攝影測量與遙感所用傳感器類型及構(gòu)像方程

項仲貞 方子巖

(1.湖北工業(yè)大學(xué)土建學(xué)院, 湖北武漢 430068； 2.東南大學(xué)， 江蘇南京 210096； 3.陽東縣建設(shè)局, 廣東陽東 529900)

1 光學(xué)攝影類型傳感器和光電成像類型傳感器的區(qū)別

1.1 光學(xué)攝影類型傳感器

這類傳感器的共同特點(diǎn)是：攝影時由物鏡收集到目標(biāo)反射的電磁波,直接聚焦到感光膠片上曝光成像,通過感光材料的探測與記錄,在感光膠片上留下目標(biāo)的潛像,然后經(jīng)過攝影處理,得到可見的影像。是否在可見光波段或不可見光波段(例如紅外波段、X射線)成像,決定于傳感器的結(jié)構(gòu)和膠片的類型(例如全色膠片、紅外膠片、X射線專用膠片等)。

1.2 光電成像類型傳感器

光電成像類型傳感器是將收集到電磁波能量,通過儀器內(nèi)的光敏或熱敏元件(探測器)轉(zhuǎn)變成電能后再記錄下來。電能的變化可對應(yīng)數(shù)字的變化,因而可得到數(shù)字影像。

相對光學(xué)攝影類型傳感器而言,光電成像類型傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于擴(kuò)大了探測的波段范圍,便于數(shù)據(jù)的存儲與傳輸。

2 構(gòu)像方程

2.1 面中心投影框幅影像

框幅式航空攝影機(jī)是最常見的一種傳感器,可根據(jù)框標(biāo)建立像平面坐標(biāo)系(如圖1、圖2)，傳統(tǒng)的光學(xué)模擬型航空攝影機(jī)像幅可達(dá)到30 cm×30 cm,目前使用的面陣列數(shù)碼航空攝影機(jī)像幅較小?？蚍胶娇諗z影機(jī)成像瞬間為一個面,因而稱為框幅式。物點(diǎn)A、構(gòu)像點(diǎn)a和投影中心S按光(電磁波)的直線傳播原理3點(diǎn)共線,設(shè)描述該航攝像片在空間攝影瞬間的傾斜狀態(tài)姿態(tài)角為φωκ,可以寫出描述物點(diǎn)A、像點(diǎn)a和投影中心S共線的數(shù)學(xué)表達(dá)式,即中心投影構(gòu)像方程式——共線方程

(1)

圖1 8個光學(xué)框標(biāo)影像

圖2 框幅式攝影機(jī)成像

框幅式航空攝影機(jī)有光學(xué)攝影類型航攝儀和光電成像類型數(shù)碼航攝儀。工作波段為可見光0.38～0.76μ m。

在近景攝影測量中,一般使用無框標(biāo)的框幅式攝影機(jī),有光學(xué)攝影類型的普通照相機(jī)、醫(yī)學(xué)X光照相機(jī)、軍事上的紅外照相機(jī),光電成像類型的普通數(shù)碼相機(jī)。

2.2 線中心投影縫隙影像

線中心投影,指攝影瞬間中心投影獲得的影像為一縫隙(如圖3、圖4)。

圖3 縫隙攝影機(jī)成像

圖4 線陣列推掃式掃描成像

縫隙攝影機(jī)和線陣列數(shù)碼攝影機(jī)都是線中心投影。設(shè)飛行方向?yàn)閤軸,縫隙保持水平并且垂直飛行方向沿航線方向推掃。進(jìn)入縫隙的影像每個瞬間是線中心投影,某物點(diǎn)A的構(gòu)像點(diǎn)坐標(biāo)a(0,y),設(shè)描述該縫隙在空間的攝影瞬間姿態(tài)角為φωκ,對照(1)式,可以寫出描述物點(diǎn)A、像點(diǎn)a和投影中心S共線的數(shù)學(xué)表達(dá)式,即縫隙攝影機(jī)和線陣列傳感器構(gòu)像方程式

(2)

以多路、連續(xù)并具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息的儀器稱為成像光譜儀(如圖5)。該類型的成像光譜儀是面陣探測器加線陣推掃式掃描儀,工作過程是利用線陣列探測器及其沿軌道方向的運(yùn)動完成對地物的空間掃描(在成像的幾何關(guān)系上與CCD線陣列傳感器相似,故幾何處理時可沿用相應(yīng)的共線方程式),利用色散元件將收集到的光譜信息分散成若干個波段后,分別成像于面陣列的不同行,對同一目標(biāo)可獲得多個波段的圖像。

圖5 帶面陣的成像光譜儀

獲得線中心投影縫隙影像的傳感器有：光學(xué)攝影類型縫隙攝影機(jī)和光電成像類型線陣列CCD傳感器,工作波段為可見光0.38～0.76 μm。帶面陣的成像光譜儀,具有通道(一個通道對應(yīng)一個波段)數(shù)多且各通道的波段寬度很窄的特點(diǎn),工作波段為可見光、近紅外和短波紅外。

2.3 線中心投影縫隙周期搖擺柱面影像

全景攝影機(jī)又稱搖頭攝影機(jī)、掃描攝影機(jī)(如圖6)。這種攝影機(jī)的底片呈弧狀放置,當(dāng)物鏡掃描一次后,底片旋進(jìn)一幅,得到一幅柱面影像。全景攝影機(jī)成像,其每一幅圖像是由一條曝光縫隙沿旁向掃描形成的。對于每條縫隙影像的形成其幾何關(guān)系等效于框幅攝影機(jī)沿旁向傾斜一個掃描角θ后,以中心線(y=0)成像的情況。因此,在任意時刻t獲得的縫隙影像是中心投影。

