ADS80航空攝影測(cè)量系統(tǒng)在甘肅省基礎(chǔ)測(cè)繪中的應(yīng)用

王 俊

(甘肅省地圖院，甘肅 蘭州730000)

一、Leica ADS80航空攝影測(cè)量系統(tǒng)概述

2001年7月，瑞士徠卡公司在荷蘭阿姆斯特丹舉行的第19屆ISPRS(國(guó)際攝影測(cè)量與遙感協(xié)會(huì))大會(huì)上正式推出了先進(jìn)的基于線陣CCD掃描機(jī)載數(shù)字航空攝影測(cè)量系統(tǒng)ADS40。2008年7月，瑞士徠卡公司在中國(guó)北京舉行的第21屆ISPRS大會(huì)上又推出了 ADS系列機(jī)載傳感器的最新產(chǎn)品——ADS80機(jī)載數(shù)字航空攝影測(cè)量系統(tǒng)。

Leica ADS80集成了高精度的慣性導(dǎo)航定向系統(tǒng)(IMU)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，采用12 000像元的三線陣CCD掃描和專(zhuān)業(yè)的單一大孔徑鏡頭，一次飛行就可以同時(shí)獲取前視、下視和后視的具有100%三度重疊、連續(xù)無(wú)縫的、具有相同影像分辨率和良好光譜特性的全色立體影像以及彩色影像和彩紅外影像。

目前，國(guó)內(nèi)已有多家單位購(gòu)買(mǎi)了 ADS40/ADS80系統(tǒng)，并在測(cè)繪、規(guī)劃、國(guó)土、鐵路、水利等行業(yè)得到了很好的應(yīng)用。特別是采用GPS精密單點(diǎn)定位技術(shù)(PPP)進(jìn)行無(wú)GPS基站飛行作業(yè)后，使用ADS系統(tǒng)無(wú)需進(jìn)行外業(yè)控制測(cè)量就可以直接進(jìn)行加密和測(cè)圖，不僅大大減少了外業(yè)控制測(cè)量工作及成本，更可以提高工作效率，縮短成圖周期[1]。

二、ADS80在甘肅省基礎(chǔ)測(cè)繪中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1．甘肅省整體地貌簡(jiǎn)介

甘肅地貌復(fù)雜多樣，山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁交錯(cuò)分布。地勢(shì)自西南向東北傾斜，大致可分為6大區(qū)域：隴南山地、隴中黃土高原、甘南高原、河西走廊、祁連山地、河西走廊以北的沙漠及戈壁地帶。

由于部分高山、沙漠、戈壁地區(qū)，人跡罕至，給外業(yè)控制測(cè)量工作造成很大的困難，加上過(guò)去攝影測(cè)量技術(shù)手段的限制，至今省內(nèi)仍有大面積區(qū)域沒(méi)有1∶10 000地形圖覆蓋。

2．ADS80應(yīng)用的主要優(yōu)勢(shì)

(1)ADS80 自身的優(yōu)勢(shì)[2]

1)直接獲取數(shù)字影像，免除了事后的膠片沖洗、掃描等繁瑣工作，減少了誤差源;

2)多波段成像能力，能同時(shí)獲取全色、彩色和假彩色圖像，并具有較高的地面分辨率;

3)地面覆蓋寬，減少了航線并節(jié)省了飛行時(shí)間;

4)光敏動(dòng)態(tài)范圍大，降低了對(duì)航攝天氣的要求，可獲得更多的航攝時(shí)機(jī);

5)校正精度高，可使對(duì)地面控制的依賴(lài)降到最低;

6)同時(shí)獲取的3個(gè)航向立體為獲取高質(zhì)量DEM提供了保障。

(2)ADS80應(yīng)用于甘肅省基礎(chǔ)測(cè)繪的優(yōu)勢(shì)

