幾種常見數字航攝儀的分析與比較

宮 照

(武漢大學 測繪學院,湖北 武漢 430079)

幾種常見數字航攝儀的分析與比較

宮 照

(武漢大學 測繪學院,湖北 武漢 430079)

數字航攝儀是直接獲取高精度數字影像的重要手段之一。文中介紹當前國際上3種主流數字航攝儀ADS40(Airborne Digital Sensor 40)、DMC(Digital Mapping Camera)及U ltraCamD(UCD),并分析三者的成像原理及關鍵技術,同時從多個方面對三者進行評估和比較。

數字航攝儀;DMC;U ltraCamD;ADS40;性能對比

數字影像的獲取是全數字攝影測量的第一道工序,數字影像質量的優劣直接影響后續各工序及最后成品[1]。如何更有效、更經濟、更方便且高精度地獲取數字影像,是數字攝影測量發展的關鍵技術之一,為此,數碼航攝像機應運而生。數碼航攝像機的推出與成功應用,已成為航空攝影測量的又一個里程碑。

1 數字航攝儀技術原理及其發展現狀

數字航攝儀是利用一種電荷耦合器件(CCD),將鏡頭所成影像的光信號轉化成電信號,再把這種電信號轉化成計算機可以識別的“數字信號”記錄下來,最后轉換成影像。在數字航攝儀中,CCD傳感器相當于航空膠片,其實質是按某種規律排列的MOS(金屬—氧化物—半導體)電容器構成的移位存貯器,如圖 1所示。MOS是 CCD的基礎,CCD感光的過程就是光子沖擊感光元件產生信號電荷,并通過 CCD上 MOS進行電荷存儲傳輸的過程。

圖1 MOS結構示意圖

CCD傳感器是數字航攝儀的核心元件,是由為數眾多的微小光電二極管構成的固態電子感光部件。光電二極管的排列方式有2種,一種是平面陣列,眾多光電二極管排列成一個平面,同時感受光信號;另一種是線狀陣列,多個光電二極管排列成一條直線,逐行進行感光成像。

面陣CCD傳感器獲取圖像的方式如圖2所示,它與框幅式攝影機相似,某一瞬間獲得一幅完整的影像,是一個單中心投影。線陣傳感器獲取圖像的方式如圖3所示,線陣列方向與飛行方向垂直,在某一瞬間得到的是一條線影像,一幅影像由若干條線影像拼接而成,又稱為推掃式掃描成像。

圖2 面陣傳感器成像方式

圖3 線陣傳感器成像方式

目前,國際上主流的數碼航攝像機的生產廠商及其產品主要包括VEXCEL Imaging公司生產的U ltraCamD大像幅數碼航攝像機、Z/I Imaging公司生產的DMC大像幅數碼航攝像機、Leica公司生產的ADS40推掃式數碼航攝像機,除此之外,還包括IGI公司生產的DigiCAM 14K小像幅數碼航攝像機,以及DiM AC小像幅數碼航攝像機等[2]。

2 數字航攝儀與傳統航攝儀的比較

目前,數字影像主要是通過傳統的膠片掃描數字化來獲取。傳統的膠片航攝儀體積大、價格高、周期長、效率低,而基于數碼相機的數字攝影儀體積小、價格低、周期短、效率高,這種數字攝影儀已成為當前的研究熱點[3],二者的能力對比分析見表1。

表1 數字航攝儀與膠片式航攝儀的能力對比分析

3 數字航攝儀的結構與工作原理

數字航攝儀雖然都是獲取數字影像,但是各類像機在成像原理和工作流程上有所不同,下面介紹3種主流的數碼航攝像機(U ltraCamD,ADS40,DMC)的工作原理。

3.1 DMC

卡爾蔡司(CarlZeiss)和德國鷹圖交互計算機圖形系統的子公司Z/I Imaging合作,在2000年推出數字航攝儀(Digital M apping Camera,DMC)。該系統是一種可用于高精度高分辨率的航空攝影測量任務的系統。DMC鏡頭系統由8個鏡頭組合而成(見圖4)。其中4個全色鏡頭,4個多光譜鏡頭(紅、綠、藍以及近紅外)。每個單獨鏡頭配有大面陣的CCD傳感器,4個全色鏡頭的CCD傳感器為7K×4K,4個多光譜鏡頭的CCD傳感器為3K×2K[4]。