圖6 全景攝影機(jī)成像

過像幅中心的主距作一平面與柱面相切,按中心投影把柱面上的點(diǎn)投影到平面上,地面物點(diǎn)A在柱面上的構(gòu)像坐標(biāo)a′(x,0),平面上的相應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)a(x/cosθ,ftanθ),對照(1)式,可以寫出描述物點(diǎn)A、像點(diǎn)a和投影中心S共線的數(shù)學(xué)表達(dá)式

(3)

全景攝影機(jī)屬于光學(xué)攝影類型傳感器,工作波段為可見光0.38～0.76 μm。

2.4 點(diǎn)中心投影周期轉(zhuǎn)動圓弧線影像

在航空遙感中常用的紅外行掃描儀是利用光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)動和飛行器向前飛行的兩個方向相互垂直的運(yùn)動,形成對地物目標(biāo)的二維掃描,逐點(diǎn)將不同目標(biāo)物的紅外輻射功率會集到能將其能量轉(zhuǎn)變成電信號的光電轉(zhuǎn)換器件——紅外探測器上。這里采用的是一種點(diǎn)(像元素)掃描方式,每個投影瞬間是點(diǎn)中心投影,任一像點(diǎn)坐標(biāo)a′(0,0),如圖7所示。但一個掃描周期的點(diǎn)影像構(gòu)成一弧線,不方便討論其構(gòu)像方程,現(xiàn)過弧線影像中心的等效主距作一直線與弧線相切,按中心投影把弧線上的點(diǎn)投影到直線上,地面物點(diǎn)A在弧線上的構(gòu)像坐標(biāo)a′(0,0),直線上的相應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)a(0,ftanθ),對照(1)式,可以寫出描述物點(diǎn)A、像點(diǎn)a和投影中心S共線的數(shù)學(xué)表達(dá)式

(4)

圖7 點(diǎn)掃描成像

在2.2中提到的成像光譜儀,還有一種類型是點(diǎn)掃描方式(如圖8)。該類型的成像光譜儀利用點(diǎn)探測器收集光譜信息(共線方程式(4)適用),經(jīng)色散元件后分成不同的波段,分別成像于線陣列探測器的不同元件上,通過點(diǎn)掃描鏡在垂直于軌道方向的面內(nèi)擺動以及沿軌道方向的運(yùn)動完成空間掃描,而利用線探測器完成光譜掃描。

圖8 帶線陣的成像光譜儀

點(diǎn)掃描成像的各類傳感器(紅外掃描儀、多光譜掃描儀、帶線陣的成像光譜儀)屬于光電成像類型。工作波段包括紫外、可見光和紅外等部分,在宇宙飛船“天空實(shí)驗(yàn)室”上S192多光譜掃描儀采用了13通道(可同時獲取目標(biāo)物的13個波段圖像)連續(xù)波段,波長0.41～12.55 μm。

3 結(jié) 論

綜上所述,分析成像的幾何關(guān)系可知：

①面中心投影框幅影像,中心投影瞬間為一張像片,像片上各點(diǎn)坐標(biāo)隨構(gòu)像位置不同而不同,像片的空間姿態(tài)由外方位角元素φωκ確定,一條航線上每張像片的姿態(tài)角φωκ各不相同。

②線中心投影縫隙影像,中心投影瞬間為一條縫隙,縫隙上各點(diǎn)坐標(biāo)隨構(gòu)像位置不同而不同,但x始終為0,縫隙的空間姿態(tài)由外方位角元素φωκ確定,一條航線上每條縫隙的姿態(tài)角φωκ各不相同。

③線中心投影縫隙周期搖擺柱面影像,中心投影瞬間為一條縫隙,縫隙上各點(diǎn)坐標(biāo)隨構(gòu)像位置不同而不同,但y始終為0,縫隙的空間姿態(tài)由外方位角元素φωκ確定,在一個擺動周期內(nèi)每條縫隙的姿態(tài)角φωκ各不相同。由于得到的是柱面影像,須展平后才能對照寫出共線方程。

④點(diǎn)中心投影周期轉(zhuǎn)動圓弧線影像,中心投影瞬間為一個像元素影像,在一個擺動周期內(nèi)每個像元素的姿態(tài)角φωκ各不相同。該像元素就是影像坐標(biāo)系原點(diǎn),所以x和y都為0,在一個擺動周期內(nèi)影像坐標(biāo)系原點(diǎn)構(gòu)成一條弧線影像,須展平后才能對照寫出共線方程。所有共線方程式等號左邊的像點(diǎn)坐標(biāo)隨傳感器類型不同而不同,等號右邊是一樣的,但要注意方向余弦aibici(i=1,2,3)是φωκ的函數(shù),所以在用共線方程解決具體問題時,除了2.1面中心投影框幅式影像之外,其他幾種情況針對不同的傳感器其數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用將復(fù)雜得多。

[1]李德仁,周月琴,金為銑.攝影測量與遙感概論[M].北京：測繪出版社，2001

[2]方子巖,鄭天賜.線陣列傳感器影像三維信息提取技術(shù)[J].測繪通報，2009(增刊)