基于ADS100數(shù)字航空攝影測量系統(tǒng)的航線設(shè)計研究

劉元志 楊陽

摘 要：詳細介紹了IMU/GPS輔助ADS100數(shù)字航空攝影測量系統(tǒng)的基本參數(shù)，對ADS100航線設(shè)計的問題進行了研究探討，總結(jié)出ADS100數(shù)字航空攝影測量系統(tǒng)航線設(shè)計技術(shù)特點。

關(guān)鍵詞：ADS100；航空攝影測量；航線設(shè)計

1 國內(nèi)外航線設(shè)計研究現(xiàn)狀

航空攝影是為了航測成圖的需要，對測區(qū)進行有計劃的空中攝影并取得航攝像片的全過程。在航測之前要進行航線的設(shè)計，完成合理的飛行成圖。國內(nèi)有些學(xué)者使用AutoCAD展點程序解決線路中心上的展點問題，然而此方法并不能解決其他問題。如因地形、天氣等因素航線需要變動時，將帶來極大的麻煩。

基于此，國內(nèi)外的一些學(xué)者和科研單位進行了航線設(shè)計自動化的研究及軟件的開發(fā)。在國內(nèi)，裴書琦等人編制了用于航線設(shè)計的PAF程序，在計算機上使用該程序可以實現(xiàn)航線設(shè)計的自動化。在輸入攝影比例尺、地面采樣間隔（GroundSampling Distance，GSD）、航攝范圍等相關(guān)參數(shù)后，程序會自動分析并解算出航攝中的各種詳細數(shù)據(jù)，并以表格形式輸出。

國外方面，Carl Zeiss 與 Intergraphy 公司共同研發(fā)了Z/I Imaging數(shù)字航攝像機系統(tǒng)。其中的“任務(wù)規(guī)劃（ImageStation Mission Planning，簡稱ISMP）”軟件，他們稱之為“航測過程中的一個創(chuàng)新性的解決方案”。其他例如德國IGI公司研發(fā)的CCNS系統(tǒng)、荷蘭Track Air公司研發(fā)的Tracker系統(tǒng)、瑞士Leica公司研發(fā)的FCMS系統(tǒng)等。

2 航線設(shè)計與試驗

在航空攝影測量中，航線設(shè)計按照攝區(qū)的形狀可以分為兩種：一種是面狀攝區(qū)的航線設(shè)計，如用于數(shù)字城市、電子地圖等基礎(chǔ)地理信息采集的航線設(shè)計；另一種是帶狀攝區(qū)的航線設(shè)計，如公路、鐵路、南水北調(diào)、西氣東輸?shù)软椖康膽?yīng)用。本節(jié)以面狀攝區(qū)的航線設(shè)計為例，詳細講述了湖南某攝區(qū)的航線設(shè)計。

2.1 航攝儀的介紹

2013 年10月我院在省內(nèi)首次引進瑞士leica公司ADS100系統(tǒng)。該系統(tǒng)為推掃式航攝儀，影像寬度達20000像素。本文使用ADS100數(shù)字航攝儀及其配套航線設(shè)計軟件，詳細講述了湖南某攝區(qū)的航線設(shè)計。

2.2 航線設(shè)計

航線設(shè)計是航空攝影測量工作的重要組成部分，是對航攝區(qū)域按照航測成圖要求和航攝規(guī)范要求，規(guī)劃設(shè)計出實際需要飛行的線路，為航攝飛行提供依據(jù)。航攝飛行設(shè)計主要包括航線位置、航線數(shù)量、航線間隔、旁向重疊度、航向重疊度、地面分辨率、相對航高、平均海拔等內(nèi)容。為了避免飛行設(shè)計人為因素的干擾并提高設(shè)計的工作效率，ADS100數(shù)字航攝儀提供配套的航線設(shè)計軟件Missionpro。

2.2.1準備工作

在進行航線設(shè)計之前，要收集攝區(qū)的基本資料，確定攝區(qū)范圍、機場選取、氣候條件、地形因素、DEM等。

航線設(shè)計軟件Missionpro是利用SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）數(shù)據(jù)對攝區(qū)范圍內(nèi)的區(qū)域進行高程統(tǒng)計。SRTM數(shù)據(jù)是美國雷達獲取的影像數(shù)據(jù)，通過加工制成的數(shù)字地形高程模型。

2.2.2 參數(shù)計算

（1）相對航高

ADS100數(shù)字航空攝影儀焦距為62.7mm，數(shù)字航空攝影的地面分辨率（GSD）與飛行相對高度的關(guān)系如圖1所示。

由圖可知：

可以推導(dǎo)出：

在GSD一定的條件下，相對航高h的大小取決于鏡頭焦距。航空攝影對天氣要求較高，需要在天空晴朗、無云的條件下進行，飛行高度越低，可航攝天氣就越多。

（2）地面分辨率GSD

在航空攝影測量中，基準面是攝區(qū)的高程均值。攝區(qū)地形是起伏不定的，尤其是在地形復(fù)雜的山區(qū)，高差較大，山頂和山谷在影像上所呈現(xiàn)出的分辨率是不同的。為了滿足規(guī)范的要求，需要計算最高點和最低點的GSD。如圖2所示，攝影H 與圖1中h表示相同的意義，即相對航高。

f為航攝儀的焦距，選定之后為固定值，a也是固定值，因此GSD的大小跟地形起伏的高差有直接的關(guān)系：

（3）重疊度

ADS100為推掃式數(shù)字航攝儀，采用三線陣CCD 掃描和專業(yè)的單一大孔徑鏡頭，一次飛行可以同時獲取前視、下視和后視影像，具有航向100% 三度重疊。

