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航空數(shù)碼攝影系統(tǒng)的應用與展望
發(fā)布時間：2017-09-01
目前,我國國民經(jīng)濟飛速發(fā)展,國家基本建設日新月異,如何最快最準確地獲取、更新基礎數(shù)據(jù)一直是大家長期關注的問題。傳統(tǒng)的測繪方式動用大量的人力、物力、財力,但獲取數(shù)據(jù)的效率并不高。20世紀90年代以來,一系列的技術變革:數(shù)字化采集和編匯代替了手工繪圖;GPS的使用簡化了控制測量工作;簡單、輕便的數(shù)字測圖儀器淘汰了笨重昂貴的光學儀器等使數(shù)據(jù)獲取工作的效率和質量得到了提高。但是這些手段已不能滿足國家建設發(fā)展的需要。
2002年10月初,世界上第一套裝備有高分辨率彩色數(shù)碼相機(4 096像素@4 096像素)、超光譜成形相機和激光掃描測高計的航空數(shù)碼攝影系統(tǒng)問世。美國航空遙感協(xié)會激光雷達委員會主席Martin Flood先生高度評價這一成果,他認為這項技術的應用將對未來激光雷達數(shù)據(jù)的處理和GIS的應用產(chǎn)生劃時代的影響。該系統(tǒng)配備著當今世界上最高分辨率的彩色數(shù)碼相機(已進入商業(yè)領域)和超光譜成形相機,同時集慣性測量儀IMU和全球定位裝置GPS于一身,當飛機機載該系統(tǒng)飛越地球表面時,能在獲取圖像及數(shù)碼數(shù)據(jù)的同時,計算出傳感器的精確位置和方向,給出數(shù)字高程圖DEM。航測專業(yè)的傳統(tǒng)工序將發(fā)生重大變化,光學航空攝影、膠卷相片的沖洗曬印、地面GPS數(shù)據(jù)人工測量、航片的掃瞄加密及立體測圖將被取代和簡化,獲取數(shù)據(jù)的速率和精度大大提高,數(shù)據(jù)的應用范圍更加廣泛。
本文針對航空數(shù)碼攝影系統(tǒng)中數(shù)碼相機和激光雷達系統(tǒng)的基本情況作一簡要介紹,供大家參考。
1 系統(tǒng)組成
數(shù)碼相機系統(tǒng):
①高分辨率全數(shù)碼彩色紅外照相機。
②GPS定位裝置。
③IMU慣性測量儀。
激光雷達系統(tǒng):
①脈沖式激光掃描測高儀。
②GPS定位裝置。
③IMU慣性測量儀。
④高分辨率全數(shù)碼彩色紅外照相機。
⑤超光譜成形相機。
2 技術參數(shù)
航空數(shù)碼照相機技術參數(shù)(以3S-1數(shù)碼相機系統(tǒng)為例)。
照相機指標:4 096像素@4 096像素(1 664萬像素),8比特全色。
快門速度:1/4 000 s-1/5 000 s。
拍攝速度:4~20幅彩色照片/s。
記錄速度:每幅小于2.2 s。
照相機視場50 mm鏡頭:固定45b。
鏡頭校準:小于1個像素。
照相機視場90 mm鏡頭:固定30b。
鏡頭校準:小于0.5 RMSE全視場。
最小基本方案像素尺寸:15 cm。
最大基本方案像素尺寸:無上限(由地平面決定)。
影像正射精確度優(yōu)于:30 cm。
空間分辨率優(yōu)于:15 cm(3 000 m高度)。
重量:25 kg。
機載激光雷達系統(tǒng)技術參數(shù)(以RAMS系統(tǒng)為例):
激光器飛行高度:最大高度海拔3 200 m。
激光器掃描寬度:最大寬度2 200 m。
激光器掃描視場:最大視角45b。
掃描頻率:0~35 Hz(由視場決定)。
垂直精度:小于5 cm絕對RMSE。
水平精度:小于15 cm絕對RMSE。
多次回波記錄:1~5次。
高頻率激光掃描:15 000~50 000次/s。
