框幅式數(shù)字航空攝影飛行質(zhì)量檢查方法

陳潔， 楊達(dá)昌， 杜磊， 李京， 韓亞超

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

框幅式航空攝影成果質(zhì)量檢查主要包含影像質(zhì)量、飛行質(zhì)量、數(shù)據(jù)質(zhì)量和附件質(zhì)量[1-4]4個方面的檢查。其中的飛行質(zhì)量直接決定最終攝影成果的優(yōu)劣，也是質(zhì)量檢查過程中最耗時、最繁瑣的環(huán)節(jié)。近年來迅猛發(fā)展的數(shù)字航空攝影技術(shù)可直接生成數(shù)字化成果，利用這些成果，在計(jì)算機(jī)上就能完成影像質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)質(zhì)量分析和文檔、圖表等附件的編輯。唯獨(dú)飛行質(zhì)量檢查手段仍在沿用以往光學(xué)膠片攝影的操作流程，即先沖印紙質(zhì)像片，然后手工檢查的方法。這種方法雖然準(zhǔn)確度高，但生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，執(zhí)行周期長，不能及時反饋飛行質(zhì)量信息，難以滿足現(xiàn)代化全數(shù)字測繪發(fā)展的要求[5-7]。為此，發(fā)展一種全數(shù)字飛行質(zhì)量的檢查方法顯得尤為重要和迫切。

目前，四川省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站完成了“框幅式數(shù)字航空攝影成果質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)”課題研究，并通過國家測繪局驗(yàn)收[8]； 陜西省測繪局已發(fā)布了基于雙向KD-Tree(K-dimensional tree)的尺度不變特征變換(scale invariant feature transform，SIFT)影像匹配方法“航空攝影質(zhì)量自動檢查系統(tǒng)”[9]。許多學(xué)者也根據(jù)自身需要設(shè)計(jì)了相應(yīng)系統(tǒng)或軟件： 段福洲等[10]發(fā)展了一種基于圖像匹配的機(jī)載遙感影像質(zhì)量自動檢查方法； 余長慧等[11]進(jìn)行了數(shù)字航空攝影成果的自動質(zhì)量檢查系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 吳石虎[12]實(shí)現(xiàn)了航空攝影飛行質(zhì)量數(shù)字化驗(yàn)收系統(tǒng)設(shè)計(jì)。上述成果和相關(guān)研究雖然均取得了較好的試驗(yàn)效果，但是所研發(fā)系統(tǒng)和軟件的實(shí)用性有待提高，準(zhǔn)確性也需進(jìn)一步驗(yàn)證。為此，本文提出了一種基于質(zhì)量檢查軟件和機(jī)載POS(position and orientation system)數(shù)據(jù)的飛行質(zhì)量檢查方法，實(shí)現(xiàn)了對框幅式航空攝影所有飛行質(zhì)量因子的全數(shù)字化質(zhì)量檢查，并與湖南省衡陽市實(shí)驗(yàn)區(qū)的人工質(zhì)量檢查結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 質(zhì)量檢查內(nèi)容和方法

1.1 質(zhì)量檢查內(nèi)容

本文闡述的質(zhì)量檢查內(nèi)容執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)[1]，主要包括航向重疊度、旁向重疊度、航線彎曲度、像片旋偏角、最大航高與最小航高之差、實(shí)際航高與設(shè)計(jì)航高之差以及測區(qū)覆蓋等。

1.2 質(zhì)量檢查方法

該方法首先使用飛行質(zhì)量檢查軟件對框幅式數(shù)字影像進(jìn)行自動匹配，包括航線內(nèi)的模型匹配和航線間匹配，實(shí)現(xiàn)航向重疊度、旁向重疊度及旋偏角等飛行質(zhì)量因子的自動檢查； 然后利用機(jī)載POS數(shù)據(jù)檢查航線彎曲度、航高保持和測區(qū)覆蓋等飛行質(zhì)量內(nèi)容。具體操作方法和步驟如下：

