本发明涉及一种用于拍摄矩阵式图像的航空倾斜摄影的拍摄方法。
背景技术：
航空全景倾斜摄影装置属于航空摄影测量及航空倾斜摄影量的技术范畴。航空摄影测量是基于航空拍摄影像，以及利用摄影测量技术，生产各种测绘产品，包括数字地面模型，正射影像图以及线划地图。航空倾斜摄影测量是通过拍摄倾斜影像，获得地物的侧面纹理，再通过摄影测量的技术，建立真实的城市三维模型。
航空倾斜摄影作为传统航空摄影测量的突破，通过不同视角的相机组合，拍摄包括地面上的自然物体及人工建筑物。现有的航空倾斜摄影装置一般采用五相机组合的形式，包括一个下视相机及四个倾斜相机。由于相机多，在考虑到系统的体积及重量时，设计的倾斜相机一般就会采用商业化的中画幅相机或全画幅相机。
中国专利2017100622249公开了一种航空全景倾斜摄影装置，包括吊舱主体，所述吊舱主体上设置有至少两个下视相机，以及多个倾斜相机，所述至少两个下视相机沿横向排列，所述至少两个下视相机中相邻的下视相机的拍摄区域部分重叠。
中国专利2014800800293公开了一种用于捕获航空图像的系统，系统包括至少一个全景相机、多个细节相机以及用于支持相机的框架，每个细节相机比至少一个全景相机具有更长的焦距，每个细节相机在横向上不同的角度进行安装，使得细节相机的视场重叠以形成扩展的横向视场，框架能够附接到在相机孔上方的航空器地板，从而通过相机孔给相机提供在航空器下方的地面的视图。
中国专利201010562117.0公开了一种基于移轴原理的拼接成像系统，包括至少一个成像镜头，所述至少一个成像镜头设置于同一平面上，且具有相同的焦距和视场；以及设置于每一所述成像镜头的焦平面上的至少一个成像器件；其中，每一所述成像镜头被设置为其光轴垂直于其焦平面，且每一所述成像器件被设置为在其焦平面内具有预置的移轴量。
现有技术的缺陷在于：目前使用的航空倾斜摄影装置普遍采用多个内置相机，通过不同角度的摆放，实现多个角度拍摄，以获取地面的全景图像。所需内置相机数量多，摄影装置体积和重量大，成本高。
因此，如何提供一种适用范围广泛、效率高的倾斜摄影系统的摄影方法，成为业内需要解决的问题。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于拍摄矩阵式图像的航空倾斜摄影的拍摄方法，其定位精度高，拍摄效率高，实现了多角度自由拍摄。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于拍摄矩阵式图像的航空倾斜摄影的拍摄方法，其包括：
s1、航线测算：根据需要拍摄区域的面积，确定拍摄的高度和精度，进一步确定倾斜相机的焦距；
s2、确定倾斜相机的倾斜角度：先确定对应边缘拍摄平面的外侧倾斜相机的倾斜角度，根据外侧倾斜相机的倾斜角度，计算出剩余倾斜相机的倾斜角度；
s3、完成拍摄：根据不同的拍摄高度，确定相机的数目及相机的布局方式；通过控制模块控制倾斜相机进行拍摄，完成同一拍摄位置的矩阵式图像的获取。
本发明中，根据需要作业区域的要求，进行航线的测算，进而选择相机的焦距和确定相机的精度；根据作业区域中物体的高度，首先确定对应边缘拍摄平面的外侧倾斜相机的倾斜角度，选择确定以后，计算出对应其它拍摄平面的倾斜相机的倾斜角度，完成倾斜相机需要进行拍摄位置的布局。
本发明中，同一位置的获得的图像呈矩阵式分布，矩阵式图像的优势在于极大的提高作业效率。矩阵式图像是正摄影像与侧视影像的结合，它包含了更多的有效信息，避免了过多重叠区域。矩阵式图像的拍摄面积大、拍摄效率高，拍摄的图像之间相互补充，完整高效地记录地物特征，从而提高作业效率减少照片量，而且使后期建模更快捷准确。
根据本发明的另一种具体实施方式，步骤s2中，计算出剩余拍摄平面的倾斜角度的过程为：
最外侧倾斜相机的光轴与航线所在竖直面之间的夹角为α，相邻倾斜相机之间的夹角为β，则：
β＝2*α/(n-1)，其中，n为行数或者列数。
本方案中，确定最外侧倾斜相机的倾斜角度之后，根据同一拍摄位置十二个拍摄区域的图像呈矩阵分布的原则，对应其它拍摄区域的倾斜相机的角度均匀布满剩余需要拍摄图像的区域，以形成矩阵式的图像，进一步完成后期的建模。
根据本发明的另一种具体实施方式，最外侧倾斜相机的光轴与航线所在竖直面之间的夹角α的范围为：30°—45°。本方案中，最外侧倾斜相机的光轴与航线所在竖直面之间的夹角较大，例如40°，这样设置的目的在于，可以更加直接的获得作业区域中海拔较高物体的图像，获得的图像清晰度高，畸变小，有利于建模成型。