ADS80相機(jī)是三線陣推掃式航攝相機(jī)，由于其內(nèi)部集成高精度的POS系統(tǒng)，航攝的同時(shí)獨(dú)立記錄GPS相位中心的精確位置和高頻記錄IMU的姿態(tài)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行GPS和IMU數(shù)據(jù)聯(lián)合處理后，可以得到航攝過(guò)程中航攝儀高頻精確的空間位置和姿態(tài)信息。因此，通過(guò)ADS80獲取到的地面掃描影像是一條條直接具有較高精度外方位元素的掃描線。航測(cè)生產(chǎn)所需的外業(yè)控制測(cè)量工作可全部或者大部分省去，更加有利于節(jié)約測(cè)圖成本，大幅度提高全數(shù)字航測(cè)生產(chǎn)的效率[3]。甘肅省測(cè)繪局從2011年開(kāi)始引入ADS80數(shù)據(jù)，至2012年，已經(jīng)有約84 000 km2使用ADS80數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)測(cè)繪的生產(chǎn)。因此，對(duì)地面控制點(diǎn)依賴(lài)極少的特點(diǎn)使ADS80航空攝影測(cè)量系統(tǒng)在甘肅省的基礎(chǔ)測(cè)繪中具有廣闊的應(yīng)用前景。

三、ADS80數(shù)據(jù)處理

1．ADS80空三加密

ADS80空三加密采用Leica Xpro+Orima自動(dòng)空三加密軟件，首先將原始影像與經(jīng)過(guò)IMU/GPS解算出來(lái)的初始外方位元素進(jìn)行預(yù)處理，得到具有初始定位信息的L0級(jí)影像，然后進(jìn)行區(qū)域內(nèi)連接點(diǎn)的自動(dòng)匹配，完成區(qū)域網(wǎng)的無(wú)約束平差。根據(jù)像控點(diǎn)的布點(diǎn)方案要求，選取并觀測(cè)地面像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)的聯(lián)合平差解算。當(dāng)檢查點(diǎn)的殘差滿足精度要求時(shí)，輸出加密成果，提交下工序使用。具體流程如圖1所示。

圖1 ADS80空三加密流程

2．3D產(chǎn)品生產(chǎn)

空三加密完成后，即可進(jìn)行DLG(數(shù)據(jù)線劃圖)、DEM(數(shù)據(jù)高程模型)、DOM(數(shù)字正射影像)3D產(chǎn)品的生產(chǎn)，由于ADS80數(shù)據(jù)量較大，并且加密所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)可能與成圖使用的坐標(biāo)系統(tǒng)不一致，所以測(cè)圖之前，需要對(duì)加密成果數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切和坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換設(shè)置，如圖2所示。

圖2 3D產(chǎn)品生產(chǎn)

四、關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

1．空三加密

空三加密是整個(gè)攝影測(cè)量的核心，而且處于攝影測(cè)量生產(chǎn)流程的前端。因此，在開(kāi)展攝影測(cè)量工作時(shí)，必須解決空三加密的問(wèn)題。

由于ADS80所涉及的數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)仍然沒(méi)有一套可以完全獨(dú)立處理ADS80數(shù)據(jù)的空三加密軟件。為此，引進(jìn)了Leica Xpro+Orima自動(dòng)空三加密軟件，專(zhuān)門(mén)用于ADS80(包括ADS40)數(shù)據(jù)的處理。其特點(diǎn)是：高效、自動(dòng)、操作簡(jiǎn)單并且?guī)缀醪皇軘?shù)據(jù)量大小的限制。

加密完成后，輸出的主要文件有平差后的外方位元素文件*．odf和經(jīng)過(guò)幾何糾正的L1級(jí)影像數(shù)據(jù)。

2．坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換

利用ADS80進(jìn)行航空攝影作業(yè)時(shí)，其機(jī)載GPS和地面基站GPS獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的成果為WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，而筆者使用的測(cè)繪產(chǎn)品采用的是CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)。因此，需要將WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標(biāo)。采用的方法有3種：七參數(shù)法、似大地水準(zhǔn)面精化模型改正法和直接改正法。

1)七參數(shù)法是基于一種空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的嚴(yán)密模型——七參數(shù)模型，見(jiàn)式(1)

2)似大地水準(zhǔn)面精化模型改正法是利用似大地水準(zhǔn)面精化成果將大地高改正到正常高。其公式為

式中，h為正常高;H為大地高;ζ為高程異常。

3)直接改正法是指控制點(diǎn)成果直接采用CGCS2000坐標(biāo)系，將加密成果轉(zhuǎn)換為成圖坐標(biāo)系的方法。這種方式比前兩種方式所需要的控制點(diǎn)要多，并且可靠性不如前兩種方式高，作業(yè)中需要較多的檢查點(diǎn)進(jìn)行精度檢測(cè)，以確保加密成果的可靠性。