30 kg的重量非常適合裝載在超輕型飛機和小型直升飛機上作業(yè)。
3 系統(tǒng)使用(以RAMS系統(tǒng)為例)
飛行員在起飛之前激活自動任務管理系統(tǒng)。在飛行中,飛行員只需簡單的操縱,飛機就可按預定的航線飛行。裝在直升飛機或小型飛機上的航空數(shù)碼相機和激雷達系統(tǒng)對測區(qū)進行航空攝影和激光掃描時,由全球定位系統(tǒng)GPS確定傳感器的空間位置(經(jīng)緯度),慣性測量器IMU內的陀螺制導儀和加速度計測量飛機的轉彎、擺動、上升和下俯數(shù)據(jù)(外方位元素)。當飛機以240 km/h的航速、1 000 m的高度飛行時,航拍寬度和激光掃描寬度為2 100 m,本系統(tǒng)的高速快門可拍到分辨率為15 cm且無陰影的影像。由于系統(tǒng)的幾個部分同步工作并集成于一體,使得融合GPS、IMU、數(shù)碼相機和激光測高計的雷達數(shù)據(jù)極為方便,它們被分別儲存到高速計算機的硬盤上或DVD、CD中,然后輸入到攝影制圖軟件中,經(jīng)過處理后獲得二維正射立體圖像和三維數(shù)字模型,同時進行數(shù)據(jù)分析和處理,生成等高圖和建立數(shù)據(jù)庫。整個作業(yè)過程全自動操作,在飛機降落數(shù)小時后即可完成海量數(shù)據(jù)的處理。這些影像和數(shù)據(jù)成果可以刻錄、打印和上網(wǎng)發(fā)布。
以上作業(yè)過程的特點是:
(1)計算機自動控制相機的工作。所有傳感器都已經(jīng)過校正處理,數(shù)據(jù)經(jīng)過幾何修正可靠正確。
(2)有一個穩(wěn)定的航空測繪平臺。慣性導航系統(tǒng)IMU和動態(tài)GPS保障航攝質量,不需精確確定曝光時相機的高度和位置。
(3)在航空攝影作業(yè)飛行時地面要設4~6個GPS點作參考、檢查用。
(4)系統(tǒng)的計算機自動對航攝獲得的影像資料及相機參數(shù)、動態(tài)GPS參數(shù)、IMU參數(shù)、雷達參數(shù)進行處理,用數(shù)字高程模型DEM進行快速自動校正拼接計算。
4 IMU和GPS的工作原理
航空數(shù)碼影像系統(tǒng)的高精度性能來自GPS和IMU的空中精確測量。相互獨立的數(shù)碼圖像和相機定位/位置數(shù)據(jù)信息集可以在曝光時精確確定數(shù)碼相機的角度(俯仰角、坡度、偏航角)和位置(X、Y、Z)。
在數(shù)碼航空攝影飛行的過程中,持續(xù)地獲得飛機位置和角度(偏離相機主軸方向的角度)是很重要的。慣性測量器IMU和全球定位系統(tǒng)GPS能提供這種功能。
(1)IMU在工作中有6個輸出量,分別來自于3個加速度測量儀和3個陀螺測量儀,加速度測量儀分別描述出在X、Y、Z軸上的速度變化,而陀螺儀分別測量X、Y、Z軸方向上的偏轉度。IMU具有很高的精確度,但長時間的持續(xù)測量會使精確度有所變化。超過1個小時后,在一個方向上的描點能力將漂移幾度,但可按照一定的處理流程運用運動GPS數(shù)據(jù)進行誤差的彌補。IMU的測量目的是在GPS的配合下創(chuàng)建空中攝影拼接數(shù)據(jù),提供攝影測量數(shù)學模型信息。這就需要在任何時刻及時進行6個方位的軌道計算,使飛機狀態(tài)始終在IMU的監(jiān)控之中。至于通過相機位置確定機載導航傳感器的具體參數(shù)值,只需及時找出快門打開的時刻,并計算出高度即可。
