CMOS傳感器在航空攝影測量中的應(yīng)用

葉 威，肖 康，康冰鋒，張鑫鑫

(1. 天津交通職業(yè)學(xué)院，天津 300110； 2. 天津市測繪院，天津 300381；3. 中科遙感科技集團(tuán)有限公司，天津 300384)

徠卡測量新技術(shù)應(yīng)用專欄

CMOS傳感器在航空攝影測量中的應(yīng)用

葉 威1，肖 康2，康冰鋒3，張鑫鑫2

(1. 天津交通職業(yè)學(xué)院，天津 300110； 2. 天津市測繪院，天津 300381；3. 中科遙感科技集團(tuán)有限公司，天津 300384)

1 CMOS技術(shù)介紹

眾所周知，數(shù)碼相機(jī)主要有兩種傳感器：電子耦合器件(charge couple device,CCD)和互補(bǔ)型金屬氧化半導(dǎo)體(complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)。

CMOS原本是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，其制造技術(shù)與一般計(jì)算機(jī)芯片無差別且工藝簡單，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N(帶-電)和P(帶+電)級的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。

與CCD相比，CMOS具有多方面的優(yōu)勢：①制造容易、成本低、面陣大：CMOS傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體芯片技術(shù)，這種工藝與生產(chǎn)數(shù)以萬計(jì)的計(jì)算機(jī)芯片和存儲(chǔ)設(shè)備等半導(dǎo)體集成電路的工藝相同，更易制造；且CMOS的每個(gè)感光元件之間相互獨(dú)立，而CCD傳感器采用電荷傳遞的方式傳送電信號，其中一個(gè)感光元件無法工作則會(huì)影響整排的圖像信號，甚至導(dǎo)致整個(gè)傳感器作廢，因此CMOS制作的成品率要比CCD高很多，售價(jià)也更低?；谝陨弦蛩兀珻MOS相對CCD更加容易生產(chǎn)大面陣圖像傳感器。②具有更高的集成度：由于采用半導(dǎo)體制造工藝，CMOS能夠?qū)D像信號放大器、周邊電路、圖像信號處理器及控制器等集成設(shè)計(jì)在一張芯片上，實(shí)現(xiàn)了圖像傳感器的高度集成與小型化；而CCD芯片本身僅能輸出模擬的電信號，還需要后續(xù)多個(gè)轉(zhuǎn)換器、處理器、電路等進(jìn)行處理，集成度低、體積大。③功耗低：CMOS采用的主動(dòng)式圖像采集方式，每個(gè)像元中的放大器的帶寬要求較低，傳感器具有超低功耗的優(yōu)勢；而CCD為了讀出整幅圖像信號，要求輸出放大器的信號帶寬較寬，必須使用外來電壓，這使得CCD在工作中需要耗費(fèi)更多的能源，功耗高，同時(shí)增加了電源管理電路設(shè)計(jì)。④可塑性強(qiáng)：CMOS具有先天的可塑性，可以向更高的像素、更大的傳感器尺寸和成像幅面，以及更優(yōu)化的設(shè)計(jì)發(fā)展，同時(shí)保持較小的成本增長。相對于CMOS的日益創(chuàng)新，CCD技術(shù)停滯不前，而且成本巨大。

CMOS傳感器在制作成本、集成度、功耗及可塑性方面比CCD有較強(qiáng)的優(yōu)勢，但在捕光靈敏度、噪聲控制等方面具有一定的弱勢。但隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來CMOS傳感器的成像品質(zhì)有了飛躍性的提高：①通過改進(jìn)傳感器芯片設(shè)計(jì)，采用亞微米和深亞微米光刻技術(shù)，通過在單個(gè)像素內(nèi)部增加新功能，增強(qiáng)了傳感器的光學(xué)輸入能力，解決了CMOS傳感器捕光靈敏度和分辨率較低的難題；②使用微透鏡技術(shù)，通過在單個(gè)像素內(nèi)增加電子開關(guān)、互阻抗放大器和用來降低固定圖形噪聲的相關(guān)雙采樣電路等多種設(shè)計(jì)，達(dá)到消除或降低噪聲的目的，同時(shí)兼具防光暈的特性；③通過芯片的高集成度設(shè)計(jì)，在單芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)包括自動(dòng)增益控制(AGC)、自動(dòng)曝光控制(AEC)、自動(dòng)平衡(AMB)、伽馬樣正、背景補(bǔ)償和自動(dòng)黑電平校正在內(nèi)的多項(xiàng)彩色矩陣處理功能，使得CMOS傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍寬、抗浮散且?guī)缀鯖]有拖影的優(yōu)點(diǎn)。得益于以上多項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，CMOS傳感器不僅具有更有效的噪聲抑制、更強(qiáng)的捕光靈敏度，CMOS圖像傳感器的畫面質(zhì)量也能與CCD圖像傳感器相媲美，CMOS傳感器已經(jīng)具備了與CCD圖像傳感器競爭的條件。

