A3數(shù)字航攝系統(tǒng)在航空攝影中的應(yīng)用

仉明，王冬

(天津市測繪院，天津 300381)

A3數(shù)字航攝系統(tǒng)在航空攝影中的應(yīng)用

仉明*，王冬

(天津市測繪院，天津 300381)

A3數(shù)字航攝儀是新一代的航攝儀，在國內(nèi)應(yīng)用較少，本文詳細(xì)介紹A3數(shù)字航攝儀系統(tǒng)組成，并通過實(shí)際生產(chǎn)，以天津市為例，重點(diǎn)介紹A3數(shù)字航攝儀技術(shù)路線，關(guān)鍵技術(shù)，并展示其生產(chǎn)的DOM及實(shí)景影像三維成果。

A3數(shù)字航攝儀；航空攝影；DMC

1 引 言

由于A3數(shù)字航攝系統(tǒng)在國際相關(guān)領(lǐng)域?qū)俜浅Ｐ碌暮娇諗z影設(shè)備，該設(shè)備在2009年完成產(chǎn)品定型并批量生產(chǎn)，在國內(nèi)尚無應(yīng)用。本文簡單介紹了A3數(shù)字航攝系統(tǒng)的系統(tǒng)組成，A3數(shù)字航攝儀的成像原理，以A3數(shù)字航攝系統(tǒng)在2014年天津市域應(yīng)用為例，重點(diǎn)介紹A3數(shù)字航攝儀技術(shù)路線，關(guān)鍵技術(shù)，并展示其生產(chǎn)的DOM及實(shí)景影像三維。

2 A3數(shù)字航攝系統(tǒng)簡介

2.1 A3數(shù)字航攝系統(tǒng)組成

A3數(shù)字航攝系統(tǒng)包括兩部分：第一部分為A3數(shù)字航攝儀；第二部分為LightSpeed數(shù)據(jù)后處理軟件系統(tǒng)。

2.2 A3數(shù)字航攝儀原理

A3數(shù)字航攝儀使用雙量測數(shù)碼相機(jī)剛性固定組合，相機(jī)圍繞一個(gè)中心軸作最高可達(dá)109°的高速旋轉(zhuǎn)和拍照。每個(gè)量測數(shù)碼相機(jī)焦距為 300 mm。

航空攝影時(shí)，A3相機(jī)鏡頭做單方向掃擺運(yùn)動(dòng)，每次掃視結(jié)束后快速回?cái)[，鏡頭掃擺速度與飛機(jī)航速有關(guān)。飛機(jī)飛行速度快，則鏡頭掃擺速度快，飛機(jī)飛行速度慢，則鏡頭掃擺速度慢。每次拍攝每臺(tái)相機(jī)每秒可獲取7.5幅子影像。單個(gè)相機(jī)一個(gè)掃視周期內(nèi)最多可獲取33幅子影像，一次單一的掃描完成時(shí)間約為 3.6 s。A3數(shù)字航攝儀單次掃描結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。兩臺(tái)相機(jī)同時(shí)獲取子影像之間重疊度為2%，沿著相機(jī)掃視方向，相鄰子影像重疊度不少于15%。單次擺動(dòng)掃視后的影像經(jīng)過影像糾正和拼接可合成幅面達(dá)62×8 Mpix的大幅面中心投影影像。(A3數(shù)字航攝儀單次掃描拼接圖如圖2所示)

圖1 A3數(shù)字航攝儀單次掃描結(jié)構(gòu)圖

3 A3數(shù)字航攝系統(tǒng)在天津市數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 任務(wù)介紹

2012年1月5日，國家測繪地理信息局與天津市人民政府在天津共同簽署了合作開展數(shù)字天津地理空間框架建設(shè)及地理國(市)情監(jiān)測協(xié)議，根據(jù)簽訂的省部共建協(xié)議要求，為了滿足天津地理空間框架建設(shè)中的數(shù)字城市內(nèi)容的需要，天津市測繪院于2014年利用A3數(shù)字航攝系統(tǒng)完成了天津市全市域1.4萬km2的航空攝影，天津市全市域數(shù)字正射影像(DOM)制作，天津市重點(diǎn)城區(qū)3 000多km2的影像三維航空攝影，天津市重點(diǎn)城區(qū)3 000多km2實(shí)景影像三維數(shù)據(jù)制作。

3.2 技術(shù)路線

本次作業(yè)技術(shù)路線如圖3所示，主要采用A3攝影測量系統(tǒng)自帶的LightSpeed軟件完成，后期改合ArcGIS、Photoshop、Erdas軟件來完成。

