A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)概述

摘 要：航空攝影測量已進入到數(shù)字?jǐn)z影測量階段，并且已經(jīng)成為獲取空間和屬性數(shù)據(jù)的重要手段。數(shù)碼相機的飛速發(fā)展促進了航空攝影測量向數(shù)字航空攝影測量的發(fā)展，同時各種數(shù)碼航攝儀也應(yīng)運而生。以色列VisionMap公司的A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)在設(shè)計理念方面有很大的創(chuàng)新，本文介紹了A3系統(tǒng)的一些原理與技術(shù)，包括系統(tǒng)的組成與特點、無控制點獲取的高精度結(jié)果、拍攝過程中各種位移補償方法、數(shù)據(jù)后處理的能力和方式等內(nèi)容。通過分析驗證了A3系統(tǒng)中一些巧妙的設(shè)計使其性能能夠滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)碼航攝儀 位移補償 控制點 影像

中圖分類號：P23 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（b）-0037-04

自2000年第一臺真正意義上的數(shù)碼航攝相機發(fā)布并投入使用以來，數(shù)碼航空攝影測量一直在爭議中不斷發(fā)展。經(jīng)過10多年的發(fā)展至今，數(shù)碼航攝攝影已基本取代了傳統(tǒng)光學(xué)膠片航空攝影[1]。在此期間受限于CCD尺寸、存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸速率、計算機技術(shù)和光學(xué)鏡頭工藝水平等等技術(shù)限制，為獲取更高的航空攝影效率和精度，不得不使用額外的設(shè)計，由此衍生了多種多樣的數(shù)碼航攝儀。

按照成像方式一般可以將數(shù)碼航攝儀分為單一大面陣，多鏡頭、多CCD合成大幅面框幅式和線陣推掃式幾大類[2]。很難用一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)去衡量這些數(shù)碼航攝儀的優(yōu)劣，他們各有特點，適用于不同的領(lǐng)域。

本文介紹的以色列VisionMap公司設(shè)計生產(chǎn)的A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)是比較特殊一種。這種數(shù)碼航攝儀使用了多種嘗試和創(chuàng)新，并取得了成功。本文主要介紹并分析了A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)的一些原理和技術(shù)。

1 A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)的組成和特點

A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)是一整套不可分割航空數(shù)碼系統(tǒng)，主要包括空中和地面兩大部分?？罩性O(shè)備主要有：航攝儀、控制存儲設(shè)備、飛行導(dǎo)航管理系統(tǒng)（圖1）。

地面數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)（圖2）由后處理軟件和硬件組成，主要功能包括：飛行設(shè)計、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、和數(shù)據(jù)處理?？勺詣油瓿煽罩腥菧y量并生成DSM、DOM、傾斜影像、拼合后常規(guī)大幅面立體模型等產(chǎn)品。

整套A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)的特點。

（1）影像獲取非常高效，是同類數(shù)碼航空攝影系統(tǒng)的2～4倍。

（2）一次飛行可同時獲取垂直和傾斜影像。

（3）無需控制點和IMU設(shè)備就可獲取高精度結(jié)果。

（4）全自動的空中三角測量、DTM、大面積正射影像成圖及鑲嵌。

（5）數(shù)據(jù)處理能力非常強大，可在2～5天時間內(nèi)處理5000平方公里的影像數(shù)據(jù)。

2 A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)主要原理和技術(shù)方法

2.1 物理結(jié)構(gòu)

它使用雙量測數(shù)碼相機剛性固定組合，垂直于飛行方向擺動掃視拍攝（圖3）。單個量測數(shù)碼相機焦距300 mm。目前最新型號A3相機中單相機獲取的影像（以下稱子影像）幅面4006×2666像素，像素大小0.012 mm，擺動最大掃攝視場角104度（圖4）。

