A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)概述

摘 要：航空攝影測量已進(jìn)入到數(shù)字?jǐn)z影測量階段，并且已經(jīng)成為獲取空間和屬性數(shù)據(jù)的重要手段。數(shù)碼相機(jī)的飛速發(fā)展促進(jìn)了航空攝影測量向數(shù)字航空攝影測量的發(fā)展，同時(shí)各種數(shù)碼航攝儀也應(yīng)運(yùn)而生。以色列VisionMap公司的A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)在設(shè)計(jì)理念方面有很大的創(chuàng)新，本文介紹了A3系統(tǒng)的一些原理與技術(shù)，包括系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)、無控制點(diǎn)獲取的高精度結(jié)果、拍攝過程中各種位移補(bǔ)償方法、數(shù)據(jù)后處理的能力和方式等內(nèi)容。通過分析驗(yàn)證了A3系統(tǒng)中一些巧妙的設(shè)計(jì)使其性能能夠滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)碼航攝儀 位移補(bǔ)償 控制點(diǎn) 影像

中圖分類號(hào)：P23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）04（b）-0037-04

自2000年第一臺(tái)真正意義上的數(shù)碼航攝相機(jī)發(fā)布并投入使用以來，數(shù)碼航空攝影測量一直在爭議中不斷發(fā)展。經(jīng)過10多年的發(fā)展至今，數(shù)碼航攝攝影已基本取代了傳統(tǒng)光學(xué)膠片航空攝影[1]。在此期間受限于CCD尺寸、存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸速率、計(jì)算機(jī)技術(shù)和光學(xué)鏡頭工藝水平等等技術(shù)限制，為獲取更高的航空攝影效率和精度，不得不使用額外的設(shè)計(jì)，由此衍生了多種多樣的數(shù)碼航攝儀。

按照成像方式一般可以將數(shù)碼航攝儀分為單一大面陣，多鏡頭、多CCD合成大幅面框幅式和線陣推掃式幾大類[2]。很難用一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)去衡量這些數(shù)碼航攝儀的優(yōu)劣，他們各有特點(diǎn)，適用于不同的領(lǐng)域。

本文介紹的以色列VisionMap公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)是比較特殊一種。這種數(shù)碼航攝儀使用了多種嘗試和創(chuàng)新，并取得了成功。本文主要介紹并分析了A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)的一些原理和技術(shù)。

1 A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)

A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)是一整套不可分割航空數(shù)碼系統(tǒng)，主要包括空中和地面兩大部分。空中設(shè)備主要有：航攝儀、控制存儲(chǔ)設(shè)備、飛行導(dǎo)航管理系統(tǒng)（圖1）。

地面數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)（圖2）由后處理軟件和硬件組成，主要功能包括：飛行設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、和數(shù)據(jù)處理。可自動(dòng)完成空中三角測量并生成DSM、DOM、傾斜影像、拼合后常規(guī)大幅面立體模型等產(chǎn)品。

整套A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)的特點(diǎn)。

（1）影像獲取非常高效，是同類數(shù)碼航空攝影系統(tǒng)的2～4倍。

（2）一次飛行可同時(shí)獲取垂直和傾斜影像。

（3）無需控制點(diǎn)和IMU設(shè)備就可獲取高精度結(jié)果。

（4）全自動(dòng)的空中三角測量、DTM、大面積正射影像成圖及鑲嵌。

（5）數(shù)據(jù)處理能力非常強(qiáng)大，可在2～5天時(shí)間內(nèi)處理5000平方公里的影像數(shù)據(jù)。

2 A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)主要原理和技術(shù)方法

2.1 物理結(jié)構(gòu)

它使用雙量測數(shù)碼相機(jī)剛性固定組合，垂直于飛行方向擺動(dòng)掃視拍攝（圖3）。單個(gè)量測數(shù)碼相機(jī)焦距300 mm。目前最新型號(hào)A3相機(jī)中單相機(jī)獲取的影像（以下稱子影像）幅面4006×2666像素，像素大小0.012 mm，擺動(dòng)最大掃攝視場角104度（圖4）。

