A3無控制點獲取高精度結果的原理和方法研究

周樹旺

摘 要：以色列VisionMap公司的A3數碼航空攝影測量系統在設計理念方面有很大的創新，該文介紹了A3系統的一些原理與方法，包括無控制點獲取的高精度結果、拍攝過程中各種位移補償方法、數據后處理的能力和方式等內容。通過分析驗證了A3系統中一些巧妙的設計使其性能能夠滿足相應的標準。

關鍵詞：數碼航攝儀 位移補償 控制點 影像

中圖分類號：P23 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（c）-0024-04

自2000年第一臺真正意義上的數碼航攝相機發布并投入使用以來，數碼航空攝影測量一直在爭議中不斷發展。經過10多年的發展至今，數碼航攝攝影已基本取代了傳統光學膠片航空攝影。在此期間受限于CCD尺寸、存儲設備、數據傳輸速率、計算機技術和光學鏡頭工藝水平等等技術限制，為獲取更高的航空攝影效率和精度，不得不使用額外的設計，由此衍生了多種多樣的數碼航攝儀。

按照成像方式一般可以將數碼航攝儀分為單一大面陣，多鏡頭、多CCD合成大幅面框幅式和線陣推掃式幾大類。很難用一個統一的標準去衡量這些數碼航攝儀的優劣，他們各有特點，適用于不同的領域。

該文介紹的以色列VisionMap公司設計生產的A3數碼航空攝影測量系統是比較特殊一種。這種數碼航攝儀使用了多種嘗試和創新，并取得了成功。本文主要介紹并分析了A3數碼航空攝影測量系統的一些原理和技術。

1 掃視拍攝方式

單方向勻速擺動掃視拍攝后快速回擺，每臺相機獲取每秒可獲取3-4幅子影像；

一個掃視周期內獲單個相機最多可獲取33幅子影像；

兩臺相機同時獲取的子影像之間重疊度不少于2%，掃視方向上相鄰子影像重疊度不少于15%（見圖1）。

單次擺動掃視后的影像通過糾正后可合成幅面達62000pix×8000pix的大幅面中心投影影像（見圖2）。

2 覆蓋能力

掃攝視場角104度，設航高H，理論上其單張大幅面影像覆蓋寬度為：

2H×tan52=2.56H

即覆蓋寬度為航高的2.56倍。

但是為保證正射影像的合理性，需要以傳統光學膠片航攝相機旁向重疊25%（平地、村鎮）和40%（山地、城區）情況下的地物投影差為界作為分類標準，將獲取的大幅面影像分為正射影像和傾斜影像兩個部分（見圖3、圖4）。

為保證正射影像區域的地物投影差滿足要求并存在一定的重疊度，使用A3數碼航攝儀拍攝時旁向重疊度在平地、村鎮地區一般需要大于60%。在山地、城區執行航空攝影時為保證效果，其旁向重疊度應大于80%。

此時在相同飛行高度情況下A3數碼航攝儀的航線間隔略優于其他數碼航攝相機，但是考慮到A3數碼航攝像機獲取同樣地面分辨率的影像時，其飛行高度一般是同類數碼航攝相機的1.5～3倍，所以在獲取同樣地面分辨率情況下，其正射影像區域覆蓋能力也是同類相機的1.5～3倍（見表1、表2）。

3 無控制點獲取高精度結果的原理和方法

A3數碼航攝系統攜帶有雙頻GPS，可實時記錄每張子影像的位置信息。通過地面基站或事后精密單點定位技術解算獲取每張子影像的精確位置精度可達2～20 cm。

掃攝時同一周期內獲取的相鄰子影像重疊度大于15%，相鄰周期直接對子影像重疊度（航向方向上重疊度）大于56%，相鄰航帶旁向重疊度在60%以上，所以同一地物可出現大量的影像上，這些地物各自對應一組獨立的子影像位置信息（見圖5）。

通過大量重疊子影像，充分利用多目視覺、多基線匹配技術，對同一地物可獲取大量匹配數據。構建三角網非常緊密，可同時獲取大量的冗余結果，這些結果通過平差解算足以以一個較高的精度趨近真實值。（見圖6）