根据本发明的另一种具体实施方式，步骤s3中，倾斜相机的数目为十二个，十二台倾斜相机对应十二个拍摄平面，十二个拍摄平面呈三行四列或四行三列分布。本方案中倾斜相机的布局方式可以实现在最短的时间内完成预定拍摄位置的拍摄，这种拍摄方式不会受到航空器飞行速度的影响，拍摄速度更快，效率更高。
根据本发明的另一种具体实施方式，步骤s3中，倾斜相机的数目为四个，每一倾斜相机对应三个拍摄平面，同一拍摄位置获得十二个拍摄图像，十二个拍摄图像呈三行四列或四行三列分布；在同一拍摄位置，每一倾斜相机需要进行位置的切换，以实现在同一目标点完成三个拍摄平面的图像获取，进而获得十二个拍摄图像。
根据本发明的另一种具体实施方式，挂载舱设有第一转动舱、第二转动舱；第一转动舱中设有两台倾斜相机；第二转动舱中设有两台倾斜相机；第一转动舱围绕第一转轴转动，第二转动舱围绕第二转轴转动；第一转轴、第二转轴相互平行。本方案中，第一转动舱中的两台倾斜相机与第二转动舱中的两台倾斜相机，需要各自完成同一拍摄位置三个拍摄区域的图像获取。通过第一转动舱、第二转动舱的转动，带动倾斜相机至指定的三个位置进行拍摄，从而获得同一拍摄区域十二个拍摄平面的图像。第一转动舱、第二转动舱可以采用舵机进行驱动，相应的，也可以在舵机的输出端增设传动结构，例如传动杆，以使结构布局更加紧凑、合理。
根据本发明的另一种具体实施方式，第一转动舱中的两台倾斜相机相对于航线对称；第二转动舱中的两台倾斜相机相对于航线对称。这样设置的目的在于，最大程度的保证航空器整体的稳定性，使整个摄影系统承载均匀，四台倾斜相机的重心与航空器的重心相互吻合。相应的，也可以第一转动舱中的两台倾斜相机与第二转动舱中的两台倾斜相机，相对于航空器的飞行方向对称，以保证整体结构的稳定。
根据本发明的另一种具体实施方式，第一转动舱的转动范围覆盖了三个连续的方向，第二转动舱的转动范围覆盖了三个连续的方向；第一转轴、第二转轴的转动角度相同。
根据本发明的另一种具体实施方式，倾斜相机的镜头为定焦镜头，焦距为35mm-150mm。具体可以选择为：20mm、21mm、22mm、24mm、25mm、28mm、30mm、32mm、35mm、40mm、50mm、55mm、58mm、60mm、85mm、90mm、100mm、105mm、135mm、150mm；本方案中，倾斜相机的焦距根据飞行的高度、需要的精度要求等条件进行选择。
根据本发明的另一种具体实施方式，相邻拍摄位置获得的矩阵式图像之间具有70％-90％的重叠，方便后期建模。
本发明中，用于拍摄扩展图像外侧边缘图像的倾斜相机的倾斜角度较大，以解决倾斜相机拍摄的位于外侧边缘的图像被过度拉长、图像畸变较大，后期处理麻烦的问题，通过确定合理的飞行高度，实现对作业区域中海拔较高的物体进行直接拍摄，然后结合多个位置的图像，使建模更加清楚、准确。
本发明中，由于用于拍摄扩展图像外侧边缘图像的倾斜相机的倾斜角度较大，扩展图像相邻的图像之间会产生局部的缝隙，通过多个预设拍摄位置所获得扩展图像的重叠，以补充单独一个预设位置拍摄图像上的缺失部分的图像，以完成整个作业区域的完成的图像获取。
本发明中，矩阵式图像不限于三行四列，也可以为四行五列或者两行三列等多种组合形式，根据需要拍摄的场合的要求不同，可以选择不同的图像排布方式。
本发明的所提供的拍摄方法，拍摄速度快、建模精度高，在公共应急救急测绘中，有着广泛的应用，促进航空摄影快速化发展的进程。例如，当发生滑坡、泥石流等紧急灾情时，可以快速测量、及时建模，从而迅速将灾区情况的数据进行再现。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
1、通过该拍摄方法获取矩阵式的扩展图像，其同一位置拍摄面积大，拍摄效率高，节省拍摄作业的时间；
2、整个拍摄方法简单可靠，拍摄精度高，对倾斜相机的要求低，实现了多角度自由拍摄；
3、可以更加完整的重现作业区域内各个物体的真实比例关系，使后期模型更加清楚、准确。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是实施例1的拍摄方法的流程示意图；
图2是采用实施例1的拍摄方法得到的扩展图像示意图；
图3是完成实施例1的拍摄方法的摄影系统的整体结构示意图；
图4是图3中，成像机构的结构示意图；
图5a是图3中，第一转动舱、第二转动舱外倾时，四台倾斜相机的状态示意图；
图5b是图5a的俯视图；
图5c是图5a的侧视图；
图6a是图3中，第一转动舱、第二转动舱垂直向下时，四台倾斜相机的状态示意图；