1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。按規(guī)范[4]要求生成數(shù)字影像，并命名； 下載機(jī)載POS數(shù)據(jù)。

2)利用飛行質(zhì)量檢查軟件檢查質(zhì)量(圖1)。

圖1 飛行質(zhì)量檢查軟件工作流程

首先根據(jù)實(shí)際航空攝影項(xiàng)目進(jìn)行項(xiàng)目名稱、飛行航高、重疊度及像機(jī)類型等參數(shù)的設(shè)定； 然后導(dǎo)入數(shù)字影像，并設(shè)置航帶信息，要求航片和航帶間位置關(guān)系與實(shí)際飛行吻合，同時可對影像進(jìn)行壓縮、旋轉(zhuǎn)等操作； 若有每張影像的外方位元素，可導(dǎo)入該數(shù)據(jù)用以確定影像和航帶間的位置關(guān)系，若無外方位元素，則需進(jìn)行航帶間同名點(diǎn)的手工匹配，且同名像對至少有2對； 完成以上數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)行影像的自動匹配，尋找同名點(diǎn)，應(yīng)用相關(guān)算法進(jìn)行重疊度、旋偏角等質(zhì)量因子的計(jì)算，最終生成飛行質(zhì)量報(bào)告。

飛行質(zhì)量報(bào)告的檢查參數(shù)設(shè)定可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行，如圖2所示。

圖2 飛行質(zhì)量檢查參數(shù)設(shè)定

對于已有外方位元素的影像數(shù)據(jù)，可檢查航高保持和航線彎曲度等質(zhì)量因子； 若沒有外方位元素，則主要檢查重疊度和旋偏角的質(zhì)量控制情況。生成的飛行質(zhì)量檢查報(bào)告包括整個測區(qū)的基本信息、統(tǒng)計(jì)信息、詳細(xì)信息和超限內(nèi)容統(tǒng)計(jì)4部分內(nèi)容。各部分所包含的具體信息如圖3所示。

(a) 飛行質(zhì)量報(bào)告第1,2部分(b) 飛行質(zhì)量報(bào)告第3部分(c) 飛行質(zhì)量報(bào)告第4部分——測區(qū)基本信息和統(tǒng)計(jì)信息——詳細(xì)信息——超限內(nèi)容統(tǒng)計(jì)

3)利用機(jī)載POS數(shù)據(jù)檢查飛行質(zhì)量。對下載的機(jī)載POS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用生成的航向角度報(bào)告檢查旋偏角，用飛行軌跡報(bào)告檢查重疊度和航線彎曲度，用航高報(bào)告檢查航高保持情況，用曝光點(diǎn)坐標(biāo)檢查航空攝影測區(qū)覆蓋情況。其中，旋偏角是根據(jù)POS系統(tǒng)記錄的曝光時刻航向角與設(shè)計(jì)航向角的差值計(jì)算所得。本次實(shí)驗(yàn)在航空攝影過程中沒有對航空攝影儀座架進(jìn)行調(diào)整，使影像的X方向始終與飛機(jī)中軸線保持平行，其目的是讓獲取的每張航片自身帶有一定的旋偏角，以驗(yàn)證該方法計(jì)算出的旋偏角的準(zhǔn)確度； 飛行軌跡可顯示航線和曝光點(diǎn)位置、影像框幅大小和覆蓋范圍，直觀地反映重疊度、旋偏角和航線彎曲度情況，但不能從數(shù)量上給予評價。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與精度分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于湖南省衡陽市。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由Leica公司的框幅式航空攝影像機(jī)DMC(digital mapping camera)獲得。航線布設(shè)如圖4所示，飛行方向?yàn)槟媳毕?，飛行絕對高度為1 100 m，影像的地面分辨率為0.1 m，設(shè)計(jì)的航向和旁向重疊分別為70%和40%。試驗(yàn)飛行獲取4條航線，共84張航空數(shù)碼影像。為了方便后期的對比分析，在整個航空攝影過程中，航空攝影儀座架始終處于零刻度位置，即與飛機(jī)的中軸線平行的位置。

