航空數碼攝影系統的應用與展望
發布時間：2017-09-01
目前,我國國民經濟飛速發展,國家基本建設日新月異,如何最快最準確地獲取、更新基礎數據一直是大家長期關注的問題。傳統的測繪方式動用大量的人力、物力、財力,但獲取數據的效率并不高。20世紀90年代以來,一系列的技術變革:數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、輕便的數字測圖儀器淘汰了笨重昂貴的光學儀器等使數據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碼攝影系統問世。美國航空遙感協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據的處理和GIS的應用產生劃時代的影響。該系統配備著當今世界上最高分辨率的彩色數碼相機(已進入商業領域)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,當飛機機載該系統飛越地球表面時,能在獲取圖像及數碼數據的同時,計算出傳感器的精確位置和方向,給出數字高程圖DEM。航測專業的傳統工序將發生重大變化,光學航空攝影、膠卷相片的沖洗曬印、地面GPS數據人工測量、航片的掃瞄加密及立體測圖將被取代和簡化,獲取數據的速率和精度大大提高,數據的應用范圍更加廣泛。
本文針對航空數碼攝影系統中數碼相機和激光雷達系統的基本情況作一簡要介紹,供大家參考。
1 系統組成
數碼相機系統:
①高分辨率全數碼彩色紅外照相機。
②GPS定位裝置。
③IMU慣性測量儀。
激光雷達系統:
①脈沖式激光掃描測高儀。
②GPS定位裝置。
③IMU慣性測量儀。
④高分辨率全數碼彩色紅外照相機。
⑤超光譜成形相機。
2 技術參數
航空數碼照相機技術參數(以3S-1數碼相機系統為例)。
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)。
影像正射精確度優于:30 cm。
空間分辨率優于:15 cm(3 000 m高度)。
重量:25 kg。
機載激光雷達系統技術參數(以RAMS系統為例):
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。
3 系統使用(以RAMS系統為例)
飛行員在起飛之前激活自動任務管理系統。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碼相機和激雷達系統對測區進行航空攝影和激光掃描時,由全球定位系統GPS確定傳感器的空間位置(經緯度),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、上升和下俯數據(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。由于系統的幾個部分同步工作并集成于一體,使得融合GPS、IMU、數碼相機和激光測高計的雷達數據極為方便,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,經過處理后獲得二維正射立體圖像和三維數字模型,同時進行數據分析和處理,生成等高圖和建立數據庫。整個作業過程全自動操作,在飛機降落數小時后即可完成海量數據的處理。這些影像和數據成果可以刻錄、打印和上網發布。
以上作業過程的特點是:
(1)計算機自動控制相機的工作。所有傳感器都已經過校正處理,數據經過幾何修正可靠正確。
(2)有一個穩定的航空測繪平臺。慣性導航系統IMU和動態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)在航空攝影作業飛行時地面要設4~6個GPS點作參考、檢查用。
(4)系統的計算機自動對航攝獲得的影像資料及相機參數、動態GPS參數、IMU參數、雷達參數進行處理,用數字高程模型DEM進行快速自動校正拼接計算。
4 IMU和GPS的工作原理
航空數碼影像系統的高精度性能來自GPS和IMU的空中精確測量。相互獨立的數碼圖像和相機定位/位置數據信息集可以在曝光時精確確定數碼相機的角度(俯仰角、坡度、偏航角)和位置(X、Y、Z)。
在數碼航空攝影飛行的過程中,持續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數據進行誤差的彌補。IMU的測量目的是在GPS的配合下創建空中攝影拼接數據,提供攝影測量數學模型信息。這就需要在任何時刻及時進行6個方位的軌道計算,使飛機狀態始終在IMU的監控之中。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GPS的空中測量過程是:利用飛機攜載GPS與GPS同步得到的數據進行運動GPS解決方案的計算,計算結果提供米級的GPS觀測位置。運動數據與IMU數據再經過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個有效數據)位置數據與IMU數據有效的綜合,最終結果每秒鐘校正一次。綜合的運動GPS和IMU數據以100 Hz頻率輸出精確高度和位置數據。此輸出過程相當于傳統的航空攝影人工測量,只是用相機模型單獨執行。此過程產生的相機位置與高度數據生成一個CPA文件。
(3)在初始化處理步驟對所有傳感器的不規則數據進行糾正后,圖像、相機模型、CPA文件與數字高程模型DEM要結合在一起,以計算調整后的測量數據;最終結果是產生正射校正圖像,發送到用戶。
以上過程與傳統的解決方案相比具有以下優越性:
傳統航空攝影需要實地測量、手工與圖像測繪,導致費用過高。數碼航攝飛行的數字處理過程則省去這些繁瑣的工作,數字處理的高度自動化促使了低成本產品的出現。
5 系統優勢
5.1 數碼相機系統的優勢
(1)圖像質量
在模擬相機中正確曝光參數(光圈和快門速度)的獲得是困難的,因此質量的優劣取決于膠片的處理過程。數碼相機系統顯示實時影像資料,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
數碼照相機能產生滿意的圖像,相比傳統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,近似于傳統的30 cm焦距系統。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。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。一次攝影能同時產生全色、真彩色、近紅外等多種影像產品,充分滿足客戶的需求。
(3)改進的輻射線測定
傳統的膠卷照相機經常遭遇輻射線問題。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數碼相機比較長的焦距系統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,許多區域內的一些要點無法觀看。數碼相機能夠妥當地消除這些問題。使用3S-1數碼相機系統能夠提供大量的動態影像,傳統的膠片無法比擬,大大提高了航攝像片的使用率。
(5)高精確度、無接縫、節省作業工序
數碼航攝瞬間由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。數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