图6b是图6a的俯视图；
图6c是图6a的侧视图；
图7a是图3中，第一转动舱、第二转动舱内倾时，四台倾斜相机的状态示意图；
图7b是图7a的俯视图；
图7c是图7a的侧视图；
图8是一个拍摄周期内，十二个拍摄方向的示意图；
图9航空器沿航线飞行时连续拍摄的图像所覆盖的范围图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种用于拍摄矩阵式图像的航空倾斜摄影的拍摄方法，如图1－2所示，在挂载舱设有十二个拍摄平面，拍摄平面呈三行四列或四行三列阵列分布；拍摄方法包括：
s1、航线测算：根据需要拍摄区域的面积，确定拍摄的高度和精度，进一步确定倾斜相机的焦距。
s2、先确定对应边缘拍摄平面的外侧倾斜相机的倾斜角度，根据外侧倾斜相机的倾斜角度，计算出剩余倾斜相机的倾斜角度；其中，计算出剩余拍摄平面的倾斜角度的过程为：最外侧倾斜相机的光轴与航线所在竖直面之间的夹角为α，相邻倾斜相机之间的夹角为β，则：β＝2*α/(n-1)，其中，n为行数或者列数。
s3、完成拍摄：根据不同的拍摄高度，采用四台倾斜相机，每一倾斜相机对应三个拍摄平面；通过控制模块控制倾斜相机进行位置的切换，从而完成同一拍摄位置的拍摄，获得如图2所示的三行四列的扩展图像。
一种实现上述拍摄方法的摄影系统，如图3－9所示，摄影系统包括：挂载舱1、成像机构2、第一转动舱3、第二转动舱4、控制器5。
其中，挂载舱1可拆卸地连接航空器，在挂载舱1设有连接件11、支撑框架12、顶部载板13，连接件11设在顶部载板13的上方，以用于快速实现与航空器的连接；支撑框架12设在顶部载板13的下方，控制模块5设在顶部载板13上。
成像机构2设在支撑框架12上，其包括两个摄影单元，每一个摄影单元包括两个倾斜相机，四台倾斜相机之间可以互换，根据需要作业的区域不同，确定四台倾斜相机的焦距和精度，例如飞行高度为200m，选用焦距为50mm的倾斜相机；每一台倾斜相机均以不同的角度进行安装；其中，四台倾斜相机分别为第一相机21、第二相机22、第三相机23、第四相机24；
在支撑框架12设有第一转动舱3、第二转动舱4，第一相机21、第二相机22固定在第一转动舱3中，第一转动舱3可以围绕第一转轴进行连续的摆动，在第一转动舱3上设有用于为第一相机21、第二相机22提供拍摄视场的开口结构。第三相机23、第四相机24固定在第二转动舱4中，第二转动舱4可以围绕第二转轴进行连续的摆动，在第二转动舱4上设有用于为第三相机23、第四相机24提供拍摄视场的开口结构。
第三相机23、第四相机24的布局如图5所示，第三相机23、第四相机24相对于中心轴l2对称，其中，中心轴l1和中心轴l2均平行于航空器飞行方向，且中心轴l1和中心轴l2相互平行。第三相机23的光轴与中心轴l2的夹角、第四相机24的光轴与中心轴l2的夹角均为α，其中α为40°。
第一相机21、第二相机22的布局如图3所示，第一相机21、第二相机22相对于中心轴l1对称，第一相机21的光轴与中心轴l1的夹角、第二相机22的光轴与中心轴l1的夹角均为β，其中β为13.5°。
如图5a－5c所示，其显示了第一转动舱、第二转动舱外倾40°时，四台倾斜相机的姿态，图中成像机构下方的区域为不同倾斜相机的视场范围。
如图6a－6c所示，其显示了第一转动舱、第二转动舱竖直向下时，四台倾斜相机的姿态，图中成像机构下方的区域为不同倾斜相机的视场范围。
如图7a－7c所示，其显示了第一转动舱、第二转动舱内倾40°时，四台倾斜相机的姿态，图中成像机构下方的区域为不同倾斜相机的视场范围。
如图8所示，在一个拍摄周期内，获得的十二个拍摄方向的图像所覆盖的范围；扩展图像中相邻的图像之间会产生局部的缝隙，通过多个预设拍摄位置所获得扩展图像的重叠，以补充单独一个预设位置拍摄图像上的缺失部分的图像，以完成整个作业区域的完成的图像获取。
如图9所示，航空器在飞行过程中，多个拍摄位置获得的扩展图像之间相互重叠，重叠度为75％，通过多个扩展图像之间的重叠，可以将每个扩展图像中遗漏的位置进行互补，从而获得作业区域完整的图像，以方便后期模型的建立。
本实施例所提供的摄影系统，驱动第一转动舱3、第二转动舱4转动的驱动部件为舵机，且第一转轴、第二转轴通过不同的舵机进行驱动，完成第一相机、第二相机、第三相机、第四相机位置的切换，从而完成同一拍摄位置三行四列的扩展图像的拍摄。
虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。