DMCⅡ數字航空攝影傳感器性能改進及應用

王鑫，姜挺

（信息工程大學測繪學院，鄭州 450052）

1 引言

隨著數字傳感器技術的快速發(fā)展，數字航空攝影取代膠片式航空攝影已成為大勢所趨，數字傳感器面臨前所未有的發(fā)展機遇。2000年在ISPRS阿姆斯特丹大會上，數字航空攝影傳感器開始出現，2004年的伊斯坦布爾大會上傳感器成為一個熱點［1］。2008年北京大會上，各廠家更是紛紛推出換代產品。

大幅面的數字航空攝影傳感器主要以兩種方式發(fā)展，一種是基于三線陣的CCD推掃式傳感器（例如ADS40/80）；另一種是基于多鏡頭系統(tǒng)的面陣式傳感器（例如DMC、UCX、SWDC），利用影像拼接鑲嵌技術獲取大幅面影像數據。

與線陣式相比，面陣式航空攝影傳感器繼承了傳統(tǒng)膠片式航攝儀的成像方式和作業(yè)習慣，目前的數字攝影測量系統(tǒng)都能夠兼容其工作方式，具體作業(yè)流程與傳統(tǒng)航攝儀相比基本沒有改變。因此，在目前引進的數字航空攝影傳感器中，仍以面陣式成像方式為主流。

2 常用大面陣數字航空攝影傳感器成像特點與性能分析

數字航空攝影傳感器的核心元件是光敏成像元件CCD，面陣式傳感器中的電荷耦合元件是以平面陣列的方式排列的，成像方式與傳統(tǒng)的膠片方式類似。

現階段攝影測量中所采用的大面陣數字航空攝影傳感器有多種，代表性的有Z/I Imaging公司的DMC(Digital Modular Camera)、Vexcel公 司 的 UltraCamD(UCD)、UltraCamX(UCX)、UltraCamXp(UCXp)，以及四維公司的SWDC等。

由于單一大面陣CCD的制造技術還不夠成熟，且造價昂貴，目前大面陣航空攝影傳感器主要利用多鏡頭、多影像拼接鑲嵌技術來獲取大幅面影像數據。如DMC、UCD/UCX/UCXp、SWDC均為多面陣傳感器，由多個小面陣及鏡頭合成成像，在像方拼接成統(tǒng)一中心投影的大幅面影像。

2.1 DMC

卡爾蔡司公司（CarlZeiss）和德國鷹圖交互計算機圖形系統(tǒng)的子公司Z/I Imaging合作，在2000年推出了數字航空攝影傳感器DMC。

DMC的鏡頭部分由8個鏡頭組成，具體排列方式如圖1所示。4個全色鏡頭沿飛行方向按2×2矩陣排列，鏡頭與中心軸線方向均偏離一定角度，每個鏡頭對應一個大小為4096×7168像素的面陣CCD。全色鏡頭所獲取的子影像間存在一定程度的重疊，子影像通過后處理和拼接之后生成模擬中心投影的虛擬影像［2］。4個多光譜鏡頭在全色鏡頭周圍環(huán)繞排列，主光軸與中心軸線方向平行，多光譜影像與全色影像的覆蓋范圍相同，但分辨率較低。

圖1 DMC鏡頭排列方式

DMC的部分技術參數如表1所示。

表1 DMC主要技術參數

2.2 UCXp

在北京召開的第21屆國際攝影測量與遙感大會（ISPRS 2008 Beijing）上，微軟威克勝公司（Microsoft/Vexcel）繼UCD/UCX后又推出升級產品——UCXp。

UCXp共由13個面陣CCD構成，其大小均為5770×3770像素，其中由9個CCD的影像數據構成全色影像。UCXp的鏡頭部分由8個光學鏡頭組成，分三排排列，同時生成全色、RGB和NIR影像。圖2為UCXp的成像過程示意圖。4個全色波段鏡頭的排列方向與飛行方向一致。曝光時，當第一個鏡頭到達指定曝光地點，即對位于中心位置的面陣CCD曝光；第二個鏡頭到達相同位置時，對四角的4個面陣CCD曝光，同時R、B的波段鏡頭對其相應的2個面陣CCD曝光；第三個鏡頭到達時，對上下2個面陣CCD曝光，同時G波段和NIR波段鏡頭對其相應的2個面陣CCD曝光；第四個鏡頭到達時，對左右2個面陣CCD曝光。至此，所有13個面陣CCD的曝光全部完成［3］。

圖2 UCXp的成像過程

UCXp全色鏡頭獲取的9幅影像數據存在不同程度的重疊，經過后期的精確配準，可以合成為一幅中心投影影像。其詳細技術參數見表2。

表2 UCXp主要技術參數

2.3 SWDC

SWDC數字航空攝影傳感器是由中國測繪科學研究院研制的，具有自主知識產權的傳感器系統(tǒng)。

SWDC最終生成的是模擬中心投影的虛擬影像。在虛擬影像生成過程中首先將單個傾斜攝影的子影像糾正為等效垂直攝影像片（水平像片），即水平糾正。水平糾正前后的影像如圖3所示，然后利用水平像片重疊部分的同名像點，建立像片間的微小旋轉、平移關系式，用自由網光束平差法精確求解各像片間的相對位置關系，最后將各個水平像片投影到最終的虛擬影像上。