(2)慣性測量器IMU和全球定位系統(tǒng)GPS的空中測量過程是:利用飛機攜載GPS與GPS同步得到的數(shù)據(jù)進行運動GPS解決方案的計算,計算結果提供米級的GPS觀測位置。運動數(shù)據(jù)與IMU數(shù)據(jù)再經(jīng)過Kalman過濾處理。Kalman過濾處理以100 Hz的頻率將精確的GPS(每秒鐘1個有效數(shù)據(jù))位置數(shù)據(jù)與IMU數(shù)據(jù)有效的綜合,最終結果每秒鐘校正一次。綜合的運動GPS和IMU數(shù)據(jù)以100 Hz頻率輸出精確高度和位置數(shù)據(jù)。此輸出過程相當于傳統(tǒng)的航空攝影人工測量,只是用相機模型單獨執(zhí)行。此過程產(chǎn)生的相機位置與高度數(shù)據(jù)生成一個CPA文件。
(3)在初始化處理步驟對所有傳感器的不規(guī)則數(shù)據(jù)進行糾正后,圖像、相機模型、CPA文件與數(shù)字高程模型DEM要結合在一起,以計算調整后的測量數(shù)據(jù);最終結果是產(chǎn)生正射校正圖像,發(fā)送到用戶。
以上過程與傳統(tǒng)的解決方案相比具有以下優(yōu)越性:
傳統(tǒng)航空攝影需要實地測量、手工與圖像測繪,導致費用過高。數(shù)碼航攝飛行的數(shù)字處理過程則省去這些繁瑣的工作,數(shù)字處理的高度自動化促使了低成本產(chǎn)品的出現(xiàn)。
5 系統(tǒng)優(yōu)勢
5.1 數(shù)碼相機系統(tǒng)的優(yōu)勢
(1)圖像質量
在模擬相機中正確曝光參數(shù)(光圈和快門速度)的獲得是困難的,因此質量的優(yōu)劣取決于膠片的處理過程。數(shù)碼相機系統(tǒng)顯示實時影像資料,允許操作者調整飛行時的變化,保證高質量攝影。
(2)簡化置換
數(shù)碼照相機能產(chǎn)生滿意的圖像,相比傳統(tǒng)的廣角鏡頭變形很小。這是由于減輕位移的重大改進起到很重要的作用。特別可對局部影像抽取出來單獨進行編輯處理。RAMS系統(tǒng)中的3S-1照相機有2個鏡頭可供選擇。50 mm鏡頭是基于高度比率的0.72,勝任像素排列36 mm和透鏡焦距50 mm,近似于傳統(tǒng)的30 cm焦距系統(tǒng)。90 mm鏡頭是基于高度比率的0.40,等于像素排列36 mm和透鏡焦距90 mm,大約相當60 cm焦距系統(tǒng)。標準的15 cm焦距航空攝影機內部是基于高度比率的1.5,等于膠卷壓盤23 cm和焦距透鏡15 cm。一次攝影能同時產(chǎn)生全色、真彩色、近紅外等多種影像產(chǎn)品,充分滿足客戶的需求。
(3)改進的輻射線測定
傳統(tǒng)的膠卷照相機經(jīng)常遭遇輻射線問題。日光或危險地段的玷污導致了可用影像面積的減少。而3S-1數(shù)碼相機比較長的焦距系統(tǒng)減少了影像畸形影響,因而可提供更多詳細的信息。同時將遺棄傳統(tǒng)的暗室光學處理,自動避開以往常用的利用60%航向重疊和30%旁向重疊的拼接處理,得到和諧和拼接正確的高質量影像。
(4)能夠修改圖像的缺陷
對于傳統(tǒng)照相機,膠卷曝光后,是沒有辦法再校對的。如果陰影存在或圖像模糊,許多區(qū)域內的一些要點無法觀看。數(shù)碼相機能夠妥當?shù)叵@些問題。使用3S-1數(shù)碼相機系統(tǒng)能夠提供大量的動態(tài)影像,傳統(tǒng)的膠片無法比擬,大大提高了航攝像片的使用率。
(5)高精確度、無接縫、節(jié)省作業(yè)工序
數(shù)碼航攝瞬間由GPS和IMU配合同步測量,隨時計算相機的空間位置和高度,不用地面測量、航片掃描和空三加密糾正即可產(chǎn)生正射影像。所獲得的攝影影像無接縫、精確度高、清晰度高,可在CAD等制圖軟件中使用。數(shù)碼影像的文件格式為.TIF,中心投影,適用于JX-4等所有測圖儀器作業(yè)。數(shù)碼影像的每個像素點都可視為測圖定向點,四角像元可作為框標。用數(shù)碼航片測圖,清晰、艷麗的影像,能大大豐富采集的內容,使外業(yè)調繪的大部分工作都可在采集中完成,省時、省力地獲得高質量的采集成果。
