框幅式數字航空攝影飛行質量檢查方法

陳潔， 楊達昌， 杜磊， 李京， 韓亞超

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

框幅式航空攝影成果質量檢查主要包含影像質量、飛行質量、數據質量和附件質量[1-4]4個方面的檢查。其中的飛行質量直接決定最終攝影成果的優劣，也是質量檢查過程中最耗時、最繁瑣的環節。近年來迅猛發展的數字航空攝影技術可直接生成數字化成果，利用這些成果，在計算機上就能完成影像質量檢查、數據質量分析和文檔、圖表等附件的編輯。唯獨飛行質量檢查手段仍在沿用以往光學膠片攝影的操作流程，即先沖印紙質像片，然后手工檢查的方法。這種方法雖然準確度高，但生產環節多，執行周期長，不能及時反饋飛行質量信息，難以滿足現代化全數字測繪發展的要求[5-7]。為此，發展一種全數字飛行質量的檢查方法顯得尤為重要和迫切。

目前，四川省測繪產品質量監督檢驗站完成了“框幅式數字航空攝影成果質量檢驗技術”課題研究，并通過國家測繪局驗收[8]； 陜西省測繪局已發布了基于雙向KD-Tree(K-dimensional tree)的尺度不變特征變換(scale invariant feature transform，SIFT)影像匹配方法“航空攝影質量自動檢查系統”[9]。許多學者也根據自身需要設計了相應系統或軟件： 段福洲等[10]發展了一種基于圖像匹配的機載遙感影像質量自動檢查方法； 余長慧等[11]進行了數字航空攝影成果的自動質量檢查系統設計； 吳石虎[12]實現了航空攝影飛行質量數字化驗收系統設計。上述成果和相關研究雖然均取得了較好的試驗效果，但是所研發系統和軟件的實用性有待提高，準確性也需進一步驗證。為此，本文提出了一種基于質量檢查軟件和機載POS(position and orientation system)數據的飛行質量檢查方法，實現了對框幅式航空攝影所有飛行質量因子的全數字化質量檢查，并與湖南省衡陽市實驗區的人工質量檢查結果進行對比分析。

1 質量檢查內容和方法

1.1 質量檢查內容

本文闡述的質量檢查內容執行國家標準[1]，主要包括航向重疊度、旁向重疊度、航線彎曲度、像片旋偏角、最大航高與最小航高之差、實際航高與設計航高之差以及測區覆蓋等。

1.2 質量檢查方法

該方法首先使用飛行質量檢查軟件對框幅式數字影像進行自動匹配，包括航線內的模型匹配和航線間匹配，實現航向重疊度、旁向重疊度及旋偏角等飛行質量因子的自動檢查； 然后利用機載POS數據檢查航線彎曲度、航高保持和測區覆蓋等飛行質量內容。具體操作方法和步驟如下：

1)數據準備。按規范[4]要求生成數字影像，并命名； 下載機載POS數據。

2)利用飛行質量檢查軟件檢查質量(圖1)。

圖1 飛行質量檢查軟件工作流程

首先根據實際航空攝影項目進行項目名稱、飛行航高、重疊度及像機類型等參數的設定； 然后導入數字影像，并設置航帶信息，要求航片和航帶間位置關系與實際飛行吻合，同時可對影像進行壓縮、旋轉等操作； 若有每張影像的外方位元素，可導入該數據用以確定影像和航帶間的位置關系，若無外方位元素，則需進行航帶間同名點的手工匹配，且同名像對至少有2對； 完成以上數據準備和參數設置后，進行影像的自動匹配，尋找同名點，應用相關算法進行重疊度、旋偏角等質量因子的計算，最終生成飛行質量報告。

飛行質量報告的檢查參數設定可根據實際需求進行，如圖2所示。

圖2 飛行質量檢查參數設定

對于已有外方位元素的影像數據，可檢查航高保持和航線彎曲度等質量因子； 若沒有外方位元素，則主要檢查重疊度和旋偏角的質量控制情況。生成的飛行質量檢查報告包括整個測區的基本信息、統計信息、詳細信息和超限內容統計4部分內容。各部分所包含的具體信息如圖3所示。