圖4 DMC的鏡頭系統

DMC數碼航攝相機的鏡頭部分,全色鏡頭沿飛行方向呈2×2矩陣排列,每個鏡頭對應一個尺寸為4 096×7 168像素的CCD陣列。全色鏡頭所獲取的子影像間存在一定程度的重疊,子影像通過后處理和拼接之后生成模擬中心投影的虛擬影像。多光譜鏡頭環繞全色鏡頭排列,獲取豎直影像,多光譜影像與全色影像的覆蓋范圍相同,但分辨率較低。因此,DMC影像是面陣CCD成像方式,但不是嚴格的中心投影。

3.2 U ltraCamD

U ltraCamD數字航攝儀,由Vexcel公司出品,也是采用多鏡頭組成的框幅式數字航攝儀,一次攝影可同時獲取黑白、彩色和彩紅外影像。U ltra-CamD數字航攝儀的成像原理基于傳統航攝儀的中心投影,采用了8個小型鏡頭,相機底部中央由4個鏡頭組成全色波段鏡頭組,周圍布置了4個焦距為28mm的鏡頭,負責對R、G、B和近紅外波段感光。

U ltraCamD的4個全色鏡頭沿飛行方向排列,對應的9個面陣CCD呈3×3排列。當第一個鏡頭到達預定地點時,正中心1個CCD被曝光;隨飛機的飛行第2個鏡頭到達相同位置,四角的CCD以及R和B鏡頭對應CCD曝光;第3個鏡頭到達時上下2個CCD以及 G和N IR鏡頭對應CCD曝光,第4個鏡頭到達時左右2個 CCD曝光(見圖5)。各CCD所獲取的影像根據重疊部分精確配準,消除曝光時間誤差造成的影響,生成一個完整的中心投影影像。

圖5 UltraCamD的成像過程

3.3 ADS40

ADS40(Airborne Digital Sensor)由瑞士LH公司與德國宇航中心DLR聯合研制,相機上集成了GPS和慣性測量裝置(IMU),可以在無地面控制的情況下完成對地面目標的三維定位[5]。ADS40相機采用單個鏡頭成像,其鏡頭口徑更大,采用的CCD成像器件是線陣式排列。ADS40的成像方式不同于傳統航攝儀,它得到的是多中心投影影像,每個掃描線對應單獨的投影中心,拍攝到的是一整條帶狀無縫隙的影像,同一條航線的影像不存在拼接問題。

ADS40成像的最大特點就在于它的全色波段采用了前視、下視和后視3個方向同時獲取影像的辦法(見圖6)。其中,前視方向與下視方向的夾角為28.4°,后視方向與下視方向的夾角為14.2°,加上RGB和近紅外4個波段,這樣使得ADS40可以利用一次飛行獲得豐富的影像信息[6]。

圖6 ADS40成像條帶示意圖

4 幾種航攝儀的比較

4.1 基本參數的比較

隨著數字成像技術的發展,數字攝影儀必將取代膠片攝影儀,在膠片攝影中的一些技術參數將不再適用于數字攝影。幾種數字航攝儀的基本參數比較如表2所示。

表2 目前常用的航攝相機及有關基本參數[6]

4.2 成像原理的比較

ADS40采用的是線陣式CCD推掃成像,通過在焦平面安置分光鏡組件和多條CCD線陣,一次飛行可以同時獲取全色前視、下視、后視,R、G、B和近紅外波段的影像。ADS40的影像質量必須依賴于IM U/DGPS技術。DMC和 U ltraCamD的成像方式類似于傳統的框幅式成像,所不同的是DMC和U ltraCamD拍攝到的每張影像是使用拼合或者融合方式獲取的。

成像原理如下:

ADS40:推掃成像,依賴于 IM U/DGPS技術。

DMC:多鏡頭框幅式成像,不同像主點拼合。

U ltraCamD:多鏡頭框幅式成像,實現同一像主點的多幅影像拼合。

4.3 后處理系統的比較

DMC的后處理系統包括地面讀取航攝數據系統、RA ID陣列、UPS電源、光纖數據線集線器、數據后處理工作站以及可將DMC原始影像轉換為其它影像格式的后處理應用軟件PPS。地面后處理系統負責下載數據、光譜校正、幾何校正及數據處理。

