基于輕型飛機(jī)搭載SWDC-4數(shù)字航攝儀在大比例尺地形圖測(cè)圖中的研究

李春山(新疆疆海測(cè)繪院,新疆烏魯木齊 830000)

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基于輕型飛機(jī)搭載SWDC-4數(shù)字航攝儀在大比例尺地形圖測(cè)圖中的研究

李春山
(新疆疆海測(cè)繪院,新疆烏魯木齊 830000)

【摘 要】目前,數(shù)字航空攝影測(cè)量基本取代了傳統(tǒng)的膠片航空攝影,正在被越來越多的單位和用戶廣泛采用,無論是掃描式航空攝影還是框幅式航空攝影,都是現(xiàn)代科技的一次革命,航空攝影的作業(yè)效率得到了進(jìn)一步的提升,其優(yōu)勢(shì)越來越明顯。根據(jù)多年利用輕型飛機(jī)搭載SWDC-4數(shù)字航攝儀進(jìn)行大比例尺地形圖航攝的經(jīng)驗(yàn),作者闡述了在航攝設(shè)計(jì)及航攝過程中應(yīng)注意的幾個(gè)方面及數(shù)字航空攝影測(cè)量方面的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】SWDC-4 大比例尺地形圖 航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì) GPS輔助空中三角測(cè)量

1 引言

近年來，隨著科技的不斷進(jìn)步和飛速發(fā)展，數(shù)字信息得到了空前的發(fā)展，作為航空攝影數(shù)字信息技術(shù)發(fā)展時(shí)期的重要代表，各種規(guī)格、不同型號(hào)的數(shù)字航攝儀相繼推出。其中，國外具有代表性的數(shù)碼航攝儀有Leica的ADS100，Vexcel的UCD，Z/I Imaging的DMC等。中國通過這幾年的探索，也研制出了具有自主產(chǎn)權(quán)的數(shù)字航空攝影儀——SWDC-4。作者通過這幾年對(duì)SWDC-4數(shù)字航攝儀的使用情況，談?wù)劥撕綌z儀在大比例尺地形圖測(cè)圖中的應(yīng)用。

2 數(shù)字航空攝影測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量相比，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量成本低、成圖周期短、精度高、對(duì)天氣要求低，已成為當(dāng)今主要的測(cè)量方法。利用數(shù)字相機(jī)進(jìn)行航空攝影測(cè)量，沒有了傳統(tǒng)膠片的沖洗等后處理過程，拍攝完畢馬上就能對(duì)飛行質(zhì)量、拍攝的影像質(zhì)量以及拍攝有無漏洞進(jìn)行檢查，這就使得航攝作業(yè)變得十分快速、方便、靈活。

利用IMU/GPS輔助航空攝影方法成圖，采用差分GPS技術(shù)或精密單點(diǎn)定位技術(shù)(PPP)已能準(zhǔn)確獲取航攝儀曝光時(shí)刻的攝站坐標(biāo)，將其納入空三參與平差將極大地減少了地面控制點(diǎn)數(shù)目，減少了外業(yè)工作量，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

圖1

圖2

表1 攝影比例尺、成圖比例尺與GSD的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 數(shù)字航空攝影系統(tǒng)綜述

SWDC-4數(shù)字航空攝影系統(tǒng)由三部分組成，包括相機(jī)部分、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及機(jī)載GPS系統(tǒng)。外形尺寸長(zhǎng)為0.6m，寬為0.5m，高為0.7m(不包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng))，重量約60kg，相機(jī)示意圖如圖1。

SWDC-4數(shù)字航空攝影系統(tǒng)適合搭載在輕小型飛機(jī)上使用，如：蜜蜂、海燕等輕型飛機(jī)，也能搭載在大中型飛機(jī)上使用，如：獎(jiǎng)狀、賽斯納208、運(yùn)-5等機(jī)型。對(duì)于幾百平方公里的小攝區(qū)，就考慮成本及效率來說，用輕型飛機(jī)比較適宜。

與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量設(shè)備及進(jìn)口數(shù)字航空攝影測(cè)量系統(tǒng)相比較，SWDC-4數(shù)字航空攝影系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)相機(jī)焦距短，角分辨率大，基高比能滿足高程精度要求，且飛行高度低，是同樣地面分辨率的進(jìn)口航空數(shù)字相機(jī)拍攝航高的1/2-1/3。

