全數(shù)字航測(cè)相機(jī)ADS40工作原理及其應(yīng)用

楊玉忠 劉君臣 黃勇 王健潔

【摘 要】ADS40是當(dāng)今最先進(jìn)的攝影測(cè)量系統(tǒng)之一，就ADS40的原理、數(shù)據(jù)處理流程，以及ADS40和常規(guī)攝影測(cè)量的區(qū)別，在精度等方面作了闡述和分析，并就其在我國攝影測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】全數(shù)字航測(cè)相機(jī)，ADS40，三線陣，POS

1 引言

全數(shù)字航測(cè)相機(jī)系統(tǒng)ADS40是全球首臺(tái)商業(yè)機(jī)載三線陣傳感器，它由德國宇航院與Leica公司聯(lián)合研制。目前雖然許多國家包括中國已經(jīng)購買了ADS40用于航測(cè)作業(yè)生產(chǎn)，目前處在試驗(yàn)應(yīng)用階段，價(jià)格較為昂貴。是一種能夠同時(shí)獲得立體影像和彩色多光譜影像的多功能、數(shù)字化的航空遙感傳感器。其立體成像部分由全色波段的前視、后視和R、G、B任一波段的下視三組CCD線陣組成，全色波段每組CCD線陣均由兩條線陣按照交叉像元的方式構(gòu)成超分辨率模式，完成對(duì)同一地面區(qū)域三幅影像的立體覆蓋。彩色成像部分由紅、綠、藍(lán)、近紅外四條CCD線陣組成，可分別成像，經(jīng)融合處理合成真彩色影像和彩紅外多光譜影像。能同時(shí)提供黑白波段、彩色波段以及彩紅外波段影像。其全新的成像機(jī)理及較高的自動(dòng)化數(shù)據(jù)獲取處理方式為攝影測(cè)量開辟了嶄新的途徑，并對(duì)傳統(tǒng)的攝影測(cè)量作業(yè)方式構(gòu)成挑戰(zhàn)。

2 ADS40相機(jī)的特點(diǎn)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)

ADS40推掃式數(shù)字航攝儀由傳感器頭SH40、控制單元CU40、大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)MM40、操作界面OI40、導(dǎo)航界面PI40、PAV30陀螺穩(wěn)定平臺(tái)等部件組成。SH40集成有高性能鏡頭系統(tǒng)和慣性測(cè)量裝置IMU，鏡頭焦平面上安置8條波段CCD陣列探測(cè)器，可以生成黑白、彩色及彩紅外影像。相機(jī)采用單個(gè)鏡頭成像，相比數(shù)字航攝儀多鏡頭口徑更大，鏡頭口徑越大，鏡頭的畸變差越小，成像的質(zhì)量也就越高；單鏡頭成像比多鏡頭成像在原理上更為簡(jiǎn)單，更宜實(shí)現(xiàn)，故障率更低，檢校也更加方便。數(shù)據(jù)后處理設(shè)備即徠卡數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站。

3 ADS40的成像原理

推掃式三線陣CCD相機(jī)數(shù)字影像的x坐標(biāo)為常量，對(duì)于

前視相機(jī)（代號(hào)l）：x1=ftgα （1）

下視相機(jī)（代號(hào)v）：xv=0 （2）

后視相機(jī)（代號(hào)r）：xr=-ftgα （3）

線陣列推掃傳感器的瞬時(shí)外方位元素對(duì)每一掃描行影像均有不同的數(shù)值，是時(shí)間的函數(shù)。ADS40采用先進(jìn)的POS系統(tǒng)以及FCMS軟件來控制、校正飛機(jī)的航線，可以認(rèn)為其外方位元素的變化是平穩(wěn)的，可表示為時(shí)間的線性函數(shù)，即可用下述數(shù)學(xué)模型描述：

