基于ADS100數字航空攝影測量系統的航線設計研究

劉元志 楊陽

摘 要：詳細介紹了IMU/GPS輔助ADS100數字航空攝影測量系統的基本參數，對ADS100航線設計的問題進行了研究探討，總結出ADS100數字航空攝影測量系統航線設計技術特點。

關鍵詞：ADS100；航空攝影測量；航線設計

1 國內外航線設計研究現狀

航空攝影是為了航測成圖的需要，對測區進行有計劃的空中攝影并取得航攝像片的全過程。在航測之前要進行航線的設計，完成合理的飛行成圖。國內有些學者使用AutoCAD展點程序解決線路中心上的展點問題，然而此方法并不能解決其他問題。如因地形、天氣等因素航線需要變動時，將帶來極大的麻煩。

基于此，國內外的一些學者和科研單位進行了航線設計自動化的研究及軟件的開發。在國內，裴書琦等人編制了用于航線設計的PAF程序，在計算機上使用該程序可以實現航線設計的自動化。在輸入攝影比例尺、地面采樣間隔（GroundSampling Distance，GSD）、航攝范圍等相關參數后，程序會自動分析并解算出航攝中的各種詳細數據，并以表格形式輸出。

國外方面，Carl Zeiss 與 Intergraphy 公司共同研發了Z/I Imaging數字航攝像機系統。其中的“任務規劃（ImageStation Mission Planning，簡稱ISMP）”軟件，他們稱之為“航測過程中的一個創新性的解決方案”。其他例如德國IGI公司研發的CCNS系統、荷蘭Track Air公司研發的Tracker系統、瑞士Leica公司研發的FCMS系統等。

2 航線設計與試驗

在航空攝影測量中，航線設計按照攝區的形狀可以分為兩種：一種是面狀攝區的航線設計，如用于數字城市、電子地圖等基礎地理信息采集的航線設計；另一種是帶狀攝區的航線設計，如公路、鐵路、南水北調、西氣東輸等項目的應用。本節以面狀攝區的航線設計為例，詳細講述了湖南某攝區的航線設計。

2.1 航攝儀的介紹

2013 年10月我院在省內首次引進瑞士leica公司ADS100系統。該系統為推掃式航攝儀，影像寬度達20000像素。本文使用ADS100數字航攝儀及其配套航線設計軟件，詳細講述了湖南某攝區的航線設計。

2.2 航線設計

航線設計是航空攝影測量工作的重要組成部分，是對航攝區域按照航測成圖要求和航攝規范要求，規劃設計出實際需要飛行的線路，為航攝飛行提供依據。航攝飛行設計主要包括航線位置、航線數量、航線間隔、旁向重疊度、航向重疊度、地面分辨率、相對航高、平均海拔等內容。為了避免飛行設計人為因素的干擾并提高設計的工作效率，ADS100數字航攝儀提供配套的航線設計軟件Missionpro。

2.2.1準備工作

在進行航線設計之前，要收集攝區的基本資料，確定攝區范圍、機場選取、氣候條件、地形因素、DEM等。

航線設計軟件Missionpro是利用SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）數據對攝區范圍內的區域進行高程統計。SRTM數據是美國雷達獲取的影像數據，通過加工制成的數字地形高程模型。

2.2.2 參數計算

（1）相對航高

ADS100數字航空攝影儀焦距為62.7mm，數字航空攝影的地面分辨率（GSD）與飛行相對高度的關系如圖1所示。

由圖可知：

可以推導出：

在GSD一定的條件下，相對航高h的大小取決于鏡頭焦距。航空攝影對天氣要求較高，需要在天空晴朗、無云的條件下進行，飛行高度越低，可航攝天氣就越多。

（2）地面分辨率GSD

在航空攝影測量中，基準面是攝區的高程均值。攝區地形是起伏不定的，尤其是在地形復雜的山區，高差較大，山頂和山谷在影像上所呈現出的分辨率是不同的。為了滿足規范的要求，需要計算最高點和最低點的GSD。如圖2所示，攝影H 與圖1中h表示相同的意義，即相對航高。