圖4 湖南實(shí)驗(yàn)區(qū)航線布設(shè)示意圖

首先，利用飛行質(zhì)量檢查軟件對所獲取的影像進(jìn)行自動質(zhì)量檢查，由于沒有導(dǎo)入機(jī)載POS數(shù)據(jù)，所以獲得的質(zhì)量檢查報(bào)告主要檢查本次航空攝影的重疊度和旋偏角。根據(jù)GB/T 27920.1-2011[4]要求，質(zhì)量檢查主要參數(shù)的臨界值分別為航向重疊56%、旁向23%、旋偏角15°。超限內(nèi)容被記錄在飛行質(zhì)量報(bào)告的第4部分。

該質(zhì)量檢查報(bào)告直接顯示出每張像片的重疊度、旋偏角數(shù)值，若有不合規(guī)范的內(nèi)容，再根據(jù)報(bào)告的第4部分(圖3(c)，超限內(nèi)容)，通知野外飛行人員進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)飛。

利用機(jī)載POS數(shù)據(jù)對航高保持、航線彎曲度和范圍覆蓋等內(nèi)容進(jìn)行質(zhì)量檢查。機(jī)載POS系統(tǒng)以1 Hz的頻率記錄飛行軌跡和曝光時刻姿態(tài)，可以很好地反映飛行質(zhì)量。圖5為機(jī)載POS系統(tǒng)記錄的飛行軌跡。從該軌跡圖可以直觀地判讀出航空攝影飛行航線彎曲度是否控制良好。

圖5 湖南實(shí)驗(yàn)區(qū)機(jī)載POS系統(tǒng)記錄的飛行軌跡

航高的保持可以根據(jù)機(jī)載POS系統(tǒng)的記錄數(shù)據(jù)得出。數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可以反映每個曝光點(diǎn)時刻的航高情況，以此作為依據(jù)判斷航高的保持情況。本實(shí)驗(yàn)區(qū)的某條航線航高保持情況如圖6所示。

圖6 航線曝光點(diǎn)航高保持情況

從圖6中可以讀出同一航線中的航高最大值、最小值以及該架次的航高最大值、最小值，并以此計(jì)算航高高差，從而完成對航高質(zhì)量因子的質(zhì)量檢查。

最后，利用機(jī)載POS數(shù)據(jù)解算出的每張像片外方位元素，通過邊緣曝光點(diǎn)的地理坐標(biāo)信息，判斷影像是否覆蓋測區(qū)邊緣。

經(jīng)過以上3個步驟，即可完成對框幅式數(shù)字航空攝影飛行質(zhì)量的全數(shù)字化質(zhì)量檢查。每個步驟均由計(jì)算機(jī)自動完成，無需人工干預(yù)，易于操作，也不必沖印紙質(zhì)像片，節(jié)約資源，且綠色環(huán)保。

2.2 精度分析

由于國內(nèi)現(xiàn)有的飛行質(zhì)量檢查軟件還處于研發(fā)實(shí)驗(yàn)階段，并且國家測繪局也沒有授權(quán)和認(rèn)可任何一款此類軟件，最終提交的成果數(shù)據(jù)還是以人工質(zhì)量檢查結(jié)果為準(zhǔn)。所以，本研究對實(shí)驗(yàn)區(qū)同時進(jìn)行了人工質(zhì)量檢查工作，詳細(xì)地記錄每張影像的飛行質(zhì)量參數(shù)，與本文提出的質(zhì)量檢查方法進(jìn)行對比分析，結(jié)果如下：

1)重疊度和旋偏角。人工質(zhì)量檢查作業(yè)方式是利用專業(yè)的平板尺量取每個像對的重疊度和旋偏角，并記錄。將該結(jié)果作為真值與飛行質(zhì)量檢查軟件和POS計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出飛行質(zhì)量檢查軟件的檢查結(jié)果不論在重疊度上和旋偏角上都有很好的一致性； 而利用POS數(shù)據(jù)推算出的旋偏角與另外2種方法差別較大，但其所反映的總體趨勢一致。3種方法的質(zhì)量檢查結(jié)果如表1所示。