(a) 飛行質量報告第1,2部分(b) 飛行質量報告第3部分(c) 飛行質量報告第4部分——測區基本信息和統計信息——詳細信息——超限內容統計

3)利用機載POS數據檢查飛行質量。對下載的機載POS數據進行處理，用生成的航向角度報告檢查旋偏角，用飛行軌跡報告檢查重疊度和航線彎曲度，用航高報告檢查航高保持情況，用曝光點坐標檢查航空攝影測區覆蓋情況。其中，旋偏角是根據POS系統記錄的曝光時刻航向角與設計航向角的差值計算所得。本次實驗在航空攝影過程中沒有對航空攝影儀座架進行調整，使影像的X方向始終與飛機中軸線保持平行，其目的是讓獲取的每張航片自身帶有一定的旋偏角，以驗證該方法計算出的旋偏角的準確度； 飛行軌跡可顯示航線和曝光點位置、影像框幅大小和覆蓋范圍，直觀地反映重疊度、旋偏角和航線彎曲度情況，但不能從數量上給予評價。

2 實驗結果與精度分析

2.1 實驗結果

實驗區位于湖南省衡陽市。實驗數據由Leica公司的框幅式航空攝影像機DMC(digital mapping camera)獲得。航線布設如圖4所示，飛行方向為南北向，飛行絕對高度為1 100 m，影像的地面分辨率為0.1 m，設計的航向和旁向重疊分別為70%和40%。試驗飛行獲取4條航線，共84張航空數碼影像。為了方便后期的對比分析，在整個航空攝影過程中，航空攝影儀座架始終處于零刻度位置，即與飛機的中軸線平行的位置。

圖4 湖南實驗區航線布設示意圖

首先，利用飛行質量檢查軟件對所獲取的影像進行自動質量檢查，由于沒有導入機載POS數據，所以獲得的質量檢查報告主要檢查本次航空攝影的重疊度和旋偏角。根據GB/T 27920.1-2011[4]要求，質量檢查主要參數的臨界值分別為航向重疊56%、旁向23%、旋偏角15°。超限內容被記錄在飛行質量報告的第4部分。

該質量檢查報告直接顯示出每張像片的重疊度、旋偏角數值，若有不合規范的內容，再根據報告的第4部分(圖3(c)，超限內容)，通知野外飛行人員進行相應的補飛。

利用機載POS數據對航高保持、航線彎曲度和范圍覆蓋等內容進行質量檢查。機載POS系統以1 Hz的頻率記錄飛行軌跡和曝光時刻姿態，可以很好地反映飛行質量。圖5為機載POS系統記錄的飛行軌跡。從該軌跡圖可以直觀地判讀出航空攝影飛行航線彎曲度是否控制良好。

圖5 湖南實驗區機載POS系統記錄的飛行軌跡

航高的保持可以根據機載POS系統的記錄數據得出。數據經處理后可以反映每個曝光點時刻的航高情況，以此作為依據判斷航高的保持情況。本實驗區的某條航線航高保持情況如圖6所示。

圖6 航線曝光點航高保持情況

從圖6中可以讀出同一航線中的航高最大值、最小值以及該架次的航高最大值、最小值，并以此計算航高高差，從而完成對航高質量因子的質量檢查。

最后，利用機載POS數據解算出的每張像片外方位元素，通過邊緣曝光點的地理坐標信息，判斷影像是否覆蓋測區邊緣。

經過以上3個步驟，即可完成對框幅式數字航空攝影飛行質量的全數字化質量檢查。每個步驟均由計算機自動完成，無需人工干預，易于操作，也不必沖印紙質像片，節約資源，且綠色環保。