圖3 SWDC的成像過程

SWDC除具有一般數字航空攝影傳感器的特性外，最大的特點是鏡頭可更換，35mm、50mm、80mm焦距正好對應傳統(tǒng)23cm×23cm膠片式航攝儀的88mm、152mm、300mm焦距。SWDC的影像接近方形，視場角大，基高比大，提高了高程測量精度，能夠滿足大比例尺的常規(guī)航空攝影需要。其詳細技術參數見表3。

表3 SWDC主要技術參數

3 DMCⅡ的性能改進

2010年，Intergraph公司在INTERGEO年會上推出了DMCⅡ數字航空攝影傳感器。這種基于Intergraph Z/I技術的全新的數字航空攝影傳感器包括DMCⅡ140，DMCⅡ230和DMCⅡ250三種產品，提供了數字傳感器從低成本入門到高端的全部類型［5-7］。

與DMC相比，DMCⅡ具有像幅大、像元小、高顏色解析力、輕便以及寬量程數字移動補償等優(yōu)點，航攝的效率和質量得到明顯提高。

3.1 成像方式的改進

由于大面陣CCD的制造技術還不夠成熟，現有的面陣式數字航空攝影傳感器一般為多鏡頭系統(tǒng)，采用多個面陣CCD，利用影像拼接鑲嵌技術獲取大幅面影像數據。由于各子影像是由不同的鏡頭及CCD獲取，因而不同的子影像具有不同的投影中心，理論上也具有不同的系統(tǒng)畸變（例如鏡頭徑向/切向畸變），由這些子影像拼合而成的“虛擬”影像是對中心投影影像的一種近似模擬，因此可能存在較為明顯的系統(tǒng)誤差［4］。如果對這些系統(tǒng)誤差不做處理，就有可能在區(qū)域網平差過程中影響待解算的內、外方位元素，從而最終在物方空間造成較大的誤差（特別是在高程方向上）。

DMCⅡ是第一臺進入大批量工業(yè)生產并利用單CCD獲取大幅面全色影像的傳感器，每個顏色通道擁有獨立的光學傳感器CCD芯片，在后續(xù)的作業(yè)工序中無需進行系統(tǒng)誤差的解算和消除，可以進行更快、更易、更精確的圖像處理。

DMCⅡ的鏡頭由德國蔡司公司為其定制設計，其獨立的全色（PAN）鏡頭實現了多年來膠片相機在基本光學設計原理上的單鏡頭大范圍地面覆蓋的最大設計視角。通過消除影響幾何精度和輻射量的可能誤差源，這種新途徑形成的影像達到了所有測圖和遙感應用的需求?；镜脑O計特征包括垂直投影（nadir-looking view）和單鏡頭中心投影（single lens projection center）。因而，DMCⅡ影像數據的后處理不需要CCD縫合和影像拼接。

DMCⅡ有五個正攝鏡頭，其中四個獲取紅、綠、藍及近紅外的多光譜影像，一個第五代高分辨率鏡頭獲取全色影像。每個鏡頭都定制了一個特別的機載壓力驅動快門執(zhí)行自動自檢校。這也確保了五個鏡頭在曝光周期里的動作達到最大的同步。

3.2 影像分辨率的改進

單面陣CCD傳感器受物理尺寸的限制，使得影像分辨率較小，從而增加了航攝成本和后期處理的工作量。由于受制造工藝和成本方面的限制，現有的大面陣數字航空攝影傳感器一般是利用多個小面陣CCD，采取影像拼接鑲嵌的技術獲取大幅面影像數據。DMC的全色影像獲取采用了2×2矩陣排列的4個面陣CCD，影像分辨率為7680×13824像素。UCXp則采用3×3矩陣排列的9個面陣CCD來獲取全色影像，其分辨率為17310×11310像素。

DMCⅡ的CCD由德爾薩公司（DALSA）專門定制，根據用戶的需求可以選擇不同的分辨率及像元大小。其中DMCⅡ140的像元大小為7.2μm，全色影像的分辨率為12096×11200像素；DMCⅡ230和DMCⅡ250的像元大小都達到了5.6μm，全色影像的分辨率分別為15104×14400像素和17216×14656像素。 其中DMCⅡ250的影像分辨率已經超過了現有的所有多面陣CCD傳感器，在獲取相同地面分辨率（GSD）影像的條件下，地面覆蓋能力顯著優(yōu)于DMC。在飛行高度為500m時地面分辨率（GSD）可以達到2.5cm，能夠在無需進行系統(tǒng)差改正的情況下為測圖提供高質量影像，大大減少了后期處理的工作量。

3.3 其他性能的改進

DMCⅡ的影像與DMC相比具有更高的信噪比和輻射分辨率。1∶3.2的高融合比保證了高品質的彩色和彩紅外影像，1.7秒超短曝光時間間隔滿足多基線攝影，甚至是低空和高速情況下的大比例尺攝影測量要求。采用5cm的地面分辨率、168海里/小時的飛行速度可獲得80%的航向重疊度。14bit的影像具有出色的輻射分辨率，即使在光照條件不好、存在陰影或曝光過度的情況下，仍然具有充足的影像信息。這些性能在現有的大面陣航空攝影傳感器中都居于領先地位。