2.2 掃視拍攝方式

單方向勻速擺動掃視拍攝后快速回擺，每臺相機獲取每秒可獲取3～4幅子影像。

一個掃視周期內(nèi)獲單個相機最多可獲取33幅子影像。

兩臺相機同時獲取的子影像之間重疊度不少于2%，掃視方向上相鄰子影像重疊度不少于15%（圖4）。

單次擺動掃視后的的影像通過糾正后可合成幅面達62000pix×8000pix的大幅面中心投影影像（圖5）。

2.3 覆蓋能力

掃攝視場角104度，設(shè)航高H，理論上其單張大幅面影像覆蓋寬度為：

2H×tan52=2.56H

即覆蓋寬度為航高的2.56倍。

但是為保證正射影像的合理性，需要以傳統(tǒng)光學(xué)膠片航攝相機旁向重疊25%（平地、村鎮(zhèn)）和40%（山地、城區(qū)）情況下的地物投影差為界作為分類標(biāo)準(zhǔn)[3]，將獲取的大幅面影像分為正射影像和傾斜影像兩個部分（圖6、圖7）。

為保證正射影像區(qū)域的地物投影差滿足要求并存在一定的重疊度，使用A3數(shù)碼航攝儀拍攝時旁向重疊度在平地、村鎮(zhèn)地區(qū)一般需要大于60%。在山地、城區(qū)執(zhí)行航空攝影時為保證效果，其旁向重疊度應(yīng)大于80%。

此時在相同飛行高度情況下A3數(shù)碼航攝儀的航線間隔略優(yōu)于其他數(shù)碼航攝相機，但是考慮到A3數(shù)碼航攝像機獲取同樣地面分辨率的影像時，其飛行高度一般是同類數(shù)碼航攝相機的1.5～3倍，所以在獲取同樣地面分辨率情況下，其正射影像區(qū)域覆蓋能力也是同類相機的1.5～3倍（表1、表2）。

2.4 無控制點獲取高精度結(jié)果的原理和方法

A3數(shù)碼航攝系統(tǒng)攜帶有雙頻GPS，可實時記錄每張子影像的位置信息。通過地面基站或事后精密單點定位技術(shù)解算獲取每張子影像的精確位置精度可達2～20 cm[4]。

掃攝時同一周期內(nèi)獲取的相鄰子影像重疊度大于15%，相鄰周期直接對子影像重疊度（航向方向上重疊度）大于56%，相鄰航帶旁向重疊度在60%以上，所以同一地物可出現(xiàn)大量的影像上，這些地物各自對應(yīng)一組獨立的子影像位置信息（圖4、圖8）。

通過大量重疊子影像，充分利用多目視覺[5]、多基線匹配技術(shù)[6]，對同一地物可獲取大量匹配數(shù)據(jù)。構(gòu)建三角網(wǎng)非常緊密，可同時獲取大量的冗余結(jié)果，這些結(jié)果通過平差解算足以以一個較高的精度趨近真實值。（圖9）。

在航向方向上相鄰影像由于基線非常短，投影差很小，有助于提高匹配數(shù)量、匹配精度、定向精度進而提高平面精度[7]。

在相鄰航帶之間，由于旁向重疊度一般大于55%，可以同樣可用于匹配、量測等作業(yè)。而相鄰航帶之間視場角很大，可充分利用基高比大的優(yōu)點獲得很好的高程精度和人工量測精度[5]（表3）。

正射影像和傾斜影像均參與匹配和平差，同一地物不同角度的數(shù)據(jù)均參與計算，可以有效驗證精度的可靠性。

綜合以上各種有利條件，通過光束法區(qū)域網(wǎng)平差和其自創(chuàng)的驗證算法，A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)理論上可以在無控制點的情況下獲取較高的精度。

2.5 拍攝過程中各種位移補償方法

相比于傳統(tǒng)數(shù)碼航攝相機，A3數(shù)碼航攝相機在拍攝過程中存在不僅在飛行方向上存在位移變化，在其擺動掃攝方向上也存在的位移，并且沒有陀螺穩(wěn)定座駕補償飛機飛行過程中震動和姿態(tài)變化帶來的位移。必須通過設(shè)計補償以上各種位移。