(6)全自動及低成本
數(shù)碼航攝系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集過程全自動運行,拋開了傳統(tǒng)攝影測繪工作中許多昂貴的、費時費力的和棘手的步驟,使得成本大為降低,工作時間大量縮短。數(shù)碼系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理的速度,比感光膠片照相至少快5倍。某單位用DMC數(shù)碼相機航攝,以2000張像片為例,工期減少3個月,費用節(jié)省15萬元。
5.2 激光雷達系統(tǒng)的優(yōu)勢
激光雷達的基本工作原理是:從飛機上發(fā)射的激光束入射到地面后,被反射回到飛機。精確地測定激光由發(fā)射到返回的時間,乘以光速,即可得出地面的高度。工作過程是:脈沖式激光測高儀沿著航線掃描條狀地表目標。數(shù)據(jù)采集和相機控制子系統(tǒng)記錄帶有時間標記的激光掃描范圍、掃描角度、機載設備平臺的滾轉量、俯仰角和航向變化量,以及照相機在NADIR(天底點)的位置。數(shù)據(jù)采集和控制子系統(tǒng)的處理軟件,采用由時間點確定目標X、Y、Z坐標值的辦法,將所有的操作和測量的結果相互關聯(lián)起來,由此產(chǎn)生:具有每物體的精確位置、高度和內部構造的立體彩色可視圖(即/真正的0三維數(shù)字高程模型)。航空激光雷達系統(tǒng)的作業(yè)特點是:徹底拋開了傳統(tǒng)的航測遙感作業(yè)程序,一次飛行所獲得的海量雷達數(shù)據(jù)可為用戶提供遠遠超出傳統(tǒng)方法所能提供的數(shù)據(jù)和應用,特別是用戶坐在計算機旁用鼠標在具有XYZ坐標的三維數(shù)字模型上可直接進行外業(yè)基礎測量(距離、高程、長度、面積等)和三維地形圖的制作。還可以進行房建、線路、管道、鐵路、公路、橋梁等基建項目的設計和規(guī)劃,水平度在15 cm以下,垂直精度在5 cm以下,有一款小雷達的掃描精度可達到25 mm。這個結果意味著測繪行業(yè)的又一次重大技術革命,通過一次飛行就獲得了低成本、快速、高質量的基礎數(shù)據(jù)。提供資料的快捷性是目前其他手段無法比擬的,能最快最好地滿足各領域對數(shù)據(jù)的需求。
6 應用領域
本系統(tǒng)以其絕對的技術優(yōu)勢廣泛應用于數(shù)字城市建設,數(shù)字鐵路、地理測繪,抗洪救災,數(shù)字交通,數(shù)字森林,數(shù)字安全防范,反恐怖突發(fā)事件應對、海洋管理與開發(fā)、行政區(qū)域界定、土地規(guī)劃變更和統(tǒng)計、沙塵暴監(jiān)測、環(huán)保監(jiān)測、海洋監(jiān)測、地震監(jiān)測、森林火災監(jiān)控、石油勘探開發(fā)、農業(yè)規(guī)劃等領域。
數(shù)字交通:可使指揮者如同親臨現(xiàn)場指揮和處理所有事情。查詢空間信息,如某個加油站的坐標位置;查詢時間信息,某輛車某一時刻處于什么位置及某時間某地的車流量等;查詢沿路環(huán)境、居民分布情況、路面質量等屬性方面的信息;幾何空間的拓撲查詢,如與某立交橋相連的有哪些公路,哪些建筑物等。
安全防范:航空數(shù)碼攝影系統(tǒng)的第一代產(chǎn)品曾成功應用于2000年悉尼奧運會的管理和安全保衛(wèi),布置警察部隊,控制出事地點,進行模擬防御。