2.2 精度分析

由于國內現有的飛行質量檢查軟件還處于研發實驗階段，并且國家測繪局也沒有授權和認可任何一款此類軟件，最終提交的成果數據還是以人工質量檢查結果為準。所以，本研究對實驗區同時進行了人工質量檢查工作，詳細地記錄每張影像的飛行質量參數，與本文提出的質量檢查方法進行對比分析，結果如下：

1)重疊度和旋偏角。人工質量檢查作業方式是利用專業的平板尺量取每個像對的重疊度和旋偏角，并記錄。將該結果作為真值與飛行質量檢查軟件和POS計算得出的結果進行對比分析，得出飛行質量檢查軟件的檢查結果不論在重疊度上和旋偏角上都有很好的一致性； 而利用POS數據推算出的旋偏角與另外2種方法差別較大，但其所反映的總體趨勢一致。3種方法的質量檢查結果如表1所示。

表1 3種方法的飛行質量檢查結果

表1數據表明，人工質量檢查與飛行質量檢查軟件的結果有很好的一致性； POS解算的旋偏角與其他2種方法的相差較大，這是由于POS數據不考慮同名地物點的匹配，只按當時記錄的數值反映飛行姿態，而其他2種方法的計算基礎是先進行影像匹配，再得出各項飛行質量參數。但3種方法反映的總體趨勢一致，這一點可從圖7中看出(第1和第3航線旋偏角小，第2和第4航線旋偏角大),這與實際測量和計算得出的數據也一致。

2)航線彎曲度。現有的航空攝影平臺都配備高精度GPS導航系統，對于航跡的保持都比較好。圖7(a)為3種方法分別形成的影像和框幅索引圖，從圖7(b)(c)可以看出，同一航線的像主點都基本處于同一經度上，航線彎曲度控制良好。

(a) 人工拼接影像索引圖(b) 飛行質量檢查軟件生成(c) 機載POS數據生成的框幅索引圖的框幅索引圖

3)航高保持。傳統的航高保持作業方式，是檢查相鄰航片和航線中同名地物的比例尺變化程度。該方法要求對每張航片進行判讀，作業量較大，并且即使所有航片比例尺一致，也不能說明本次航空攝影的航高與設計吻合。機載POS系統記錄的GPS數據能夠完整地反映航線和曝光點的高度信息(圖6)，且精確到m級，可完成對航高保持的質量檢查。圖6所示的航線，最大航高為1 140 m，最小航高為1 120 m，最大高差為20 m，與設計航高1 100 m之差最大為40 m。

4)測區覆蓋。測區覆蓋檢查的人工方式是利用航片上的典型地物，對照地形圖，判斷航空攝影測區是否覆蓋完全。該種方法對作業人員的經驗要求較高。然而，由于社會發展較快，地形圖更新較慢，很多地區的地物都反生了較大變化，僅僅依靠典型地物已不能滿足實際生產要求。而機載POS系統能直接獲取每張航片的地理信息坐標，利用邊緣航片的坐標信息與測區范圍角點坐標進行對比，就可完成對測區覆蓋的質量檢查。

3 結論

基于飛行質量檢查軟件和機載POS數據的全數字化飛行質量檢查方法的檢查精度完全可以滿足航空攝影的飛行質量檢查標準。該方法減少了人工重復作業，省略了紙質像片沖印環節，節約了資源，縮減了作業周期，并且計算過程無需人工干預，自動化程度高，對人員和辦公場所要求低，特別適用于野外及應急救災等緊急情況下的質量檢查，為快速經濟、高效優質地進行數字航空攝影成果質量檢驗提供了新思路。該方法已成功地運用在國家基礎航空攝影湖南三城市測區和廣西南寧測區中，取得了較好的效果。

志謝： 對湖南航空攝影項目組提供本次實驗數據和張宗貴博士提供的技術幫助表示感謝！

參考文獻(References)：

[1] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 24356-2009,測繪成果質量檢查與驗收[S].北京:中國標準出版社,2009.

General Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China,Standardization Administration of the People’s Republic of China.GB/T 24356-2009,specifications for quality inspection and acceptance of surveying and mapping products[S].Beijing:China Standards Publishing House,2009.