(2)可以在云下和輕薄霧天通過調(diào)整光圈和快門，或調(diào)高感光度拍攝，對(duì)飛行天氣的要求大大低于傳統(tǒng)膠片航攝儀。

4 輕型飛機(jī)綜述

海燕650 C飛機(jī)為四座輕型飛機(jī)(圖2)，飛機(jī)翼展14.9米，長(zhǎng)度7.6米，高度2.1米，有效載荷重量350公斤，非常適合用于數(shù)字航空攝影測(cè)量。該機(jī)具有優(yōu)良的飛行性能和操縱品質(zhì)，此外飛機(jī)性價(jià)比優(yōu)，經(jīng)久耐用、安全可靠、便于維護(hù)。該飛機(jī)可拆卸組裝，利于轉(zhuǎn)場(chǎng)。對(duì)跑道要求不高，適于野外起降。

5 數(shù)字航空攝影在大比例尺地形圖測(cè)圖的研究

現(xiàn)今，大比例尺地形圖基本上正在被數(shù)字航空攝影測(cè)量所替代，尤其是高山峽谷地帶，大大解放了人力資源，航測(cè)法大比例尺成圖技術(shù)理論已趨于完善。數(shù)字航攝儀的引用僅是攝影手段及影像承載介質(zhì)的變革，其成圖過程仍基本包括航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)、航測(cè)外業(yè)(控制測(cè)量及像控測(cè)量)、航測(cè)內(nèi)業(yè)(空三加密及立體測(cè)圖)、圖形編輯以及貫穿始終的質(zhì)量檢查與質(zhì)量控制。

5.1 航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)

應(yīng)用航測(cè)法生產(chǎn)大比例尺地形圖，航攝質(zhì)量至關(guān)重要，是最終成果質(zhì)量好壞的重要前提。傳統(tǒng)膠片相機(jī)的攝影比例尺由焦距(f)/相對(duì)航高(H)決定，數(shù)字相機(jī)標(biāo)注焦距相對(duì)于膠片相機(jī)要小得多，所以用f/H計(jì)算的攝影比例尺非常小，與膠片相機(jī)沒有可比性。因此數(shù)字航攝國際統(tǒng)一使用地面分辨率—GSD(Ground Sample Distance)概念，包括遙感影像。

鑒于航攝質(zhì)量的重要性，首先必須確定符合設(shè)計(jì)成圖要求的GSD，由成圖比例尺確定GSD，然后根據(jù)攝區(qū)的最大平均高程和最小平均高程算出航攝的絕對(duì)航高。GSD是圖上0.1 mm代表的地面實(shí)際距離，即像元地面尺寸。一般要求如表1。

5.1.1 像片重疊度控制

在整個(gè)航空攝影實(shí)施過程中，設(shè)計(jì)人員對(duì)航攝數(shù)據(jù)因子的設(shè)計(jì)是常重要的，其中應(yīng)對(duì)重疊度的計(jì)算要重視。如果要是因?yàn)榧夹g(shù)設(shè)計(jì)中重疊度的計(jì)算出現(xiàn)失誤，會(huì)導(dǎo)致本次航攝成果的作廢，其造成的直接經(jīng)濟(jì)損失包括飛機(jī)飛行費(fèi)用、隨行人員的費(fèi)用，間接經(jīng)濟(jì)損失包括航空攝影時(shí)間的錯(cuò)失，任務(wù)工期的推遲等等。

像片航向重疊度一般要求為60%-65%，最小不應(yīng)小于53%，旁向重疊度為20%-30%，最小不應(yīng)小于13%?！稊?shù)字航空攝影規(guī)范 第1部分：框幅式數(shù)字航空攝影》4.2.3條規(guī)定“當(dāng)?shù)孛娣直媛蚀笥?0cm時(shí)，分區(qū)內(nèi)的地形高差不應(yīng)大于四分之一攝影航高；當(dāng)?shù)孛娣直媛市∮诨虻扔?0cm時(shí)，分區(qū)內(nèi)的地形高差不應(yīng)大于六分之一攝影航高?！睂?duì)于平坦及丘陵地區(qū)，相對(duì)高差較小，這條要求容易滿足。而對(duì)于海拔較高，相對(duì)高差較大的地區(qū)，尤其是高山地，進(jìn)行測(cè)繪航空攝影法成大比例尺地形圖，地形高差往往大于1/6相對(duì)航高，甚至大于1/4的相對(duì)航高，對(duì)此類攝區(qū)分區(qū)又不能劃分的太細(xì)，很多地區(qū)為高山峽谷，所以在設(shè)計(jì)重疊度因子的時(shí)候，在不改變相對(duì)航高的情況下，可以加大航向和旁向的重疊度，以保證航向或旁向不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)或絕對(duì)漏洞。