表1 3種方法的飛行質(zhì)量檢查結(jié)果

表1數(shù)據(jù)表明，人工質(zhì)量檢查與飛行質(zhì)量檢查軟件的結(jié)果有很好的一致性； POS解算的旋偏角與其他2種方法的相差較大，這是由于POS數(shù)據(jù)不考慮同名地物點(diǎn)的匹配，只按當(dāng)時記錄的數(shù)值反映飛行姿態(tài)，而其他2種方法的計(jì)算基礎(chǔ)是先進(jìn)行影像匹配，再得出各項(xiàng)飛行質(zhì)量參數(shù)。但3種方法反映的總體趨勢一致，這一點(diǎn)可從圖7中看出(第1和第3航線旋偏角小，第2和第4航線旋偏角大),這與實(shí)際測量和計(jì)算得出的數(shù)據(jù)也一致。

2)航線彎曲度?，F(xiàn)有的航空攝影平臺都配備高精度GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，對于航跡的保持都比較好。圖7(a)為3種方法分別形成的影像和框幅索引圖，從圖7(b)(c)可以看出，同一航線的像主點(diǎn)都基本處于同一經(jīng)度上，航線彎曲度控制良好。

(a) 人工拼接影像索引圖(b) 飛行質(zhì)量檢查軟件生成(c) 機(jī)載POS數(shù)據(jù)生成的框幅索引圖的框幅索引圖

3)航高保持。傳統(tǒng)的航高保持作業(yè)方式，是檢查相鄰航片和航線中同名地物的比例尺變化程度。該方法要求對每張航片進(jìn)行判讀，作業(yè)量較大，并且即使所有航片比例尺一致，也不能說明本次航空攝影的航高與設(shè)計(jì)吻合。機(jī)載POS系統(tǒng)記錄的GPS數(shù)據(jù)能夠完整地反映航線和曝光點(diǎn)的高度信息(圖6)，且精確到m級，可完成對航高保持的質(zhì)量檢查。圖6所示的航線，最大航高為1 140 m，最小航高為1 120 m，最大高差為20 m，與設(shè)計(jì)航高1 100 m之差最大為40 m。

4)測區(qū)覆蓋。測區(qū)覆蓋檢查的人工方式是利用航片上的典型地物，對照地形圖，判斷航空攝影測區(qū)是否覆蓋完全。該種方法對作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高。然而，由于社會發(fā)展較快，地形圖更新較慢，很多地區(qū)的地物都反生了較大變化，僅僅依靠典型地物已不能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。而機(jī)載POS系統(tǒng)能直接獲取每張航片的地理信息坐標(biāo)，利用邊緣航片的坐標(biāo)信息與測區(qū)范圍角點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對比，就可完成對測區(qū)覆蓋的質(zhì)量檢查。

3 結(jié)論

基于飛行質(zhì)量檢查軟件和機(jī)載POS數(shù)據(jù)的全數(shù)字化飛行質(zhì)量檢查方法的檢查精度完全可以滿足航空攝影的飛行質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)。該方法減少了人工重復(fù)作業(yè)，省略了紙質(zhì)像片沖印環(huán)節(jié)，節(jié)約了資源，縮減了作業(yè)周期，并且計(jì)算過程無需人工干預(yù)，自動化程度高，對人員和辦公場所要求低，特別適用于野外及應(yīng)急救災(zāi)等緊急情況下的質(zhì)量檢查，為快速經(jīng)濟(jì)、高效優(yōu)質(zhì)地進(jìn)行數(shù)字航空攝影成果質(zhì)量檢驗(yàn)提供了新思路。該方法已成功地運(yùn)用在國家基礎(chǔ)航空攝影湖南三城市測區(qū)和廣西南寧測區(qū)中，取得了較好的效果。

志謝： 對湖南航空攝影項(xiàng)目組提供本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和張宗貴博士提供的技術(shù)幫助表示感謝！

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