基準面上的重疊度：旁向重疊度；影像在△h高度時的重疊度：旁向重疊度；由于受地形起伏的影響，重疊度會有變化，

即：

2.2.3 航攝分區(qū)

航空攝影測量規(guī)范要求航攝分區(qū)劃分原則如下：

（1）當(dāng)?shù)孛娣直媛蚀笥?0cm時，分區(qū)內(nèi)的地形高差不應(yīng)大于四分之一攝影航高；當(dāng)?shù)孛娣直媛市∮诨虻扔?0cm時，分區(qū)內(nèi)的地形高差不應(yīng)大于六分之一攝影航高。

（2）攝區(qū)范圍應(yīng)為拐點盡量少、各邊大致為東西或南北方向的凸多邊形。

（3）攝區(qū)劃分應(yīng)考慮航線布設(shè)的方向及長度。航線一般按東西或南北方向飛行，單條航線的長度應(yīng)保證飛行時間不超過25分鐘。

在符合以上原則的情況下，攝區(qū)劃分得越大越好。

飛行質(zhì)量的要求：

相鄰航線的像片旁向重疊度一般應(yīng)為20%-30%，個別最小不應(yīng)小于13%，但不得連續(xù)出現(xiàn)。

因此，攝區(qū)內(nèi)地形高差是決定是否分區(qū)的主要因素。

2.3 實例分析

湖南某攝區(qū)，地面分辨率為0.2m，按照上述要求，航攝分區(qū)內(nèi)高差不應(yīng)大于1/6攝影航高。攝區(qū)位于湖南省南部、湘江中游，東西橫跨64.5公里，南北縱長90.5公里，總面積2538平方千米。北部為丘陵，南面為高山地，平均海拔112米，南部的摸天嶺和黃凸山海拔均為1438米，是攝區(qū)內(nèi)最高點。

利用SRTM數(shù)據(jù)統(tǒng)計測區(qū)內(nèi)的高程值，根據(jù)上述分區(qū)原則將該攝區(qū)分為三個航攝分區(qū)：

根據(jù)公式，當(dāng)GSD=0.2m時，可求得相對航高=2508m，1/6相對航高為418m，根據(jù)分區(qū)邊界范圍求得的各分區(qū)最大高程與最小高程之差均大于418m，不滿足規(guī)范要求。但是由圖3可以看出攝區(qū)內(nèi)絕大部分高程都在500m左右，此時高差為400m左右，小于418m。滿足要求。

根據(jù)公式計算

最低點的地面分辨率：

=0.22

最高點的旁向重疊度：

=0.19

使用航線設(shè)計軟件Missionpro進行航線設(shè)計時，要注意相關(guān)環(huán)節(jié)。

通過對傳感器參數(shù)、飛行計劃參數(shù)的正確設(shè)置經(jīng)過計算得到最為合理的航線分布。

2.4 成果輸出

利用航線設(shè)計軟件Missionpro可以輸出的成果包括攝區(qū)邊界坐標、攝區(qū)面積、航線起始點坐標、航線長度、航高、最大最小GSD以及最大最小旁向重疊度等數(shù)據(jù)的xls文件。

3 總結(jié)

本文系統(tǒng)闡述了航空攝影測量的有關(guān)理論，并介紹航空攝影測量航線設(shè)計應(yīng)用方法，結(jié)合具體實例，詳細討論了使用ADS100數(shù)字航攝儀配套航線設(shè)計軟件Missionpro 進行航線設(shè)計。

在以湖南某攝區(qū)為例進行航線設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)和總結(jié)了一些問題：

（1）由于航線設(shè)計軟件Missionpro是利用 SRTM 數(shù)據(jù)對攝區(qū)范圍內(nèi)的區(qū)域進行高程統(tǒng)計，而目前 SRTM 地形數(shù)據(jù)公開的僅為90米分辨率的數(shù)據(jù)。當(dāng)攝區(qū)位于地形復(fù)雜的山區(qū)時，使用 SRTM 地形數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)高程異常情況，尤其是在高差較大的山區(qū)，易導(dǎo)致重疊度不足的問題。如何提高攝區(qū)范圍內(nèi)高程統(tǒng)計的精度，減少因設(shè)計不足造成的問題？

（2）在進行航攝分區(qū)時，不可能嚴格按照現(xiàn)有的航攝規(guī)范及分區(qū)原則進行分區(qū)。分區(qū)太小，會影響航攝飛行，增加內(nèi)業(yè)工作量，曾大作業(yè)難度；否則又會造成GSD、重疊度等不滿足要求。制定更為合理的航攝規(guī)范及分區(qū)原則需要更多的實踐來驗證。

（3）在地形起伏較大的地區(qū)，分區(qū)內(nèi)的GSD、重疊度計算滿足要求，進行影像采集時由于氣流較大等因素會造成運載體在空中偏離航線、上下高差較大等問題，導(dǎo)致影像重疊度不足。在進行航線設(shè)計時，設(shè)計要求和實際要求如何平衡？

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