數碼航攝系統對數據的采集過程全自動運行,拋開了傳統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。數碼系統數據采集和處理的速度,比感光膠片照相至少快5倍。某單位用DMC數碼相機航攝,以2000張像片為例,工期減少3個月,費用節省15萬元。
5.2 激光雷達系統的優勢
激光雷達的基本工作原理是:從飛機上發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。數據采集和相機控制子系統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。數據采集和控制子系統的處理軟件,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起來,由此產生: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0三維數字高程模型)。航空激光雷達系統的作業特點是:徹底拋開了傳統的航測遙感作業程序,一次飛行所獲得的海量雷達數據可為用戶提供遠遠超出傳統方法所能提供的數據和應用,特別是用戶坐在計算機旁用鼠標在具有XYZ坐標的三維數字模型上可直接進行外業基礎測量(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、高質量的基礎數據。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據的需求。
6 應用領域
本系統以其絕對的技術優勢廣泛應用于數字城市建設,數字鐵路、地理測繪,抗洪救災,數字交通,數字森林,數字安全防范,反恐怖突發事件應對、海洋管理與開發、行政區域界定、土地規劃變更和統計、沙塵暴監測、環保監測、海洋監測、地震監測、森林火災監控、石油勘探開發、農業規劃等領域。
數字交通:可使指揮者如同親臨現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:航空數碼攝影系統的第一代產品曾成功應用于2000年悉尼奧運會的管理和安全保衛,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:監視赤潮,預防赤潮的發生發展;監視魚汛,合理捕撈;海洋石油天然氣勘探開發;極地考察;為保衛祖國海疆服務。
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)、作物產量的空間分布等的數據庫,并對作物苗情、病蟲害、墑情的發生發展趨勢進行模擬分析,并利用計算機作物生產管理輔助決策支持系統對生產過程進行調控,合理進行耕作措施,以達到對本區域內農田資源潛力的均衡利用和獲取盡可能高的產量。
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進行考察。
考古研究領域:水下考古、地下無損探測、古地理環境反演。
(1)加速鐵路勘測設計施工一體化的實現
用數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。用航攝數碼影像可直接測圖、調繪、編輯。不需攝影處理、外業GPS測量、掃描、加密。航空攝影時在測區只設4~6個GPS檢查點即可。外業調繪只調地物名稱和屬性。
數碼航攝和激光雷達系統用于公路鐵路勘測設計,設計方式將發生重大變化,勞動強度將大大降低。數碼航攝遙感系統裝在1架小型飛機或直升機上自動對測區掃描和航拍。飛機降落后幾個小時,遙感數據就可以由系統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、數據、數字模型以及高分辨率的彩色數碼照片。在航飛后的勘察區域三維數字模型上,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,系統可以對施工過程進行質量監控,新的航拍資料與系統數據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。還可以監測施工現場山體地質等有否異常情況的發生,保證安全。
數碼航攝掃描生成的各種二維或三維圖表、數據、影像、數字模型以及高分辨率的彩色數碼照片,可作為橋梁和房建等設施的設計、施工和質量監控用圖。
(2)完善既有鐵路工務信息系統的GIS化管理
在90年代中期各鐵路局開始全面推廣數字化產品:用制圖軟件、文件格式為.DGN、.DWG的采集數據制作二維或三維鐵路地形圖;一些鐵路局構建了線路數據庫和工務地理信息管理系統。在此基礎上若采用數碼航攝和激光雷達掃描收集獲取鐵路數據,數字化效果會更好,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碼資料,以充實鐵路信息系統。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碼影像和三維數字模型中隨意編輯、查閱。
用數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測。
在具有XYZ坐標的激光雷達三維數字模型上可直接進行鐵路外業基礎測量(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,從簡單的攝影機發展到RC30、RMK等性能非常好的光學航空攝影系統。20世紀90年代中期至今,數碼航空攝影和激光掃描系統經歷了一個實驗、少量應用、性能成熟、開始普及的過程。現在世界上歐美發達國家已普遍應用數碼攝影系統,約有50臺在各國使用,發展中國家使用較少,如印度有1臺。我國目前有2臺航攝數碼相機,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目前國內還沒有。
從市場經營角度來看,使用數碼航攝和激光掃描獲取數據具有巨大的商機,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)。目前我國航空數碼影像產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,正值經濟高速發展階段,急需數據的持續供給和更新,現行測繪手段遠不能滿足數據的需求量。在這遼闊的國土上使用20臺數碼影像系統同時作業都不算多。數碼影像資料的應用、有關軟件的配置、各部門使用數碼影像資料后原工序的改革也有極大的開發空間。因此投資購買航空數碼設備,使用、開發數碼影像產品市場,能很快獲得極大的經濟效益,并取得技術領先的地位。
從行業歸口角度來看,在當今的數碼時代,各行業都應該有自己的航空數碼系統,用最先進的數碼方法處理業內的問題。
但是,影響國內普及的因素也有不少:很多人不了解航空數碼系統的性能和優勢;大部分國營測繪單位都有自己固定的設備和傳統的生產模式,客觀上舊習慣一時難以改變;航空數碼設備的價格還是比較昂貴,企業難以承受;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:宣傳航空數碼產品的優勢,委托數碼航攝單位進行航空攝影和掃描,逐步用航空數碼方式試生產使大家嘗到甜頭。重新構思測繪工作工序,根據工種開發和購買相關軟件,完善數碼影像產品的具體應用。按系統、行業、項目購買或租用數碼設備,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。隨著我國經濟建設的高速發展,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。這對以多種方式經營、開展數碼航空攝影和掃描是大有益處的。
摘自：中國計量測控網
