航空攝影中的新技術(shù)應(yīng)用

李琴

摘要：隨著我國(guó)信息化科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，測(cè)繪學(xué)科也跟著不斷進(jìn)步與發(fā)展，航空攝影測(cè)量領(lǐng)域向著信息化發(fā)展，給我國(guó)城市規(guī)劃、國(guó)土測(cè)量等各個(gè)方面帶來(lái)了新的測(cè)量技術(shù)革命。本文主要研究GPS、機(jī)載激光掃描技術(shù)、機(jī)載側(cè)視雷達(dá)技術(shù)、低空遙感系統(tǒng)以及定位定姿態(tài)系統(tǒng)五種先進(jìn)技術(shù)在航空攝影領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：航空攝影；GPS；機(jī)載激光掃描；機(jī)載側(cè)視雷達(dá)；低空遙感系統(tǒng)；定位定姿態(tài)系統(tǒng)

1、GPS在空中攝影中的應(yīng)用

GPS測(cè)量技術(shù)在航空攝影測(cè)量中，一方面可以利用來(lái)開(kāi)展航空攝影飛行的導(dǎo)航，另一方面可以利用來(lái)開(kāi)展空三加密的應(yīng)用。

對(duì)于航空攝影飛行的導(dǎo)航應(yīng)用，GPS保證航空攝影的飛機(jī)在航拍的過(guò)程中按照航空攝影的設(shè)計(jì)路線(xiàn)飛行。只有按照計(jì)劃開(kāi)展航攝外業(yè)工作，航攝獲取的航片才能滿(mǎn)足航攝對(duì)應(yīng)的行高、航攝比例尺基本要求，最終航片的旁向重疊度以及航向重疊度才能滿(mǎn)足后續(xù)航攝數(shù)據(jù)處理的要求。

對(duì)于空三加密的應(yīng)用，GPS首先可以提供地面的控制測(cè)量工作，例如地面控制點(diǎn)的GPS外業(yè)靜態(tài)控制測(cè)量工作，獲取足夠數(shù)量的地面控制點(diǎn)坐標(biāo)，從而滿(mǎn)足攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)加密的要求。除此之外，航攝飛機(jī)上安裝GPS，伴隨著飛機(jī)的飛行，每個(gè)航攝照片獲取的瞬間，對(duì)應(yīng)一個(gè)具體GPS動(dòng)態(tài)坐標(biāo)，此坐標(biāo)即可確定該航片航攝儀物鏡中心的坐標(biāo)，解決外方位元素中的三個(gè)線(xiàn)元素，此方法有助于大大減少在航片解算中地面控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

2、機(jī)載激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)載激光掃描技術(shù)，它是利用航攝飛機(jī)作為載體，將機(jī)載激光掃描儀安裝掛載于飛機(jī)上，當(dāng)飛機(jī)飛過(guò)某片區(qū)域，掃描儀即可獲得飛機(jī)飛過(guò)區(qū)域下方地面的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

該技術(shù)方法與傳統(tǒng)攝影測(cè)量利用航測(cè)相機(jī)通過(guò)航攝理論解算地面點(diǎn)坐標(biāo)的理論方法相比較，它克服了相機(jī)對(duì)天氣光線(xiàn)等客觀(guān)條件的依賴(lài)。傳統(tǒng)的航攝相機(jī)，只有光線(xiàn)充足的白天，才能獲取優(yōu)質(zhì)的航片，開(kāi)展航攝工作。而機(jī)載激光掃描技術(shù)，不僅白天，而且在黑暗的夜晚，也能開(kāi)始測(cè)量工作。激光掃描儀，通過(guò)發(fā)射激光，激光點(diǎn)遇到地面或者房屋等障礙物，激光反射被接收，該方法獲取的直接是點(diǎn)的坐標(biāo)，避免了航測(cè)理論解算的原理，使用更加方便。

在大范圍的數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，尤其是DEM、DSM、三維模型重建的獲取，該方法具有極大的優(yōu)勢(shì)。掛載激光掃描儀的飛機(jī)飛過(guò)區(qū)域，獲取一定密度的該區(qū)域的地面機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)后處理軟件，可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，其中地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)即可自動(dòng)構(gòu)建成為該區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)。在DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合地面建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、機(jī)載激光掃描儀同步的相片數(shù)據(jù)，即可獲取DSM數(shù)據(jù)以及三維模型重建的效果。

3、機(jī)載側(cè)視雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)載側(cè)視雷達(dá)技術(shù)，與機(jī)載激光掃描技術(shù)類(lèi)似，同樣使用飛機(jī)作為載體，但掛載的數(shù)據(jù)采集設(shè)備不同，原理也完全不一樣。機(jī)載側(cè)視雷達(dá)，用一個(gè)小天線(xiàn)沿飛行方向作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)每相隔一段距離發(fā)射一束微波信號(hào)，同時(shí)接受地面反射回的微波信號(hào)，記錄信號(hào)的振幅和相位信息。在獲取飛機(jī)的瞬間位置和時(shí)間的前提下，對(duì)獲取的微波信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲取信號(hào)發(fā)射瞬間，信號(hào)發(fā)射中心的位置。在此基礎(chǔ)上，對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行處理，獲取地面點(diǎn)雷達(dá)視線(xiàn)方向上的距離，從而獲取地形信息。