U ltraCamD在后處理階段采用Vexcel數據后處理軟件,進行數據下載,并鑲嵌融合。

ADS40的地面數據后處理系統包括飛行任務結束后處理所有數據的工作站以及各種數據后處理軟件。主要有:Gp ro、Leica公司的軟件,貫穿整個ADS40后處理過程;POSPac-App lanix公司的軟件,主要負責處理 IM U/DGPS數據;ORIM A軟件進行空三加密。

在數據后處理階段,由于ADS40采用推掃式成像,對原始影像的后處理計算更為復雜,原有的航片后處理軟件都是為處理中心投影的框幅式相片開發的,所以適用于ADS40的商業后處理軟件種類比DMC和U ltraCamD少。

4.4 其它比較

1)3種數字航攝儀都可以在一次飛行中獲取到全色、RGB和近紅外波段的影像。ADS40多數基本配置的系統只能獲取全色波段的立體像對。按獲取的彩色信息原始分辨率從高到低的能力排序分別是:ADS40—U ltraCamD—DMC。

2)大比例尺“真”正射數字影像圖制作應用方面:ADS40可以在垂直方向設置RGB條帶CCD,在航向方向近乎“真”正射;U ltraCamD的最短曝光時間間隔為0.75 s,U ltraCamD可以獲得高達96%的航向重疊度,在獲取“真”正射需要的像片上也有一定的優勢;DMC的最短曝光時間間隔為2 s,從這方面應用上要弱。

3)ADS40必須使用IMU/DGPS,DMC和U ltraCamD可以使用也可以不使用 IM U/DGPS。三者都可以實現無(或少)地面控制航測成圖。

4)ADS40的 GSD最大為15 cm,適用于農業、林業等遙感應用和中小比例尺制圖(目前有材料證明ADS40的GSD也可以達到5 cm);DMC和U ltraCamD為5 cm和3 cm,可用于大比例尺制圖和工程應用。

5 結 論

ADS40、DMC、U ltraCamD這些具有代表性的數字航測儀分別具有各自的特點。無論是線陣傳感器相機,還是面陣傳感器相機,由數字航攝儀代替傳統膠片式航攝儀的優勢是非常顯著的。數字航攝儀主要有以下3個特點:解決大像幅的航空攝影;與定姿、定位傳感器的結合;與現有攝影測量系統資源的銜接。

數字航攝傳感器集精密光學機械、高速信號處理、海量數據存儲與處理和機載 POS等技術為一體,為數字航空影像的獲取開辟了一條全新的道路。隨著數字航空影像的產生,其深加工環境也需要進一步完善,尤其是相關技術標準、相機檢定、后續處理等各個方面有待全面跟上,只有合理調整生產結構,大膽引進軟件和技術,合理修訂相關標準和規范,全數字的攝影測量才能真正實現。

[1]張祖勛,張劍清.數字攝影測量學[M].武漢:武漢測繪科技大學出版社,1996:2-5.

[2]張祖勛.航空數碼相機及其有關問題[J].測繪工程,2004,13(4):1-5.

[3]高光星.數碼航攝與傳統攝影的比較探討[J].地理空間信息,2007,5(1):10-13.

[4]袁桂生,智愛玲.數字航攝相機(DMC)在測繪項目中應用的探討[J].現代測繪,2005,28(4):30-31.

[5]RA INER SANDAU,BERNHARD BRAUNECKER.Design Princip les of The LH System s ADS40 Airbo rne Digital Senso r[A].IAPRS(Vo.l XXXI-II)[C].Am sterdam,2000:75-77.

[6]韓 磊,蔣旭惠.幾款數字航攝相機的應用與比較[J].城市勘測,2006(5):21-26.

Analysisand comparison of several common aerial digital cameras

GONG Zhao
(School of Geodesy and Geomatics,Wuhan University,Wuhan 430079,China)

Aerial digital camera isone of the importantmeans to obtain high-p recision digital imaging directly.This paper introduces threemajor aerial digital cameras in the world such as ADS40,DMC and U ltra-CamD;analyzes the main p rincip les and key technologies;at the same time assesses and compares them in several aspects.

aerial digital cameras;DMC;U ltraCamD;ADS40;perfo rmance comparison

P231

A

1006-7949(2010)01-0046-04

2009-06-07

國家863計劃資助項目(2007AA 12Z154)

宮 照(1985-),女,碩士研究生.

[責任編輯劉文霞]