A3獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)景影像三維生產(chǎn)技術(shù)路線如圖3所示：

圖3 A3獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)景影像三維生產(chǎn)技術(shù)路線圖

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

(1)多角度航空攝影

A3數(shù)字航攝儀具有0°，45°，135°三種不同的安裝方式，具體安裝如圖4所示：

圖4 A3數(shù)字航攝儀安裝角度圖

0°：數(shù)字航攝儀主縱線與飛行方向一致，數(shù)字航攝儀鏡頭掃描方向與飛行方向垂直，飛行基線最短。

45°：數(shù)字航攝儀主縱線以飛行方向?yàn)檩S，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，數(shù)字航攝儀掃描方向與飛行方向夾角為135°。

135°：數(shù)字航攝儀主縱線以飛行方向?yàn)檩S，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)135°，數(shù)字航攝儀掃描方向與飛行方向夾角為225°。

圖5 傳統(tǒng)數(shù)字航攝儀航線空域范圍圖

圖6 A3數(shù)字航攝儀航線空域范圍圖

如圖5、圖6所示中紅色線區(qū)域?yàn)槿S模型制作范圍，藍(lán)色線區(qū)域?yàn)楹綌z所需的空域范圍，綠色線為航線。圖5所示為普通交叉航線鋪設(shè)，需要申請交叉飛行空域，增加了空域申請范圍，并且狹長區(qū)域鋪設(shè)短邊時(shí)會(huì)增加航線條數(shù)，增加了飛機(jī)掉頭時(shí)長。圖6中可以看出，A3數(shù)字航攝儀可以沿同航線45°、135°兩角度安裝方式在獲取四個(gè)方向的傾斜影像。由此可以看出，A3數(shù)字航攝系統(tǒng)在影像三維數(shù)據(jù)獲取方面既節(jié)省了空域，又提高了效率。

另外A3數(shù)字航攝儀超大相幅航空攝影，顛覆了以往航攝儀旋偏角概念，航空攝影時(shí)不需要關(guān)注旋偏角。其獲取的單張SLF影像相幅可覆蓋旁向2條～3條航線，如果旋偏過大，相鄰航線多張片子也可補(bǔ)救，其他航攝儀則只能補(bǔ)飛。

(2)超大區(qū)域空中三角測量

以往在進(jìn)行空中三角測量計(jì)算時(shí)，對分區(qū)的劃分是有限制的，太大的區(qū)域會(huì)影響區(qū)域的精度，并且數(shù)據(jù)量過大一般航測軟件無法正常處理。但是區(qū)域網(wǎng)劃分小會(huì)帶來接邊量大、生產(chǎn)效率低等問題。

使用LightSpeed軟件進(jìn)行A3航攝儀獲取影像空三加密時(shí)，進(jìn)行了大分區(qū)劃分的實(shí)驗(yàn)，最終結(jié)果為以天津市1.4萬km2測區(qū)面積為例共劃分加密分區(qū)11個(gè)，一個(gè)加密分區(qū)平均面積為 1 200 km2。

(3)自動(dòng)鑲嵌線生成技術(shù)

DOM產(chǎn)品的生產(chǎn)需要將2幅或多幅具有重疊區(qū)域的遙感圖像進(jìn)行鑲嵌處理，接縫線(亦稱鑲嵌線或者接邊線)的生成是其中一個(gè)關(guān)鍵步驟。在實(shí)際的數(shù)據(jù)生產(chǎn)應(yīng)用中，特別是城區(qū)航空圖像的鑲嵌處理，使用現(xiàn)有商業(yè)軟件自動(dòng)生成的接縫線往往不是最優(yōu)的，不能有效地使接縫線避免穿越建筑物等明顯地物目標(biāo)，還需要進(jìn)行人工干預(yù)才能保證鑲嵌的質(zhì)量，即在軟件生成接縫線的基礎(chǔ)上再進(jìn)行人工編輯，以確保接縫線避開建筑物等明顯地物目標(biāo)或者差異較大的區(qū)域。

LightSpeed軟件中自動(dòng)計(jì)算鑲嵌線，對計(jì)算的鑲嵌線進(jìn)行檢查，約有5%的鑲嵌線需要人工編輯，避開高架橋等地物。如圖7所示：

圖7 鑲嵌線生產(chǎn)及修改情況圖

(4)相機(jī)空地一體化聯(lián)合建模

A3相機(jī)獲取的原始航空攝影數(shù)據(jù)用于生產(chǎn)城市實(shí)景影像三維模型時(shí)，由于航空攝影飛行高度較高與飛行效率的制約，通常分辨率不足以實(shí)現(xiàn)很高的模型平滑度，因此利用A3相機(jī)計(jì)算出的城市實(shí)景影像三維模型無法滿足對模型精細(xì)程度要求很高的用戶，為了滿足這些用戶的需要，我們將航空攝影和地面近距離攝影兩種方式結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了A3相機(jī)空地一體化的聯(lián)合建模。