測繪部門:地理、地形測繪。低成本,高準確度,高效率完成測繪任務。
海洋管理與開發(fā):監(jiān)視赤潮,預防赤潮的發(fā)生發(fā)展;監(jiān)視魚汛,合理捕撈;海洋石油天然氣勘探開發(fā);極地考察;為保衛(wèi)祖國海疆服務。
地質學領域:巖礦識別、礦物豐度制圖以及找礦勘察是主要方向。
農業(yè)領域:建立農田土地管理、自然條件(土壤、地形、地貌、水分條件)、作物產(chǎn)量的空間分布等的數(shù)據(jù)庫,并對作物苗情、病蟲害、墑情的發(fā)生發(fā)展趨勢進行模擬分析,并利用計算機作物生產(chǎn)管理輔助決策支持系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進行調控,合理進行耕作措施,以達到對本區(qū)域內農田資源潛力的均衡利用和獲取盡可能高的產(chǎn)量。
旅游和野外考察方面:如旅游交通管理,對原始大森林、雪山峽谷或大沙漠等地形艱難復雜地區(qū)進行考察。
考古研究領域:水下考古、地下無損探測、古地理環(huán)境反演。
(1)加速鐵路勘測設計施工一體化的實現(xiàn)
用數(shù)碼相機航片制作新線勘測設計地形圖和既有線鐵路地形圖,能大大提高制圖質量,縮短制圖時間。用航攝數(shù)碼影像可直接測圖、調繪、編輯。不需攝影處理、外業(yè)GPS測量、掃描、加密。航空攝影時在測區(qū)只設4~6個GPS檢查點即可。外業(yè)調繪只調地物名稱和屬性。
數(shù)碼航攝和激光雷達系統(tǒng)用于公路鐵路勘測設計,設計方式將發(fā)生重大變化,勞動強度將大大降低。數(shù)碼航攝遙感系統(tǒng)裝在1架小型飛機或直升機上自動對測區(qū)掃描和航拍。飛機降落后幾個小時,遙感數(shù)據(jù)就可以由系統(tǒng)的計算機處理完成并提供應用:為線路勘察設計提供地形、地貌、植被、地質等各種二維或三維的圖表、數(shù)據(jù)、數(shù)字模型以及高分辨率的彩色數(shù)碼照片。在航飛后的勘察區(qū)域三維數(shù)字模型上,可以直接進行線路設計工作,展示不同的選線方案,進行對比分析,比選出最佳的線路設計方案。這就極大地減少和降低了勘察設計人員的工作量和艱辛。設計定型后,系統(tǒng)可以對施工過程進行質量監(jiān)控,新的航拍資料與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲的定型設計方案自動進行對比,提出意見,指導施工。還可以監(jiān)測施工現(xiàn)場山體地質等有否異常情況的發(fā)生,保證安全。
數(shù)碼航攝掃描生成的各種二維或三維圖表、數(shù)據(jù)、影像、數(shù)字模型以及高分辨率的彩色數(shù)碼照片,可作為橋梁和房建等設施的設計、施工和質量監(jiān)控用圖。
(2)完善既有鐵路工務信息系統(tǒng)的GIS化管理
在90年代中期各鐵路局開始全面推廣數(shù)字化產(chǎn)品:用制圖軟件、文件格式為.DGN、.DWG的采集數(shù)據(jù)制作二維或三維鐵路地形圖;一些鐵路局構建了線路數(shù)據(jù)庫和工務地理信息管理系統(tǒng)。在此基礎上若采用數(shù)碼航攝和激光雷達掃描收集獲取鐵路數(shù)據(jù),數(shù)字化效果會更好,將會省時、省力、省費用。
鐵路局可以定期不間斷地獲取航空遙感攝影數(shù)碼資料,以充實鐵路信息系統(tǒng)。鐵路站場、橋、涵、道口、道岔、信號燈機、管線等設備可以在高清晰度的數(shù)碼影像和三維數(shù)字模型中隨意編輯、查閱。
用數(shù)碼相機影像制作大比例尺二維鐵路地形圖,工序能大大簡化,質量能大幅度提高,費用能降低不少。