A3數(shù)碼航攝系統(tǒng)通過全局快門曝光模式縮短曝光時間，此模式下所有像素同時曝光，可以保證所有像素在曝光時刻精度的一致性。

基于加速度傳感器和實時GPS的數(shù)據(jù)，通過編碼器計算所需要補償?shù)膮?shù)，并通過此參數(shù)控制一個特殊的內(nèi)置鏡頭組做微小的姿態(tài)變化，從而達到補償各種位移和角度變化的目的。其補償方式和消費級單反數(shù)碼相機的光學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)（俗稱鏡頭防抖）相同，但VisionMap聲稱其合作的鏡頭和相機后備提供商（佳能公司）做了特殊的設(shè)計，使其性能比一般消費級的光學(xué)穩(wěn)定系統(tǒng)好。

在實際的飛行中，通過獲取的影像也表明這一方式可以有效補償像素位移[8]（圖10）。

3 數(shù)據(jù)后處理的能力和方式

數(shù)據(jù)下載后通過地面基站或精密單點定位技術(shù)計算每張子影像的高精度位置信息。以這些位置信息為基礎(chǔ)進行匹配和區(qū)域網(wǎng)平差。

通過光束法區(qū)域網(wǎng)平差計算改正后合成大幅面影像的虛擬相機的自檢校參數(shù)，并輸出立體模型和糾正后的大幅面影像供立體測量使用。

評估精度并可生成DSM、DTM，同時可以計算、整理、生成并輸出傾斜影像和正射影像。

在此過程中A3數(shù)碼航攝相機分散的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常適合分布式作業(yè)，處理時間可以隨著后處理硬件設(shè)備的數(shù)量和能力穩(wěn)步提高[9]。

4 結(jié)語

A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)通過一系列巧妙的設(shè)計使其性能確實達到了其聲稱的標(biāo)準(zhǔn)。

在獲取傾斜影像時，只能獲取旁向方向上兩個角度的傾斜影像，飛行方向上兩個角度的傾斜度并不高，其應(yīng)用有一定的限制但能滿足大部分需要。

通過分析可以看出在獲取地面分辨率低于10 cm時有很大優(yōu)勢，在獲取優(yōu)于5 cm影像時，其效率開始大幅下降。

當(dāng)獲取10～25 cm分辨率時，A3數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)效率是其他數(shù)碼航攝相機的2～4倍。

當(dāng)?shù)孛娣直媛实陀?5 cm時，其飛行高度將大于7500 m。在此高度上執(zhí)行航空攝影，對天氣、能見度、飛行器的要求有了非常苛刻的要求，制約了其獲取更低分辨率提高效率的能力。當(dāng)對分辨率要求不高時，同類數(shù)碼航攝相機可以通過提高飛行高度以達到相同地面覆蓋效率。

雖然通過一系列的補償裝置有效減少了各種位移帶來的影響，但是A3數(shù)碼航攝相機300 mm的超長焦距，飛行時相對較高的高度，使其依然無法使用較慢的快門速度，對光照和能見度要求相對較高。

無控制點后處理方式和多基線、多目視覺的應(yīng)用非常值得借鑒，將大幅提高作業(yè)效率和精度。

參考文獻

[1]張祖勛.數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展與展望[J].地理信息世界，2004（3）.

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[3]GIM International Magazine，Dr.Yuri Raizman，F(xiàn)light Planning and Orthophotos.

[4]張小紅，劉經(jīng)南，Rene Forsberg.基于精密單點定位技術(shù)的航空測量應(yīng)用實踐[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2006（1）.

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[7]張永軍，張勇.大重疊度影像的相對定向與前方交會精度分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2005（2）.

[8]FIG Working Week 2009， VisionMap A3-The New Digital Aerial Survey and Mapping System 52nd Photogrammetric Week， Stuttgart， Germany，2009，“The New VisionMap A3 Airborne Camera System”.

[9]ISPRS Congress Beijing 2008， VisionMap A3 Super Wide Angle Mapping System：Basic principles and workflow.