择需要严格遵循框幅式数字航空摄影规范的要求，1:500比例尺不超过5cm，1:1000比例尺在8~10 cm之间，1:2000比例尺在15~20 cm之间；航摄时需要顾及地表高差影响，高差 (包含建筑物) 大于1/4相对航高时，建议分区进行航摄。如能确保航线在直线性的情况下，分区的跨度应尽量划大。

(2) 仅生产实景三维影像数据时，可根据三维影像的目视效果合理设置地面分辨率。由于高差影响，摄区内最高点和最低点的分辨率、重叠度有较大变化。根据经验，在满足最高点重叠度的前提下，最高点、最低点与基准面分辨率不超过1.5倍为宜。如果超过1.5倍，建议分区进行航摄。

影像重叠度与航线敷设设计

在建筑物密集的城市地区倾斜摄影获取的影像存在严重的地物遮挡现象，为了获取全方位无信息盲点的倾斜影像，同时也为了多视影像的整体平差效果，应采取大重叠的影像获取方式。影像重叠度以下视相机为基础，与垂直摄影重叠度设计不同，倾斜航摄下视相机的航向重叠度一般不小于70%，也不宜过大，以80%以内为宜；旁向重叠度建议在50%~80%之间，可与航向重叠度相近。以大疆M300 RTK+赛尔102S为例我们建议航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%。

分区覆盖设计

根据侧视相机倾斜角度和视场角的关系，航向和旁向覆盖超区分区边界线理论值计算公式为

式中，P为航向或旁向重叠度；θ为倾角；β为视场角。在实际飞行中，由于大气等各因素的影响，航向或旁向覆盖超出边界线的实际值一般按照基线数=理论值+2、航线数=理论值+1进行计算。当倾斜角为45°，视场角为40°、52°，航向和旁向重叠度均设计为70%时，超区分区边界线的理论值计算为5和4，即航摄时航带内超出7条基线，摄区范围外侧需要超出5条航线。

检校场航摄设计

由于普通数码相机为非量测型相机，当用于测量时，还需要进行严格的相机标定以获取其内方位元素及镜头畸变参数，相机畸变参数的准确性会影响空三加密精度，赛尔102S倾斜摄影相机出厂前都经过精密的双重检校。

相机的光学畸变参数主要考虑径向畸变与切向畸变。光线在远离透镜中心的地方比靠近中心的地方更加弯曲，可以理解为沿中心半径方向越远畸变越大，径向畸变参数K1、K2、K3。切向畸变可以理解为沿圆切方向的畸变，切向畸变参数P1、P2。

室内检校场：室内三维检校场是应用数码相机不同角度近景拍摄一组照片，通过对标靶相对关系计算，即可输出相机的初始标定参数。图示为赛尔定制版相机检校软件。

室外三维控制检校场：无人机倾斜摄影系统通过实地飞行获取真实三维场景照片组，通过地面控制点参与运算提高相机检测的精度和可靠性，进一步验证无地面控制点情况下的精度情况并最终检校输出。图示为赛尔相机室外三维控制检校场。

航高

对于无人机搭载的航测相机而言，其焦距是购置时已知的，以赛尔无人机航测相机为例主要有25mm、35mm、40mm、56mm，用于倾斜航摄仪的镜头焦距一般是组合存在的，用于轻小型无人机上的倾斜航摄仪的下视相机的焦距一般有25mm、35mm等几种。焦距的大小直接与航摄时的航高相关。单像元大小d/地面分辨率GSD=焦距f/航高H，则：H=GSD*f/d从上式可以看出，相同GSD条件下，d/f小的航测相机，所需的航高较高，对天气条件要求比较苛刻。

航线外扩

赛尔倾斜摄影相机102S由5个单相机集成，数据获取时为了获取到测区范围内完整的侧面纹理，倾斜航摄仪的航线一般要完整覆盖测区需要在航向和旁向均超出一定的距离，航向方向一般是以摄影基线数量衡量，旁向方向上一般以航线数量（旁向间距）衡量。摄影基线、旁向间距的长度与重叠度、像素数和地面分辨率有关，计算方法如下：假设以传感器长边垂直于飞行方向（见下图），航向重叠度80%，旁向重叠度65%，设定地面分辨率为0.02米。

摄影基线B=4000*（1-80%）*0.02米=16米旁向间距L=6000*（1-65%）*0.02米=42米倾斜航线设计时，为保证数据完整、有效获取，可以根据侧视相机倾斜角度和视场角的关系，计算出航向和旁向覆盖超区分区边界线理论值为

式中，P为航向或旁向重叠度；θ为倾角；β为视场角。在实际飞行中，由于大气等各因素的影响，航向或旁向覆盖超出边界线的实际值一般按照基线数=理论值+2、航线数=理论值+1进行计算。

变高航线设计

三维模型的质量最重要的因素就是分辨率；另外倾斜摄影的模型高程精度一般是地面分辨率（GSD）的三倍，如果生成的正射影像的分辨率是5cm，那模型的高程精度基本就是15cm,最大限差为2倍中误差即30cm，所以为了得到满足精度要求的倾斜模型，GSD就有一定的限制。

对于丘陵、山区、高山区、由于存在一定的高差，如果按照等高的形式进行航线设计，为了保证飞机安全，则会受到测区内最高点的高程的影响，一般会按照测区最高点的高程+安全距离的方式完成航线设计，这种航线设计的方式明显增加了飞行高度，降低了GSD，进而降低了高程精度及模型质量，而且这种情况会随着测区高差的变化而发生变化。

如上图所示，为了解决这种问题，需要专门结合地形设计一种变高航线，最大程度上做到以相对较低且一致的航高，获取测区内GSD相对一致的倾斜数据，满足用户对于高精度、高分辨率的需求。

建筑高度引入航线设计

航摄飞行过程中，航线设计时主要采用的是地形图的高程信息，未引入人为构建的独立地物、建筑物等高度，若测区出现高度高于相对航高的独立地物或建筑物，很容易出现撞机事故，引发飞机坠毁，严重情况下引起人身财产损失。所以将建筑物的高度引入航线设计中很有必要。另外，当测区建筑较高的时候，建筑屋顶会在影像中形成较大的投影差，如下图所示，单纯考虑地面物体的重叠度必然导致建筑屋顶出现漏洞，需要结合相对航高、重叠度以及建筑高度等方面的相关因素加以分析。

建筑高度与重叠度关系我们在进行航线设计的时候将建筑高度引入航线设计中，尤其是引入进倾斜航线设计中，在进行航线设计的过程中输入测区的最高建筑的高度，通过调整重叠度，尤其是旁向重叠度，以达到测区最高点以及最高建筑顶部的重叠度都能满足要求，这种航线设计的对策对于保证数据的有效获取，避免模型出现漏洞具有明显的优势。

更多关于关于航高、分辨率、重叠度的设置数据计算，可打开“赛尔工具箱”点击航拍参数计算，或进入赛尔无人机微信公众号打开“赛尔航测计算助手”小程序即可自动计算相应结果。

赛尔工具箱软件

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来源：赛尔无人机

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