用數(shù)碼相機影像資料還可直接制作鐵路二維正射影像圖,不需空三加密和正射糾正。直觀、清晰、艷麗的影像便于各鐵路局對線路、站場、設備進行管理和安全監(jiān)測。
在具有XYZ坐標的激光雷達三維數(shù)字模型上可直接進行鐵路外業(yè)基礎測量(里程、高程、長度、面積、鐵路設備調查等),還可進行三維地形圖的制作。
7 應用前景展望
簡單回顧世界航空攝影的歷史:1918年至1995年,是光學攝影機時代,從簡單的攝影機發(fā)展到RC30、RMK等性能非常好的光學航空攝影系統(tǒng)。20世紀90年代中期至今,數(shù)碼航空攝影和激光掃描系統(tǒng)經(jīng)歷了一個實驗、少量應用、性能成熟、開始普及的過程。現(xiàn)在世界上歐美發(fā)達國家已普遍應用數(shù)碼攝影系統(tǒng),約有50臺在各國使用,發(fā)展中國家使用較少,如印度有1臺。我國目前有2臺航攝數(shù)碼相機,某公司于2003年底購入1臺。因使用效果非常好(包括攝影質量、精度和市場),收益顯著,2004年4月又購入了1臺。航空攝影激光雷達系統(tǒng)目前國內還沒有。
從市場經(jīng)營角度來看,使用數(shù)碼航攝和激光掃描獲取數(shù)據(jù)具有巨大的商機,這是一項投資回報率極高極快、風險率極低的項目(項目成熟加國內應用空白)。目前我國航空數(shù)碼影像產(chǎn)品的全面應用還處于觀望階段,具有極大的市場上升空間。我國地域廣大,正值經(jīng)濟高速發(fā)展階段,急需數(shù)據(jù)的持續(xù)供給和更新,現(xiàn)行測繪手段遠不能滿足數(shù)據(jù)的需求量。在這遼闊的國土上使用20臺數(shù)碼影像系統(tǒng)同時作業(yè)都不算多。數(shù)碼影像資料的應用、有關軟件的配置、各部門使用數(shù)碼影像資料后原工序的改革也有極大的開發(fā)空間。因此投資購買航空數(shù)碼設備,使用、開發(fā)數(shù)碼影像產(chǎn)品市場,能很快獲得極大的經(jīng)濟效益,并取得技術領先的地位。
從行業(yè)歸口角度來看,在當今的數(shù)碼時代,各行業(yè)都應該有自己的航空數(shù)碼系統(tǒng),用最先進的數(shù)碼方法處理業(yè)內的問題。
但是,影響國內普及的因素也有不少:很多人不了解航空數(shù)碼系統(tǒng)的性能和優(yōu)勢;大部分國營測繪單位都有自己固定的設備和傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式,客觀上舊習慣一時難以改變;航空數(shù)碼設備的價格還是比較昂貴,企業(yè)難以承受;我國對飛機和空域的使用權限還未全面放開等。
解決這些問題的辦法是:宣傳航空數(shù)碼產(chǎn)品的優(yōu)勢,委托數(shù)碼航攝單位進行航空攝影和掃描,逐步用航空數(shù)碼方式試生產(chǎn)使大家嘗到甜頭。重新構思測繪工作工序,根據(jù)工種開發(fā)和購買相關軟件,完善數(shù)碼影像產(chǎn)品的具體應用。按系統(tǒng)、行業(yè)、項目購買或租用數(shù)碼設備,還可以個人、集體、國家集資合股的方式購買和租用設備,用以解決國營單位想用、但資金無法籌集的矛盾。隨著我國經(jīng)濟建設的高速發(fā)展,私人飛機、輕型飛機和直升機擁有使用已從無到有,最近這方面的報道非常多。說明國家已開始重視民營航空、通用航空和航空科技體育運動的普及發(fā)展。在此形勢下我國的空域使用也會逐步放開。這對以多種方式經(jīng)營、開展數(shù)碼航空攝影和掃描是大有益處的。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