在航向方向上相鄰影像由于基線非常短，投影差很小，有助于提高匹配數量、匹配精度、定向精度進而提高平面精度。

在相鄰航帶之間，由于旁向重疊度一般大于55%，可以同樣可用于匹配、量測等作業。而相鄰航帶之間視場角很大，可充分利用基高比大的優點獲得很好的高程精度和人工量測精度（見表3）。

正射影像和傾斜影像均參與匹配和平差，同一地物不同角度的數據均參與計算，可以有效驗證精度的可靠性。

綜合以上各種有利條件，通過光束法區域網平差和其自創的驗證算法，A3數碼航空攝影測量系統理論上可以在無控制點的情況下獲取較高的精度。

4 拍攝過程中各種位移補償方法

相比于傳統數碼航攝相機，A3數碼航攝相機在拍攝過程中存在不僅在飛行方向上存在位移變化，在其擺動掃攝方向上也存在的位移，并且沒有陀螺穩定座駕補償飛機飛行過程中震動和姿態變化帶來的位移。必須通過設計補償以上各種位移。

A3數碼航攝系統通過全局快門曝光模式縮短曝光時間，此模式下所有像素同時曝光，可以保證所有像素在曝光時刻精度的一致性。

基于加速度傳感器和實時GPS的數據，通過編碼器計算所需要補償的參數，并通過此參數控制一個特殊的內置鏡頭組做微小的姿態變化，從而達到補償各種位移和角度變化的目的。其補償方式和消費級單反數碼相機的光學穩定系統（俗稱鏡頭防抖）相同，但VisionMap聲稱其合作的鏡頭和相機后備提供商（佳能公司）做了特殊的設計，使其性能比一般消費級的光學穩定系統好。

在實際的飛行中，通過獲取的影像也表明這一方式可以有效補償像素位移（見圖7）。

5 數據后處理的能力和方式

數據下載后通過地面基站或精密單點定位技術計算每張子影像的高精度位置信息。以這些位置信息為基礎進行匹配和區域網平差。

通過光束法區域網平差計算改正后合成大幅面影像的虛擬相機的自檢校參數，并輸出立體模型和糾正后的大幅面影像供立體測量使用。

評估精度并可生成DSM、DTM，同時可以計算、整理、生成并輸出傾斜影像和正射影像。

在此過程中A3數碼航攝相機分散的數據結構非常適合分布式作業，處理時間可以隨著后處理硬件設備的數量和能力穩步提高（見圖8）。

6 結語

A3數碼航空攝影測量系統通過一系列巧妙的設計使其性能確實達到了其聲稱的標準。

在獲取傾斜影像時，只能獲取旁向方向上兩個角度的傾斜影像，飛行方向上兩個角度的傾斜度并不高，其應用有一定的限制但能滿足大部分需要。

通過分析可以看出在獲取地面分辨率低于10 cm時有很大優勢，在獲取優于5厘米影像時，其效率開始大幅下降。

當獲取10～25 cm分辨率時，A3數碼航空攝影測量系統效率是其他數碼航攝相機的2～4倍。

當地面分辨率低于25 cm時，其飛行高度將大于7500 m。在此高度上執行航空攝影，對天氣、能見度、飛行器的要求有了非常苛刻的要求，制約了其獲取更低分辨率提高效率的能力。當對分辨率要求不高時，同類數碼航攝相機可以通過提高飛行高度以達到相同地面覆蓋效率。

雖然通過一系列的補償裝置有效減少了各種位移帶來的影響，但是A3數碼航攝相機300 mm的超長焦距，飛行時相對較高的高度，使其依然無法使用較慢的快門速度，對光照和能見度要求相對較高。

無控制點后處理方式和多基線、多目視覺的應用非常值得借鑒，將大幅提高作業效率和精度。

參考文獻

[1] 張祖勛.數字攝影測量的發展與展望[J].地理信息世界，2004（3）.

[2] 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）.

[3] GIM International Magazine， Dr. Yuri Raizman， Flight Planning and Orthophotos.

[4] 張小紅，劉經南，Rene Forsberg.基于精密單點定位技術的航空測量應用實踐[J].武漢大學學報（信息科學版），2006（1）.