Fi=F0 +Fy （4）

（4）式中含有12個(gè)未知參數(shù)，通過對(duì)POS（IMU/GPS）數(shù)據(jù)處理，就可以得到航攝時(shí)每個(gè)掃描行的外方位元素初始值，利用POS數(shù)據(jù)對(duì)0級(jí)影像進(jìn)行糾正，就可以糾正攝影時(shí)飛機(jī)姿態(tài)變化（Rol，l Pitch， Yaw）造成的影像幾何變形，產(chǎn)生1級(jí)影像。利用1級(jí)影像進(jìn)行影像匹配、加入控制點(diǎn)進(jìn)行光束法平差后，可以得到每條掃描行精確的外方位元素。它的8個(gè)波段所對(duì)應(yīng)的各個(gè)線陣都位于焦平面上，在進(jìn)行航空攝影時(shí)，便可得到以一條航線為單位的各波段連續(xù)數(shù)字影像。

4 ADS40與常規(guī)攝影測(cè)量的比較

4.1 外業(yè)控制及航空攝影方面：（1）ADS40相機(jī)在一定的基站范圍內(nèi)，在無控制或少量控制點(diǎn)的情況下完成對(duì)地面目標(biāo)的3維定位。有控制情況下無需內(nèi)業(yè)空三選點(diǎn)加密，相比常規(guī)攝影測(cè)量，大大減輕生產(chǎn)單位的外業(yè)工作量；（2）ADS40相機(jī)可以在飛機(jī)起飛之前輸入有關(guān)技術(shù)參數(shù)，對(duì)飛行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，協(xié)調(diào)。全自動(dòng)化控制，操作簡(jiǎn)單，即時(shí)監(jiān)控和修正航線，提高航攝質(zhì)量與效率，大大減輕攝影員的操作壓力；（3）ADS40可航攝的天氣大大高于常規(guī)光學(xué)相機(jī)，甚至可以在水平能見度小于3Km的云下進(jìn)行大比例尺攝影；（4）ADS40相機(jī)獲取的是數(shù)字影像，當(dāng)天攝影完畢，影像可以立即下載，供下工序使用。而常規(guī)航空攝影后處理所經(jīng)歷的周期太長(zhǎng)，專業(yè)處理膠片人員和中間環(huán)節(jié)會(huì)影響影像質(zhì)量；（5）ADS40相機(jī)是三線陣推掃式的，獲取的影像是以航線為單元的條帶影像，其影像能構(gòu)成3對(duì)立體以供觀測(cè)，不考慮重疊度。常規(guī)框幅式相機(jī)需要考慮航向重疊度，增加經(jīng)濟(jì)成本。

4.2 數(shù)據(jù)處理方面：（1）在ADS40攝影測(cè)量工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理時(shí)，無內(nèi)定向過程。常規(guī)框幅式影像需要進(jìn)行人工內(nèi)定向，處理較為復(fù)雜；（2）ADS40相機(jī)影像是以每條航線為單位，傳統(tǒng)框幅式相機(jī)影像是以單張相片為單位，各立體像對(duì)之間必須保證一定的重疊度。ADS40影像在一條航線范圍內(nèi)，航向不需要接邊，提高工作效率；（3）ADS40空三在大面積測(cè)區(qū)平差時(shí)效率較高，人工干預(yù)較少，只需觀測(cè)有限幾個(gè)控制點(diǎn)，其他均由影像匹配自動(dòng)完成。ADS40成像機(jī)理的復(fù)雜性決定了數(shù)據(jù)后處理過程也較常規(guī)攝影測(cè)量復(fù)雜，選擇高精度的IMU/DGPS和空三平差模型對(duì)于ADS40而言是十分重要的。

5 結(jié)束語

總之，數(shù)碼相機(jī)ADS40在我國的引進(jìn)與應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)全數(shù)字航空攝影的里程碑，是加快航測(cè)數(shù)字化生產(chǎn)與建設(shè)的又一有力工具，但ADS40相機(jī)畢竟是新事物、新設(shè)備，技術(shù)含量高、配套軟件多，對(duì)其了解、認(rèn)識(shí)、學(xué)習(xí)、消化、吸收和應(yīng)用需要一個(gè)過程，只有不斷試驗(yàn)、探索和研究，加快生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)和接口的開發(fā)研制工作，才能使ADS40相機(jī)盡早投入到生產(chǎn)應(yīng)用中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梅軍，張永生，范永弘.ADS40機(jī)載數(shù)字傳感器的攝影測(cè)量處理與應(yīng)用.鄭州：測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2002

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