航空攝影中的新技術(shù)應(yīng)用

李琴

摘要：隨著我國信息化科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，測繪學(xué)科也跟著不斷進(jìn)步與發(fā)展，航空攝影測量領(lǐng)域向著信息化發(fā)展，給我國城市規(guī)劃、國土測量等各個方面帶來了新的測量技術(shù)革命。本文主要研究GPS、機(jī)載激光掃描技術(shù)、機(jī)載側(cè)視雷達(dá)技術(shù)、低空遙感系統(tǒng)以及定位定姿態(tài)系統(tǒng)五種先進(jìn)技術(shù)在航空攝影領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：航空攝影；GPS；機(jī)載激光掃描；機(jī)載側(cè)視雷達(dá)；低空遙感系統(tǒng)；定位定姿態(tài)系統(tǒng)

1、GPS在空中攝影中的應(yīng)用

GPS測量技術(shù)在航空攝影測量中，一方面可以利用來開展航空攝影飛行的導(dǎo)航，另一方面可以利用來開展空三加密的應(yīng)用。

對于航空攝影飛行的導(dǎo)航應(yīng)用，GPS保證航空攝影的飛機(jī)在航拍的過程中按照航空攝影的設(shè)計路線飛行。只有按照計劃開展航攝外業(yè)工作，航攝獲取的航片才能滿足航攝對應(yīng)的行高、航攝比例尺基本要求，最終航片的旁向重疊度以及航向重疊度才能滿足后續(xù)航攝數(shù)據(jù)處理的要求。

對于空三加密的應(yīng)用，GPS首先可以提供地面的控制測量工作，例如地面控制點的GPS外業(yè)靜態(tài)控制測量工作，獲取足夠數(shù)量的地面控制點坐標(biāo)，從而滿足攝影測量內(nèi)業(yè)加密的要求。除此之外，航攝飛機(jī)上安裝GPS，伴隨著飛機(jī)的飛行，每個航攝照片獲取的瞬間，對應(yīng)一個具體GPS動態(tài)坐標(biāo)，此坐標(biāo)即可確定該航片航攝儀物鏡中心的坐標(biāo)，解決外方位元素中的三個線元素，此方法有助于大大減少在航片解算中地面控制點的個數(shù)。

2、機(jī)載激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)載激光掃描技術(shù)，它是利用航攝飛機(jī)作為載體，將機(jī)載激光掃描儀安裝掛載于飛機(jī)上，當(dāng)飛機(jī)飛過某片區(qū)域，掃描儀即可獲得飛機(jī)飛過區(qū)域下方地面的激光點云數(shù)據(jù)。

該技術(shù)方法與傳統(tǒng)攝影測量利用航測相機(jī)通過航攝理論解算地面點坐標(biāo)的理論方法相比較，它克服了相機(jī)對天氣光線等客觀條件的依賴。傳統(tǒng)的航攝相機(jī)，只有光線充足的白天，才能獲取優(yōu)質(zhì)的航片，開展航攝工作。而機(jī)載激光掃描技術(shù)，不僅白天，而且在黑暗的夜晚，也能開始測量工作。激光掃描儀，通過發(fā)射激光，激光點遇到地面或者房屋等障礙物，激光反射被接收，該方法獲取的直接是點的坐標(biāo)，避免了航測理論解算的原理，使用更加方便。

在大范圍的數(shù)字測繪產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，尤其是DEM、DSM、三維模型重建的獲取，該方法具有極大的優(yōu)勢。掛載激光掃描儀的飛機(jī)飛過區(qū)域，獲取一定密度的該區(qū)域的地面機(jī)載激光點云數(shù)據(jù)，通過后處理軟件，可以對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，其中地面點云數(shù)據(jù)即可自動構(gòu)建成為該區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)。在DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合地面建筑物的點云數(shù)據(jù)、機(jī)載激光掃描儀同步的相片數(shù)據(jù)，即可獲取DSM數(shù)據(jù)以及三維模型重建的效果。

3、機(jī)載側(cè)視雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)載側(cè)視雷達(dá)技術(shù)，與機(jī)載激光掃描技術(shù)類似，同樣使用飛機(jī)作為載體，但掛載的數(shù)據(jù)采集設(shè)備不同，原理也完全不一樣。機(jī)載側(cè)視雷達(dá)，用一個小天線沿飛行方向作直線運(yùn)動，在運(yùn)動每相隔一段距離發(fā)射一束微波信號，同時接受地面反射回的微波信號，記錄信號的振幅和相位信息。在獲取飛機(jī)的瞬間位置和時間的前提下，對獲取的微波信號進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲取信號發(fā)射瞬間，信號發(fā)射中心的位置。在此基礎(chǔ)上，對微波信號進(jìn)行處理，獲取地面點雷達(dá)視線方向上的距離，從而獲取地形信息。