[6] 趙梅芳，沈邦興，吳曉明，蔣登峰.多目立體視覺在工業測量中的應用研究[J].計算機測量與控制，2003（11）.

[5] 張劍清，胡安文.多基線攝影測量前方交會方法及精度分析[J].武漢大學學報（信息科學版），2007（10）.

[7] 張永軍，張勇.大重疊度影像的相對定向與前方交會精度分析[J].武漢大學學報（信息科學版），2005（2）.

[8] FIG Working Week 2009， VisionMap A3 - The New Digital Aerial Survey and Mapping System 52nd Photogrammetric Week， Stuttgart， Germany， 2009， “The New VisionMap A3 Airborne Camera System”.

[9] ISPRS Congress Beijing 2008， VisionMap A3 Super Wide Angle Mapping System： Basic principles and workflow.

評估精度并可生成DSM、DTM，同時可以計算、整理、生成并輸出傾斜影像和正射影像。

在此過程中A3數碼航攝相機分散的數據結構非常適合分布式作業，處理時間可以隨著后處理硬件設備的數量和能力穩步提高（見圖8）。

6 結語

A3數碼航空攝影測量系統通過一系列巧妙的設計使其性能確實達到了其聲稱的標準。

在獲取傾斜影像時，只能獲取旁向方向上兩個角度的傾斜影像，飛行方向上兩個角度的傾斜度并不高，其應用有一定的限制但能滿足大部分需要。

通過分析可以看出在獲取地面分辨率低于10 cm時有很大優勢，在獲取優于5厘米影像時，其效率開始大幅下降。

當獲取10～25 cm分辨率時，A3數碼航空攝影測量系統效率是其他數碼航攝相機的2～4倍。

當地面分辨率低于25 cm時，其飛行高度將大于7500 m。在此高度上執行航空攝影，對天氣、能見度、飛行器的要求有了非常苛刻的要求，制約了其獲取更低分辨率提高效率的能力。當對分辨率要求不高時，同類數碼航攝相機可以通過提高飛行高度以達到相同地面覆蓋效率。

雖然通過一系列的補償裝置有效減少了各種位移帶來的影響，但是A3數碼航攝相機300 mm的超長焦距，飛行時相對較高的高度，使其依然無法使用較慢的快門速度，對光照和能見度要求相對較高。

無控制點后處理方式和多基線、多目視覺的應用非常值得借鑒，將大幅提高作業效率和精度。

參考文獻

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[9] ISPRS Congress Beijing 2008， VisionMap A3 Super Wide Angle Mapping System： Basic principles and workflow.

評估精度并可生成DSM、DTM，同時可以計算、整理、生成并輸出傾斜影像和正射影像。

在此過程中A3數碼航攝相機分散的數據結構非常適合分布式作業，處理時間可以隨著后處理硬件設備的數量和能力穩步提高（見圖8）。

6 結語

A3數碼航空攝影測量系統通過一系列巧妙的設計使其性能確實達到了其聲稱的標準。

在獲取傾斜影像時，只能獲取旁向方向上兩個角度的傾斜影像，飛行方向上兩個角度的傾斜度并不高，其應用有一定的限制但能滿足大部分需要。

通過分析可以看出在獲取地面分辨率低于10 cm時有很大優勢，在獲取優于5厘米影像時，其效率開始大幅下降。

當獲取10～25 cm分辨率時，A3數碼航空攝影測量系統效率是其他數碼航攝相機的2～4倍。

當地面分辨率低于25 cm時，其飛行高度將大于7500 m。在此高度上執行航空攝影，對天氣、能見度、飛行器的要求有了非常苛刻的要求，制約了其獲取更低分辨率提高效率的能力。當對分辨率要求不高時，同類數碼航攝相機可以通過提高飛行高度以達到相同地面覆蓋效率。

雖然通過一系列的補償裝置有效減少了各種位移帶來的影響，但是A3數碼航攝相機300 mm的超長焦距，飛行時相對較高的高度，使其依然無法使用較慢的快門速度，對光照和能見度要求相對較高。

無控制點后處理方式和多基線、多目視覺的應用非常值得借鑒，將大幅提高作業效率和精度。

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