3．?dāng)?shù)據(jù)裁切

由于ADS80數(shù)據(jù)以航帶為單位，每條航帶長(zhǎng)度有幾十甚至幾百千米，數(shù)據(jù)量巨大，給后續(xù)的測(cè)圖工作帶來(lái)很大的困難。因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切，以滿足測(cè)圖的需要。數(shù)據(jù)裁切采用吉威公司的DPS(數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng))裁切模塊，可以按照標(biāo)準(zhǔn)圖幅裁切，也可以按照用戶指定的范圍大小進(jìn)行裁切。裁切后的數(shù)據(jù)保證了原始數(shù)據(jù)的定位信息，不會(huì)對(duì)測(cè)圖精度造成任何影響。

4．DEM匹配

ADS80采用三線陣推掃式成像，其DEM匹配方式與流程與以往也有很大的不同。當(dāng)前采用的DEM匹配軟件主要有吉威公司的集群式影像處理系統(tǒng)(CIPS)和中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院的PixelGrid。二者共同的特點(diǎn)是支持多任務(wù)處理，可集中進(jìn)行大區(qū)域的DEM匹配，改變過(guò)去單機(jī)分散匹配方式，節(jié)省了大量的人力和時(shí)間。集群式匹配的DEM再分幅分塊到作業(yè)端進(jìn)行精細(xì)修測(cè)。

5．DOM制作

DOM 制作采用的是吉威公司的CIPS系統(tǒng)。其特點(diǎn)是：

1)基于刀片機(jī)的集群式、多任務(wù)處理模式;

2)支持大區(qū)域的DOM糾正，對(duì)數(shù)據(jù)量幾乎沒(méi)有限制;

3)支持大區(qū)域的DOM勻光勻色處理，速度快、我們效果較好;

4)支持標(biāo)準(zhǔn)圖幅范圍和自定義范圍的影像鑲嵌成圖。

由于CIPS系統(tǒng)的引進(jìn)，調(diào)整過(guò)去DOM單機(jī)作業(yè)模式，改為用CIPS集中制作，減少了大量數(shù)據(jù)在作業(yè)端流轉(zhuǎn)造成的作業(yè)效率低下，減少了數(shù)據(jù)冗余，縮短了DOM制作周期，大大提高了生產(chǎn)效率。

五、應(yīng)用前景

我國(guó)幅員遼闊，在西部無(wú)人區(qū)，人員難以涉足，傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量需要大量像控點(diǎn)測(cè)量以至于無(wú)法進(jìn)行。采用ADS80數(shù)字航空攝影測(cè)量技術(shù)將會(huì)在西部無(wú)人區(qū)測(cè)圖中發(fā)揮巨大的作用。

由于ADS80航空攝影測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部集成高精度POS系統(tǒng)，極大地減小了對(duì)于地面控制點(diǎn)的依賴(lài)，在突發(fā)的自然災(zāi)害事件的應(yīng)急測(cè)繪中也將發(fā)揮更大的作用。如舟曲泥石流災(zāi)害、青海玉樹(shù)地震災(zāi)害等，都采用了ADS80數(shù)碼航攝儀進(jìn)行航空攝影并制作了應(yīng)急測(cè)繪產(chǎn)品，為指揮救災(zāi)、決策等提供依據(jù)。

[1]王海濤，武吉軍，馮聰軍，等．徠卡ADS40/ADS80數(shù)字航空攝影測(cè)量系統(tǒng)[J]．測(cè)繪通報(bào)，2009(10)：73-74．

[2]劉軍，張永生，范永弘．ADS4 0機(jī)載數(shù)字傳感器的攝影測(cè)量處理與應(yīng)用[J]，信息工程大學(xué)：測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，19(3)：186-188．

[3]繆劍，楊天克，徐水平，等．全數(shù)字航測(cè)相機(jī)ADS40及其應(yīng)用初探[J]，測(cè)繪技術(shù)裝備，2007，1(9)：44-45．