2.2 掃視拍攝方式

單方向勻速擺動(dòng)掃視拍攝后快速回?cái)[，每臺(tái)相機(jī)獲取每秒可獲取3～4幅子影像。

一個(gè)掃視周期內(nèi)獲單個(gè)相機(jī)最多可獲取33幅子影像。

兩臺(tái)相機(jī)同時(shí)獲取的子影像之間重疊度不少于2%，掃視方向上相鄰子影像重疊度不少于15%（圖4）。

單次擺動(dòng)掃視后的的影像通過糾正后可合成幅面達(dá)62000pix×8000pix的大幅面中心投影影像（圖5）。

2.3 覆蓋能力

掃攝視場角104度，設(shè)航高H，理論上其單張大幅面影像覆蓋寬度為：

2H×tan52=2.56H

即覆蓋寬度為航高的2.56倍。

但是為保證正射影像的合理性，需要以傳統(tǒng)光學(xué)膠片航攝相機(jī)旁向重疊25%（平地、村鎮(zhèn)）和40%（山地、城區(qū)）情況下的地物投影差為界作為分類標(biāo)準(zhǔn)[3]，將獲取的大幅面影像分為正射影像和傾斜影像兩個(gè)部分（圖6、圖7）。

為保證正射影像區(qū)域的地物投影差滿足要求并存在一定的重疊度，使用A3數(shù)碼航攝儀拍攝時(shí)旁向重疊度在平地、村鎮(zhèn)地區(qū)一般需要大于60%。在山地、城區(qū)執(zhí)行航空攝影時(shí)為保證效果，其旁向重疊度應(yīng)大于80%。

此時(shí)在相同飛行高度情況下A3數(shù)碼航攝儀的航線間隔略優(yōu)于其他數(shù)碼航攝相機(jī)，但是考慮到A3數(shù)碼航攝像機(jī)獲取同樣地面分辨率的影像時(shí)，其飛行高度一般是同類數(shù)碼航攝相機(jī)的1.5～3倍，所以在獲取同樣地面分辨率情況下，其正射影像區(qū)域覆蓋能力也是同類相機(jī)的1.5～3倍（表1、表2）。

2.4 無控制點(diǎn)獲取高精度結(jié)果的原理和方法

A3數(shù)碼航攝系統(tǒng)攜帶有雙頻GPS，可實(shí)時(shí)記錄每張子影像的位置信息。通過地面基站或事后精密單點(diǎn)定位技術(shù)解算獲取每張子影像的精確位置精度可達(dá)2～20 cm[4]。

掃攝時(shí)同一周期內(nèi)獲取的相鄰子影像重疊度大于15%，相鄰周期直接對(duì)子影像重疊度（航向方向上重疊度）大于56%，相鄰航帶旁向重疊度在60%以上，所以同一地物可出現(xiàn)大量的影像上，這些地物各自對(duì)應(yīng)一組獨(dú)立的子影像位置信息（圖4、圖8）。

通過大量重疊子影像，充分利用多目視覺[5]、多基線匹配技術(shù)[6]，對(duì)同一地物可獲取大量匹配數(shù)據(jù)。構(gòu)建三角網(wǎng)非常緊密，可同時(shí)獲取大量的冗余結(jié)果，這些結(jié)果通過平差解算足以以一個(gè)較高的精度趨近真實(shí)值。（圖9）。

在航向方向上相鄰影像由于基線非常短，投影差很小，有助于提高匹配數(shù)量、匹配精度、定向精度進(jìn)而提高平面精度[7]。

在相鄰航帶之間，由于旁向重疊度一般大于55%，可以同樣可用于匹配、量測等作業(yè)。而相鄰航帶之間視場角很大，可充分利用基高比大的優(yōu)點(diǎn)獲得很好的高程精度和人工量測精度[5]（表3）。

正射影像和傾斜影像均參與匹配和平差，同一地物不同角度的數(shù)據(jù)均參與計(jì)算，可以有效驗(yàn)證精度的可靠性。

綜合以上各種有利條件，通過光束法區(qū)域網(wǎng)平差和其自創(chuàng)的驗(yàn)證算法，A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)理論上可以在無控制點(diǎn)的情況下獲取較高的精度。

2.5 拍攝過程中各種位移補(bǔ)償方法

相比于傳統(tǒng)數(shù)碼航攝相機(jī)，A3數(shù)碼航攝相機(jī)在拍攝過程中存在不僅在飛行方向上存在位移變化，在其擺動(dòng)掃攝方向上也存在的位移，并且沒有陀螺穩(wěn)定座駕補(bǔ)償飛機(jī)飛行過程中震動(dòng)和姿態(tài)變化帶來的位移。必須通過設(shè)計(jì)補(bǔ)償以上各種位移。