DMCⅡ還能夠兼容現有的所有用于RMK TOP，DMC和RMK D的外圍設備，包括Z/I Mission planning軟件、Z/I Inflight傳感器管理系統(tǒng)、固態(tài)硬盤存儲器等。另外，DMCⅡ配備了一款新的接裝板，能夠安置更多不同型號的慣性測量裝置。此傳感器的兼容性也非常高，可以根據用戶的需要進行升級，RMK D只需安裝一個全色CCD模塊及鏡頭就可以升級為DMCⅡ250。

DMC Ⅱ250的主要性能參數見表4［7］。

表4 DMCⅡ250主要技術參數

4 DMCⅡ在測繪生產中的應用前景

使用多面陣CCD傳感器進行攝影時，由于CCD的尺寸問題，其獲取影像的地面覆蓋范圍要小于傳統(tǒng)航攝儀的地面覆蓋，因此會使像對數增加，模型接邊的工作量增加，從而增加內業(yè)工作量。DMCⅡ250的大幅面影像在一定程度上解決了這一問題。其中DMCⅡ250影像的影像分辨率已超過目前像幅最大的面陣傳感器UCXp，與ADS40/80相比，能夠有效減少航線數目約30%，可以充分利用航攝天氣、有效提高航攝效率。傳感器單個像元的尺寸達到了5.6μm，飛行高度為500m時地面分辨率（GSD）僅為2.5cm，且具有像移補償功能（TDI），能夠滿足1∶500比例尺的成圖要求，便于測繪大比例尺地形圖。

由于不使用拼接影像，因而DMCⅡ獲取的影像不再因為成像系統(tǒng)的不統(tǒng)一而存在系統(tǒng)誤差，影像的幾何精度得到了明顯提高，其內外方位元素的解算精度也隨之提高，地面點的量測精度也因此得到改善。

DMCⅡ可以獲得高達80%的影像重疊率，利于進行多基線處理的航空數字影像測圖，按多目視覺的理論，利用多重疊影像，增大交會角，從而提高高程精度，滿足對地面點精度（尤其是高程精度）的需求。

獲取全色影像的CCD利用14bit的A/D轉換器，可以提供0-16383之間的灰度影像。高輻射分辨率使其對海島礁這一類具有大片水體，景物反差強烈的地區(qū)攝影時，能夠獲取更豐富的影像信息，同時也為后續(xù)的影像勻光處理工作提供了便利，有利于生成大范圍色彩均一的正射影像。

攝影測量中，為了獲取位置姿態(tài)信息，傳感器在攝影時需搭載高精度的POS設備。DMCⅡ的硬件設計使其能夠安置更多不同型號的慣性測量裝置，便于用戶根據需要進行選擇。

另一方面，由于框幅式影像的自身特點，在進行航空攝影時，如果整個攝區(qū)內存在的水域面積過大，則易出現像主點落水的情況，在內業(yè)中需要增加額外的控制點數量，以提高量測精度，對空三加密和測圖都有不利影響［8］。所以，DMCⅡ在海島礁測繪中更適用于近海區(qū)域，島嶼密集、連通性較好的情況。

5 小結

本文對目前市場上三類主流大面陣航空攝影傳感器的性能和特點進行了比較，在此基礎上對DMCⅡ的性能改進進行了分析研究。

每種傳感器由于不同的設計思想，必然導致產品間存在各種差別，單純從某一方面決定其優(yōu)劣是不可取的。作為傳感器的使用者，應該根據工作目的，權衡每種產品的利弊，選擇最能滿足工作任務的儀器。綜合地利用各種產品的優(yōu)勢，才能更好地推動航空攝影測量的發(fā)展［9］。

［1］張祖勛.航空數碼相機及其有關問題［J］.測繪工程，2004，13(4):1-5.

［2］余詠勝，游寧君.數碼航攝像機——傳統(tǒng)膠片航攝像機的替代者［J］.測繪通報，2005（3）：6-10.

［3］Schneider M，Gruber M.Radiometric Quality of UltraCam-X Images［C］//ISPRS，2008.Part B1，PP539-544.

［4］AlamúsR，KornusW，Talaya J.DMC Virtual Image Characterization:Experiences at ICC［C］//ISPRS，Beijing，2008.Part B1，PP515-520.

［5］DMC Ⅱ140 Camera System［G/OL］.http://www.Intergraph.com.

［6］DMC Ⅱ230 Camera System［G/OL］.http://www.Intergraph.com.

［7］DMC Ⅱ250 Camera System［G/OL］.http://www.Intergraph.com.

［8］王鑫，申家雙，姜挺.海岸帶、島（礁）數字航空攝影傳感器性能及選型研究［J］.海洋測繪，2011，31(1):61-64.

［9］韓磊，蔣旭惠.幾款數字航攝相機的應用與比較［J］.城市勘測，2006(5):21-23.