對于機(jī)載側(cè)視雷達(dá)數(shù)據(jù)處理，基本流程包括：（1）主輔影像輸入，（2）影像配準(zhǔn)，（3）干涉成像，（4）基線估算，（5）去平地效應(yīng)，（6）噪聲濾除，（7）相位解纏，（8）高程計算。在數(shù)據(jù)處理的過程中，存在許多關(guān)鍵問題，例如復(fù)數(shù)影像的高精度自動配準(zhǔn)、去相關(guān)所引起的相位噪聲、相位解纏等，解決好這些問題，才能獲得正確的解算結(jié)果。

該技術(shù)方法對應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，目前應(yīng)用比較活躍的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下幾個方面：（1）地形測繪。具體包括影像自動提取DEM、地物特征的提取與識別。（2）城市目標(biāo)顯示和城市形態(tài)分析，顯示城市地區(qū)的豐富信息，如街道和建筑物結(jié)構(gòu)及走向在影像上的特征。（3）海洋表面狀態(tài)，海洋洋流、鋒面以及船只的監(jiān)測。4）地表形變監(jiān)測，檢測出地表微小形變，例如地震、滑坡、城市地下水抽取引起的沉降問題等。

4、低空遙感系統(tǒng)的應(yīng)用

低空遙感系統(tǒng)是一種機(jī)動性高、成本低、小型化的專用化遙感系統(tǒng)。它包括超輕型飛行航空攝影系統(tǒng)和無人機(jī)航空攝影系統(tǒng)。

近年來，無人機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性加強(qiáng)、圖像處理技術(shù)成熟、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、樣式多樣化，無人機(jī)及相關(guān)軟件如雨后春筍般，我國無人機(jī)應(yīng)用得到極大推廣。無人機(jī)通過掛載非量測型相機(jī)進(jìn)行航拍，獲取航片，通過后處理的方法獲取非量測相機(jī)的內(nèi)方位元素，采用類似傳統(tǒng)機(jī)載、星載航拍的航攝理論，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠很快得到所需區(qū)域的4D產(chǎn)品。相比于傳統(tǒng)星載、機(jī)載航拍，無人機(jī)技術(shù)的使用更加靈活，能夠隨時對所需區(qū)域進(jìn)行拍攝，另外，費(fèi)用也相對低廉。

從技術(shù)角度來分，無人機(jī)包括無人直升機(jī)、無人固定翼機(jī)、無人多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機(jī)；從應(yīng)用領(lǐng)域來分，包括軍用和民用兩大部分；從行業(yè)應(yīng)用來分，包括國土測繪、地質(zhì)勘察、電力巡線、環(huán)境監(jiān)察、農(nóng)業(yè)植保、應(yīng)急救災(zāi)、森林防火、視頻錄制、快遞行業(yè)等。

5、定位定姿系統(tǒng)的應(yīng)用

定位定姿系統(tǒng)是高精度位置系統(tǒng)與高精度姿態(tài)測量系統(tǒng)的組合。該系統(tǒng)主要由慣性導(dǎo)航測量單元（IMU）、高動態(tài)的GPS測量設(shè)備、計算機(jī)系統(tǒng)三大部分組成。其中高精度位置系統(tǒng)，是利用高動態(tài)的GPS數(shù)據(jù)，與地面靜態(tài)基站GPS數(shù)據(jù)作差分計算，并融合IMU的數(shù)據(jù)，最終計算獲取高精度的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息。一般在定位定姿系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程中，與它配套使用的的地面基站GPS，在該系統(tǒng)正常開始作業(yè)之前，地面基站GPS已經(jīng)開始數(shù)據(jù)采集，在該系統(tǒng)正常結(jié)束作業(yè)之后，地面基站才能結(jié)束數(shù)據(jù)采集，即滿足基站數(shù)據(jù)要在該系統(tǒng)開始之前開始，在該系統(tǒng)結(jié)束之后結(jié)束。高精度姿態(tài)測量系統(tǒng)，是利用IMU的三個陀螺儀和三個加速度計，最終獲取高精度的姿態(tài)角度數(shù)據(jù)信息。

定位定姿系統(tǒng)，在獲取位置坐標(biāo)信息的同時，獲得了姿態(tài)角度信息，為每張像片拍攝瞬間提供了外方位元素，推動了航空攝影測量領(lǐng)域的快速前進(jìn)。

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