大高差地形條件下大比例尺航空攝影的設計與實現

郭 威

(江蘇省地質礦產調查研究所，江蘇 南京 210049)

0 引 言

本項目位于國家某森林公園，具有地勢高，起伏大，多埡口的地貌特征；最高處達2 158 m，最低處僅180 m，平均海拔1 200 m，高差極為懸殊。森林公園內溝谷相間，山勢雄偉，河流侵蝕切割深度達500～1 000 m；海拔2 000 m以上的有7座，主峰2 158 m，也是華東大陸最高峰；另有1 000 m以上的山峰達377座；區域內溝壑縱橫，溪流交錯，各類溪流多達150余條。根據以上地形地貌條件綜合分析，該地區地形高差極大，實施大比例尺影像獲取十分困難。攝區地形如圖1所示。

圖1 攝區DEM渲染圖

1 航空攝影技術設計

1.1 航空攝影技術路線

航空攝影實施一般包括資料的收集、航攝飛行的設計、航攝任務的執行[1]、數據的預處理、成果質量檢查及資料的整理與移交等環節。作業技術路線如圖2所示。

圖2 作業技術路線圖

1.2 航空攝影技術方案

1.2.1 航攝分區及航線設計原則

(1)航線敷設和分區時，根據IMU誤差積累的指標確定每條航線的直線飛行時間一般不超過25 min。

(2)旁向重疊應達到20%，特殊情況下最小重疊度不得小于13%；丘陵、山地及建筑物密集地區，設計時適當加大重疊；航向起始和結束應超出半幅圖幅范圍，旁向應超超出半幅圖幅范圍，超出部分不應小于500 m，且不大于2 000 m。

(3)航線敷設原則上要求按常規方法敷設，對于不規則測區，可根據測區范圍、測區內地形特點等因素采用特殊方法敷設。

1.2.2 航攝各分區基準面確定

根據以上原則，按照飛行速度260 km/h，25 min飛行距離為109 km，測區最大跨度東西方向小于108 km。

(1)區最高點2 150 m，最低點370m，高差很大且全區高程普遍偏高，綜合考慮分辨率和飛行安全高度、飛行安全距離的情況，設計基準面為1 000 m。

(2)區最高點1 520 m，最低點270 m，高差較大。低點少量分布在山谷河流地區，綜合考慮分辨率和飛行安全高度的情況，設計基準面為700 m。

(3)區最高點700m，最低點180m，高差較大且低點較為分散，大多處于河谷河流地區，綜合考慮分辨率和飛行安全高度的情況，設計基準面為300 m。

攝區各分區如圖3所示。

圖3 攝區分區圖(UCEM3)

1.2.3 飛行航線敷設要求

本攝區設計航線敷設方向為西南至東北方向，影像航向重疊68%，影像旁向重疊30%，航向超出范圍線≥500 m，旁向覆蓋超出測區邊界≥500 m。

1.2.4 航攝因子確定

根據本次項目的地形特征和對影像數據的技術要求，設計航攝因子如表1所示。

表1 航攝因子表

1.3 航攝飛行的質量要求

(1)在飛機起飛前以及降落后POS系統需要據開始和停止記錄的時間，由于設備使用機上電源供電且中間不能斷電，故要求在靜態觀測時間內飛機發動機保持開車狀態，在停止數據記錄后才可停機。

(2)飛機滑行期間應避免附近有高大樹木或建筑物等遮擋，以免造成GNSS衛星信號失鎖。

(3)飛機上升下降速率不宜大于10 m/s，且飛行過程中轉彎坡度不宜超過20°。

(4)若航攝飛行中出現GNSS信號失鎖時，應立即終止攝影，并在信號恢復正常6 min后再進入航線進行攝影。

(5)進入測區航線時，應采用左轉彎和右轉彎交替方式飛行，每次直線飛行時間不應大于25 min。

(6)飛機進入第一條航線前和最后一條航線后須進行5 min平飛后進行S形或8字形飛行，之后再進行最多5 min的平飛。

(7)航線旁向重疊大于20%，最少應達到13%；丘陵、山地及建筑物密集地區，設計時適當加大重疊。

(8)同一航線航高變化不大于相對航高的10%，實際航高變化不大于設計航高的10%。

2 項目實施情況

2.1 項目軟件和硬件的配置

根據項目飛行任務，使用一架P750飛機搭載UCEM3數字航攝儀(內置IMU/DGNSS慣性導航測量系統)執行本項目的航攝任務，本項目相關的軟、硬件設備和航攝儀參數如表2和表3所示。

表2 本項目軟、硬件配備表

表3 航攝儀參數表

根據以上技術參數表可知，本項目所選航攝儀完全滿足并優于規范[2]對航攝儀的選擇的要求。

2.2 航攝影像數據處理流程

利用UC系列航攝儀自配軟件UltraMap對數據進行處理，它采用微軟最新Framework及Dragonfly技術，管理原始數據的下載、分布式0～2級、2～3級數據的處理，最后3級影像的命名與輸出，影像數據處理流程如圖4所示。

圖4 影像數據處理流程圖

在影像預處理的過程中，一般只針對航攝數據色調做統一平衡調整。在軟件中設置同一個調色模板，使得同一架次的影像數據使用統一的調色參數，確保了單架次的影像數據色彩一致性。

2.3 POS數據和地面基站數據的聯合解算

(1)首先對POS原始數據進行解壓，分離出機載GNSS數據與IMU慣導數據，然后結合地面GNSS基站數據進行差分處理，最后利用差分成果與IMU數據聯合解算，解求定向定位數據。

(2)每個架次飛行結束后，應對IMU/DGNSS原始數據進行預處理、檢查，包括基站GNSS觀測數據、機載GNSS數據、IMU記錄數據以及Logdata日志數據，并填寫《航攝飛行記錄表》。

(3)使用Applanix公司開發的POSpac軟件對POS數據進行解算[3]。

2.4 項目成果質量情況

依照規范[4]要求，航攝任務完成后對影像數據成果進行了全面的檢查，航向重疊57%-83%，旁向重疊15%-69%，影像數據色彩均勻飽滿、層次豐富、反差適中，數據質量優良，滿足規范[5]和項目技術設計的要求。

3 結 語

通過本項目的實施和對大高差地形條件下航攝技術特點的研究，我們認為在類似項目中應注意以下幾點：

(1)當航攝比例尺較大時(如大于1/7 000)，攝影分區內的地形高差一般應控制在1/6相對航高以內。

(2)攝影分區應考慮后續加密方法和布點方案的要求，在地形高差許可的情況下，盡量劃大航攝分區的跨度。

(3)當地面高差突變、地形特征顯著不同時，可在保證飛機的安全距離與安全高度條件下增加分區。

(4)同一分區內的地物反差、地貌類型應盡量一致，以便于后期影像處理。

(5)當采用GNSS輔助空三作業時，攝影分區還應保證分區界線與加密分區界線的兼容性。