A3數(shù)碼航攝系統(tǒng)通過全局快門曝光模式縮短曝光時(shí)間，此模式下所有像素同時(shí)曝光，可以保證所有像素在曝光時(shí)刻精度的一致性。

基于加速度傳感器和實(shí)時(shí)GPS的數(shù)據(jù)，通過編碼器計(jì)算所需要補(bǔ)償?shù)膮?shù)，并通過此參數(shù)控制一個(gè)特殊的內(nèi)置鏡頭組做微小的姿態(tài)變化，從而達(dá)到補(bǔ)償各種位移和角度變化的目的。其補(bǔ)償方式和消費(fèi)級(jí)單反數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)（俗稱鏡頭防抖）相同，但VisionMap聲稱其合作的鏡頭和相機(jī)后備提供商（佳能公司）做了特殊的設(shè)計(jì)，使其性能比一般消費(fèi)級(jí)的光學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)好。

在實(shí)際的飛行中，通過獲取的影像也表明這一方式可以有效補(bǔ)償像素位移[8]（圖10）。

3 數(shù)據(jù)后處理的能力和方式

數(shù)據(jù)下載后通過地面基站或精密單點(diǎn)定位技術(shù)計(jì)算每張子影像的高精度位置信息。以這些位置信息為基礎(chǔ)進(jìn)行匹配和區(qū)域網(wǎng)平差。

通過光束法區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算改正后合成大幅面影像的虛擬相機(jī)的自檢校參數(shù)，并輸出立體模型和糾正后的大幅面影像供立體測量使用。

評(píng)估精度并可生成DSM、DTM，同時(shí)可以計(jì)算、整理、生成并輸出傾斜影像和正射影像。

在此過程中A3數(shù)碼航攝相機(jī)分散的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常適合分布式作業(yè)，處理時(shí)間可以隨著后處理硬件設(shè)備的數(shù)量和能力穩(wěn)步提高[9]。

4 結(jié)語

A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)通過一系列巧妙的設(shè)計(jì)使其性能確實(shí)達(dá)到了其聲稱的標(biāo)準(zhǔn)。

在獲取傾斜影像時(shí)，只能獲取旁向方向上兩個(gè)角度的傾斜影像，飛行方向上兩個(gè)角度的傾斜度并不高，其應(yīng)用有一定的限制但能滿足大部分需要。

通過分析可以看出在獲取地面分辨率低于10 cm時(shí)有很大優(yōu)勢，在獲取優(yōu)于5 cm影像時(shí)，其效率開始大幅下降。

當(dāng)獲取10～25 cm分辨率時(shí)，A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)效率是其他數(shù)碼航攝相機(jī)的2～4倍。

當(dāng)?shù)孛娣直媛实陀?5 cm時(shí)，其飛行高度將大于7500 m。在此高度上執(zhí)行航空攝影，對(duì)天氣、能見度、飛行器的要求有了非常苛刻的要求，制約了其獲取更低分辨率提高效率的能力。當(dāng)對(duì)分辨率要求不高時(shí)，同類數(shù)碼航攝相機(jī)可以通過提高飛行高度以達(dá)到相同地面覆蓋效率。

雖然通過一系列的補(bǔ)償裝置有效減少了各種位移帶來的影響，但是A3數(shù)碼航攝相機(jī)300 mm的超長焦距，飛行時(shí)相對(duì)較高的高度，使其依然無法使用較慢的快門速度，對(duì)光照和能見度要求相對(duì)較高。

無控制點(diǎn)后處理方式和多基線、多目視覺的應(yīng)用非常值得借鑒，將大幅提高作業(yè)效率和精度。

參考文獻(xiàn)

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[3]GIM International Magazine，Dr.Yuri Raizman，F(xiàn)light Planning and Orthophotos.

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[7]張永軍，張勇.大重疊度影像的相對(duì)定向與前方交會(huì)精度分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2005（2）.

[8]FIG Working Week 2009， VisionMap A3-The New Digital Aerial Survey and Mapping System 52nd Photogrammetric Week， Stuttgart， Germany，2009，“The New VisionMap A3 Airborne Camera System”.

[9]ISPRS Congress Beijing 2008， VisionMap A3 Super Wide Angle Mapping System：Basic principles and workflow.