f為航攝儀的焦距，選定之后為固定值，a也是固定值，因此GSD的大小跟地形起伏的高差有直接的關系：

（3）重疊度

ADS100為推掃式數字航攝儀，采用三線陣CCD 掃描和專業的單一大孔徑鏡頭，一次飛行可以同時獲取前視、下視和后視影像，具有航向100% 三度重疊。

基準面上的重疊度：旁向重疊度；影像在△h高度時的重疊度：旁向重疊度；由于受地形起伏的影響，重疊度會有變化，

即：

2.2.3 航攝分區

航空攝影測量規范要求航攝分區劃分原則如下：

（1）當地面分辨率大于20cm時，分區內的地形高差不應大于四分之一攝影航高；當地面分辨率小于或等于20cm時，分區內的地形高差不應大于六分之一攝影航高。

（2）攝區范圍應為拐點盡量少、各邊大致為東西或南北方向的凸多邊形。

（3）攝區劃分應考慮航線布設的方向及長度。航線一般按東西或南北方向飛行，單條航線的長度應保證飛行時間不超過25分鐘。

在符合以上原則的情況下，攝區劃分得越大越好。

飛行質量的要求：

相鄰航線的像片旁向重疊度一般應為20%-30%，個別最小不應小于13%，但不得連續出現。

因此，攝區內地形高差是決定是否分區的主要因素。

2.3 實例分析

湖南某攝區，地面分辨率為0.2m，按照上述要求，航攝分區內高差不應大于1/6攝影航高。攝區位于湖南省南部、湘江中游，東西橫跨64.5公里，南北縱長90.5公里，總面積2538平方千米。北部為丘陵，南面為高山地，平均海拔112米，南部的摸天嶺和黃凸山海拔均為1438米，是攝區內最高點。

利用SRTM數據統計測區內的高程值，根據上述分區原則將該攝區分為三個航攝分區：

根據公式，當GSD=0.2m時，可求得相對航高=2508m，1/6相對航高為418m，根據分區邊界范圍求得的各分區最大高程與最小高程之差均大于418m，不滿足規范要求。但是由圖3可以看出攝區內絕大部分高程都在500m左右，此時高差為400m左右，小于418m。滿足要求。

根據公式計算

最低點的地面分辨率：

=0.22

最高點的旁向重疊度：

=0.19

使用航線設計軟件Missionpro進行航線設計時，要注意相關環節。

通過對傳感器參數、飛行計劃參數的正確設置經過計算得到最為合理的航線分布。

2.4 成果輸出

利用航線設計軟件Missionpro可以輸出的成果包括攝區邊界坐標、攝區面積、航線起始點坐標、航線長度、航高、最大最小GSD以及最大最小旁向重疊度等數據的xls文件。

3 總結

本文系統闡述了航空攝影測量的有關理論，并介紹航空攝影測量航線設計應用方法，結合具體實例，詳細討論了使用ADS100數字航攝儀配套航線設計軟件Missionpro 進行航線設計。

在以湖南某攝區為例進行航線設計的過程中發現和總結了一些問題：

（1）由于航線設計軟件Missionpro是利用 SRTM 數據對攝區范圍內的區域進行高程統計，而目前 SRTM 地形數據公開的僅為90米分辨率的數據。當攝區位于地形復雜的山區時，使用 SRTM 地形數據容易出現高程異常情況，尤其是在高差較大的山區，易導致重疊度不足的問題。如何提高攝區范圍內高程統計的精度，減少因設計不足造成的問題？

（2）在進行航攝分區時，不可能嚴格按照現有的航攝規范及分區原則進行分區。分區太小，會影響航攝飛行，增加內業工作量，曾大作業難度；否則又會造成GSD、重疊度等不滿足要求。制定更為合理的航攝規范及分區原則需要更多的實踐來驗證。

（3）在地形起伏較大的地區，分區內的GSD、重疊度計算滿足要求，進行影像采集時由于氣流較大等因素會造成運載體在空中偏離航線、上下高差較大等問題，導致影像重疊度不足。在進行航線設計時，設計要求和實際要求如何平衡？

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