我們首先利用A3航空攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行整體的空間控制，然后對重點(diǎn)建筑地面近距離攝影，并將這些相片利用A3航空攝影的模型空間信息進(jìn)行空間控制，最終聯(lián)合計(jì)算與建模生成最終的三維模型，如圖8所示。

圖8聯(lián)合建模和單一A3建模效果

4 成果展示

4.1 DOM成果展示

本項(xiàng)目于2014年6月～11月完成天津市全市域1.4萬km21∶2 000比例尺正射影像圖的制作工作，天津市測繪院質(zhì)量檢查處對上交的DOM成果進(jìn)行了全面檢查，經(jīng)檢查，1∶2 000真彩色正射影像圖的數(shù)據(jù)格式、圖幅像元數(shù)、影像質(zhì)量、鑲嵌精度及圖幅接邊、數(shù)學(xué)精度等均滿足技術(shù)設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，其中平面點(diǎn)位最大誤差為 0.409 m，最小誤差為 0.023 m，點(diǎn)位中誤差為 0.122 m。在 15 967幅DOM中，優(yōu)級(jí)品 15 648幅，優(yōu)級(jí)品率98%，良級(jí)品319幅，良級(jí)品率2%。生產(chǎn)的正射影像如圖9所示：

圖9 A3獲取的數(shù)據(jù)生產(chǎn)的正射影像圖

4.2 實(shí)景影像三維成果展示

天津市測繪院于2014年12月完成對天津市域約 3 000多km2區(qū)域進(jìn)行實(shí)景影像三維制作工作，實(shí)景影像三維成果分3個(gè)批次上交，天津市三維范圍共計(jì) 11 082個(gè)任務(wù)區(qū)。天津市測繪院質(zhì)量檢查處于2014年10月～2014年12月分批次對上交的 11 082個(gè)任務(wù)區(qū)實(shí)景影像三維數(shù)據(jù)成果進(jìn)行了全面檢查。主要檢查實(shí)景三維模型貼圖色彩有無異常、水面部分有無漏洞、建筑模型質(zhì)量有無鏤空、側(cè)漏、小型地物有無漂浮物等。其中有203個(gè)任務(wù)區(qū)存在部分小問題，合格率為98%。A3獲取的數(shù)據(jù)生產(chǎn)的實(shí)景影像三維模型如圖10所示：

圖10 實(shí)景影像三維建模成果

5 A3數(shù)字航攝儀存在的問題

(1)A3數(shù)字航攝儀獲取攝區(qū)數(shù)據(jù)量大，A3單張超大相幅影像大小平均為 2.5 G，整個(gè)天津 14 000多km2，總數(shù)據(jù)量達(dá)到46 T，可謂海量數(shù)據(jù)。如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、組織、管理，這些都是需要研究的問題。

(2)A3數(shù)字航攝儀焦距長，為 300 mm，DMC焦距為 120 mm，因此，A3在飛行同等分辨率的情況下，飛行航高要比DMC多得多，雖然總體節(jié)省了工作量，但無形中對天氣要求高。

6 總 結(jié)

A3數(shù)字航攝系統(tǒng)相比傳統(tǒng)數(shù)碼航攝儀具有高效的數(shù)據(jù)采集能力，其獲取的傾斜攝影影像，除滿足基礎(chǔ)測繪的要求外，還可提供具有地物特征信息的DSM產(chǎn)品，為數(shù)字城市、三維建模等提供高精度、高質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持和快速解決方案。雖然目前存在一些問題，但隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集成本的降低，使得這項(xiàng)高新技術(shù)在研究和實(shí)踐中將會(huì)被廣泛采用。

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Application of A3 Digital Aerial Photography System in Aerial Photography

Zhang Ming，Wang Dong

(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

A3 digital aerial camera is a new generation of aerial camera，there is no application in China.This paper describesthe composition of A3 digital aerial camera system in details ，and through the actual production，taking Tianjin as an example，this paper focuses on the technical route and key technologies of A3 digital aerial camera，and shows DOM and the three-dimensional results produced by it.

A3 digital aerial camera；aerial photography；DEC

1672-8262(2017)04-97-05

P231

B

2017—05—23

仉明(1958—)，男，高級(jí)工程師，主要從事地理信息應(yīng)用管理及研究工作。