2 CMOS技術(shù)在DMC III的應(yīng)用

DMC III航空數(shù)字?jǐn)z影儀是航空攝影測量領(lǐng)域率先采用CMOS傳感器技術(shù)的大面陣框幅式相機(jī)，其采用5鏡頭設(shè)計(jì)：1個(gè)全色鏡頭和4個(gè)多光譜鏡頭。其中全色鏡頭使用了一塊高達(dá)3.9億像素的單片式CMOS傳感器，旁向像素值為26 112像素，航向像素值為15 000像素，旁向視場角和航向視場角分別達(dá)到57.9°和35.3°，同時(shí)無拼接的單片設(shè)計(jì)保障了影像幾何精度和投影的一致性。其焦距為92 mm，像元尺寸為3.9 μm，曝光間隔縮短為1.9 s，與傳統(tǒng)的CCD傳感器相比，具有像元小、曝光時(shí)間短的優(yōu)勢。

由于采用了全新的CMOS傳感器技術(shù)，DMC III全色鏡頭能夠提供高達(dá)78 dB的動(dòng)態(tài)范圍，并將成像噪聲抑制到超低水平；同時(shí)，DMC III具有超強(qiáng)的捕光靈敏度，對航攝光照的要求更寬泛，一天中有更多的飛行時(shí)間，延長了一天的作業(yè)時(shí)間，減少了航攝架次。

DMC III相機(jī)的CMOS傳感器集成了自動(dòng)增益控制(AGC)、自動(dòng)曝光控制(AEC)、自動(dòng)平衡(AMB)、伽馬樣正、背景補(bǔ)償?shù)榷囗?xiàng)圖像增強(qiáng)技術(shù)，獲取的影像色彩更加豐富、細(xì)致，并大大簡化了后處理流程，提高了處理效率和速度。

影像幅面更大、光敏感度更強(qiáng)、飛行效率更高、飛行成本更低的優(yōu)越性，使得DMC III成了更高效的航空遙感影像獲取設(shè)備。同時(shí)，DMC III使用了像移補(bǔ)償設(shè)計(jì)，能夠呈現(xiàn)單片傳感器更高的影像質(zhì)量和幾何精度。

3 DMCIII試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)主要覆蓋天津市南部區(qū)域，面積約500 km2，地形類別為平地。試驗(yàn)區(qū)成圖比例尺為1∶2000，相對航高為3000 m，影像分辨率為12.5 cm，共敷設(shè)6條航線，每條航線38個(gè)曝光點(diǎn)，航向重疊度為65%，旁向重疊度為30%。

3.2 數(shù)據(jù)處理流程

影像預(yù)處理采用徠卡的HxMap一站式預(yù)處理系統(tǒng)，包括工程管理、質(zhì)量檢查、輻射校正和分布式處理工具(如圖1所示)。數(shù)據(jù)后處理采用俄羅斯Racurs公司的PhotoMod攝影測量系統(tǒng)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 影像質(zhì)量

航攝時(shí)，試驗(yàn)區(qū)天氣狀況一般，能見度稍差，屬于北方冬季常見的輕度霧霾天氣。但經(jīng)HxMap的多項(xiàng)圖像增強(qiáng)技術(shù)處理后，影像色彩豐富、明暗適宜，直方圖分布均勻，無明顯噪聲，無顆粒感。如圖2所示。

圖1 DMC III試驗(yàn)流程

圖2 DMC III試驗(yàn)影像數(shù)據(jù)

3.3.2 幾何精度

在空中三角測量過程中，采用兩種方案對DMC III影像的幾何精度進(jìn)行試驗(yàn)：方案1采用地面GPS基站差分解算、無地面控制點(diǎn)參與約束的空中三角測量方法；方案2采用地面GPS基站差分解算、地面控制點(diǎn)參與平差約束的空中三角測量方法，像控采用每兩條航線、每12條基線均勻布設(shè)1個(gè)控制點(diǎn)的原則，共布設(shè)12個(gè)控制點(diǎn)，平均約40 km21個(gè)控制點(diǎn)。兩者精度比較結(jié)果見表1。

表1 定位精度評價(jià)

通過比較分析，空中三角測量中，在無控制點(diǎn)參與的情況下，檢查點(diǎn)的平面精度滿足《數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》(GB/T 23236—2009)規(guī)定中對1∶2000比例尺絕對定向與區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算的要求，但高程精度超限。

通過添加控制點(diǎn)參與平差計(jì)算，可以大幅提高解算精度，基本定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)的平面和高程精度均滿足《數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》(GB/T 23236—2009)規(guī)定中對1∶2000比例尺絕對定向與區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算的要求。

4 結(jié) 語

通過對DMC III相機(jī)試驗(yàn)獲取的影像質(zhì)量及幾何精度進(jìn)行分析得知，CMOS圖像傳感器已經(jīng)克服其主要的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了與CCD相媲美的影像質(zhì)量和幾何精度，并具備以下優(yōu)勢：大面陣、功耗低、高度集成、可塑性強(qiáng)，有效地提高了航攝效率，降低了航攝成本。在不久的將來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，CMOS圖像傳感器必將成為航空攝影測量領(lǐng)域信息獲取與處理的佼佼者。