[2] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 6962-2005,1∶500，1∶1 000，1∶2 000比例尺地形圖航空攝影規范[S].北京:中國標準出版社,2005.

General Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China,Standardization Administration of the People’s Republic of China.GB/T 6962-2005, specification for aerial photography of 1∶500，1∶1 000，1∶2 000 scale topographic maps[S].Beijing:China Standards Publishing House,2005.

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 15661-2008,1∶5 000，l∶10 000，1∶25 000，1∶50 000，1∶100 000比例尺地形圖航空攝影規范[S].北京:中國標準出版社,2008.

General Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China,Standardization Administration of the People’s Republic of China.GB/T 15661-2008, specifications for aerial photography of 1∶5 000, 1∶10 000, 1∶25 000, 1∶50 000, 1∶100 000 topographic maps[S].Beijing:China Standards Publishing House,2008.

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 27920,1-2011,數字航空攝影規范·第1部分:框幅式數字航空攝影[S].北京:中國標準出版社,2012.

General Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China,Standardization Administration of the People’s Republic of China.GB/T 27920,1-2011, specifications for digital aerial photography-Part 1:Frame digital aerial photography[S].Beijing:China Standards Publishing House,2012.

[5] 黃琳云.關于框幅式數字航空攝影成果質檢方法的探討[J].江西測繪,2013,2:52-53.

Huang L Y.Discussion on quality inspection of frame digital photogrammetric images[J].Jiangxi Surveying,2013,2:52-53.

[6] 曾衍偉,易堯華,李倩,等.框幅式數字航空攝影成果質量檢查方法研究[J].測繪,2011,34(5):195-197.

Zeng Y W,Yi Y H,Li Q,et al.Research on frame digital aerial photography products quality inspection method[J].Surveying,2011,34(5):195-197.

[7] 袁桂生,顧寶永,黃健.數字航空影像的質量控制和檢查[J].現代測繪,2003,(s1):102-103.

Yuan G S,Gu B Y,Huang J.Quality control and inspection on digital aerial photography images[J]. Modern Surveying and Mapping,2003,(s1):102-103.

[8] 四川省測繪地理信息局.框幅式數字航空攝影成果質量檢驗技術[EB/OL].(2012-09-08)[2014-01-10].http://www.scbsm.com/kjjy/kjcghb/4757.htm.

Sichuan Administration of Surveying Mapping and Geoinformation.Technology of frame digital aerial photographic quality inspection.[EB/OL].(2012-09-08)[2014-01-10].http://www.scbsm.com/kjjy/kjcghb/4757.htm.

[9] 華夏經緯網.“航空攝影質量自動檢查系統”在西安成功研發.[EB/OL].(2013-06-12)[2014-01-10].http://www.huaxia.com/zjsx/xwsc/2013/06/3390405.html.

www.huaxia.com.“System of aerial photographic quality inspection”has successful developed in Xi’an.[EB/OL].(2013-06-12)[2014-01-10].http://www.huaxia.com/zjsx/xwsc/2013/06/3390405.html.

[10]段福洲,趙文吉.基于圖像匹配的機載遙感影像質量自動檢查方法研究[J].測繪科學,2010,35(6):57-58.

Duan F Z,Zhao W J.Method of aerial remotely sensing image qulity evaluation base on image match[J].Science of Surveying and Mapping,2010,35(6):57-58.

[11]余長慧,曾衍偉.數字航空攝影成果的自動質量檢查系統設計[J].測繪信息與工程,2011,36(1):8-10.

Yu C H,Zeng Y W.The Developing of automatic quality check software on digital photogrammetric products[J].Surveying Information and Engineering,2011,36(1):8-10.

[12]吳石虎.航空攝影飛行質量數字化驗收系統的設計與實現[D].鄭州:解放軍信息工程大學,2005.

Wu S H.Design and implementation of digital aerial photography quality inspection system[D].Zhengzhou:PLA Information Engineering University,2005.