對(duì)于機(jī)載側(cè)視雷達(dá)數(shù)據(jù)處理，基本流程包括：（1）主輔影像輸入，（2）影像配準(zhǔn)，（3）干涉成像，（4）基線(xiàn)估算，（5）去平地效應(yīng)，（6）噪聲濾除，（7）相位解纏，（8）高程計(jì)算。在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中，存在許多關(guān)鍵問(wèn)題，例如復(fù)數(shù)影像的高精度自動(dòng)配準(zhǔn)、去相關(guān)所引起的相位噪聲、相位解纏等，解決好這些問(wèn)題，才能獲得正確的解算結(jié)果。

該技術(shù)方法對(duì)應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，目前應(yīng)用比較活躍的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下幾個(gè)方面：（1）地形測(cè)繪。具體包括影像自動(dòng)提取DEM、地物特征的提取與識(shí)別。（2）城市目標(biāo)顯示和城市形態(tài)分析，顯示城市地區(qū)的豐富信息，如街道和建筑物結(jié)構(gòu)及走向在影像上的特征。（3）海洋表面狀態(tài)，海洋洋流、鋒面以及船只的監(jiān)測(cè)。4）地表形變監(jiān)測(cè)，檢測(cè)出地表微小形變，例如地震、滑坡、城市地下水抽取引起的沉降問(wèn)題等。

4、低空遙感系統(tǒng)的應(yīng)用

低空遙感系統(tǒng)是一種機(jī)動(dòng)性高、成本低、小型化的專(zhuān)用化遙感系統(tǒng)。它包括超輕型飛行航空攝影系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)航空攝影系統(tǒng)。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性加強(qiáng)、圖像處理技術(shù)成熟、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、樣式多樣化，無(wú)人機(jī)及相關(guān)軟件如雨后春筍般，我國(guó)無(wú)人機(jī)應(yīng)用得到極大推廣。無(wú)人機(jī)通過(guò)掛載非量測(cè)型相機(jī)進(jìn)行航拍，獲取航片，通過(guò)后處理的方法獲取非量測(cè)相機(jī)的內(nèi)方位元素，采用類(lèi)似傳統(tǒng)機(jī)載、星載航拍的航攝理論，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠很快得到所需區(qū)域的4D產(chǎn)品。相比于傳統(tǒng)星載、機(jī)載航拍，無(wú)人機(jī)技術(shù)的使用更加靈活，能夠隨時(shí)對(duì)所需區(qū)域進(jìn)行拍攝，另外，費(fèi)用也相對(duì)低廉。

從技術(shù)角度來(lái)分，無(wú)人機(jī)包括無(wú)人直升機(jī)、無(wú)人固定翼機(jī)、無(wú)人多旋翼飛行器、無(wú)人飛艇、無(wú)人傘翼機(jī)；從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)分，包括軍用和民用兩大部分；從行業(yè)應(yīng)用來(lái)分，包括國(guó)土測(cè)繪、地質(zhì)勘察、電力巡線(xiàn)、環(huán)境監(jiān)察、農(nóng)業(yè)植保、應(yīng)急救災(zāi)、森林防火、視頻錄制、快遞行業(yè)等。

5、定位定姿系統(tǒng)的應(yīng)用

定位定姿系統(tǒng)是高精度位置系統(tǒng)與高精度姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的組合。該系統(tǒng)主要由慣性導(dǎo)航測(cè)量單元（IMU）、高動(dòng)態(tài)的GPS測(cè)量設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三大部分組成。其中高精度位置系統(tǒng)，是利用高動(dòng)態(tài)的GPS數(shù)據(jù)，與地面靜態(tài)基站GPS數(shù)據(jù)作差分計(jì)算，并融合IMU的數(shù)據(jù)，最終計(jì)算獲取高精度的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息。一般在定位定姿系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，與它配套使用的的地面基站GPS，在該系統(tǒng)正常開(kāi)始作業(yè)之前，地面基站GPS已經(jīng)開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，在該系統(tǒng)正常結(jié)束作業(yè)之后，地面基站才能結(jié)束數(shù)據(jù)采集，即滿(mǎn)足基站數(shù)據(jù)要在該系統(tǒng)開(kāi)始之前開(kāi)始，在該系統(tǒng)結(jié)束之后結(jié)束。高精度姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，是利用IMU的三個(gè)陀螺儀和三個(gè)加速度計(jì)，最終獲取高精度的姿態(tài)角度數(shù)據(jù)信息。

定位定姿系統(tǒng)，在獲取位置坐標(biāo)信息的同時(shí)，獲得了姿態(tài)角度信息，為每張像片拍攝瞬間提供了外方位元素，推動(dòng)了航空攝影測(cè)量領(lǐng)域的快速前進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳曉. 航空攝影測(cè)量新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 城市地理， 2015（10）

[2] 史先領(lǐng). 遙感及航空攝影測(cè)量中的新技術(shù)探討[J]. 北京測(cè)繪， 2014（04）

[3] 吳家強(qiáng). GPS在航空攝影輔助空三測(cè)量中的應(yīng)用探討[J]. 信息技術(shù)， 2012（11）

[4] 楊成、白石. POS系統(tǒng)及其在航空攝影中的應(yīng)用[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào). 2013，30（02）：76-78，83

[5] 國(guó)家測(cè)繪地理信息局職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心.注冊(cè)測(cè)繪師資格考試輔導(dǎo)教材—測(cè)繪綜合能力[M]. 北京：測(cè)繪出版社，2012