在做航線設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算出攝區(qū)最高高程處的重疊度，保證攝區(qū)高點(diǎn)重疊度處于規(guī)范要求的范圍(航向重疊度不小于53%，旁向重疊度不小于13%)就可以。但在飛機(jī)沿航線飛行過程中，由于風(fēng)向的突然改變、上下氣流等影響會(huì)造成飛機(jī)的側(cè)滑和傾斜，難免會(huì)引起像片有旋角。所以在攝區(qū)高程最高高程處的計(jì)算上要加大最小重疊度的設(shè)計(jì)，盡量保證航向有60%重疊，旁向有20%的重疊，從而盡可能的避免了出現(xiàn)航攝相對(duì)或絕對(duì)漏洞的重大錯(cuò)誤。當(dāng)然，要有效的控制大旋角的產(chǎn)生，應(yīng)重點(diǎn)防止飛機(jī)的傾斜和側(cè)滑，選擇好天氣和采取有效措施保持好飛機(jī)在航線飛行過程中姿態(tài)。

由于SWDC-4數(shù)字航攝系統(tǒng)搭載平臺(tái)有時(shí)為輕小型飛機(jī)，所以對(duì)飛機(jī)的飛行高度有了一定的限制，一般輕型飛機(jī)的最高升限為3800m左右。要是對(duì)于海拔較高的山區(qū)，按照成圖要求的GSD設(shè)計(jì)很難達(dá)到所飛行的海拔高度。對(duì)此可以采用縮小GSD和增大航向和旁向重疊度的方法來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5.1.2 飛行質(zhì)量控制

飛機(jī)在航攝過程中盡量保持平穩(wěn)，由于數(shù)字航攝大比例尺的航線間隔比較小，為了避免機(jī)載GPS信號(hào)發(fā)生失鎖，影響機(jī)載GPS數(shù)據(jù)后處理解算精度，要求飛機(jī)在出航線尾部，進(jìn)入下一條航線時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑要大，可以呈紡錘形飛行，盡量減小飛機(jī)的傾斜角。

5.2 航空攝影測(cè)量外業(yè)控制

基于SWDC-4數(shù)字航空航攝儀作業(yè)模式為帶機(jī)載GPS的輔助空中三角測(cè)量，所以要求測(cè)量外業(yè)在地面需要做一部分的地面控制點(diǎn)。為提高航測(cè)內(nèi)業(yè)空三及成圖的精度要求，像控點(diǎn)最好為布設(shè)好的地面標(biāo)志點(diǎn)，地面標(biāo)志點(diǎn)中心標(biāo)志點(diǎn)的大小為航攝設(shè)計(jì)GSD的3倍。地面標(biāo)志點(diǎn)的顏色和周圍的地物要有色差，以便在影像中快速、準(zhǔn)確的找到地標(biāo)點(diǎn)。

為了求解WGS84坐標(biāo)系和國家統(tǒng)一坐標(biāo)系或用戶選定的獨(dú)立坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系(七參數(shù))，需要聯(lián)測(cè)地面控制點(diǎn)。有個(gè)轉(zhuǎn)換關(guān)系就能把空中GPS攝站坐標(biāo)(WGS84)轉(zhuǎn)換至地面國家統(tǒng)一坐標(biāo)或獨(dú)立坐標(biāo)。

6 GPS輔助空中三角測(cè)量

在攝影測(cè)量航測(cè)內(nèi)業(yè)中有一項(xiàng)重要的工作是空中三角測(cè)量，其目的是加密控制點(diǎn)。但加密點(diǎn)的工作通常需要一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)(像控點(diǎn))，而航測(cè)地面控制測(cè)量工作通常是較艱苦或困難的，因此如何減少航測(cè)外業(yè)控制的工作量成為一個(gè)重要的研究課題。近年來，機(jī)載GPS輔助空中三角測(cè)量技術(shù)己成為攝影測(cè)量研究與應(yīng)用的熱門技術(shù)，它在實(shí)現(xiàn)少地面控制或無地面控制的攝影測(cè)量中發(fā)揮著重大作用。

GPS輔助空中三角測(cè)量是利用安裝于飛機(jī)上與航攝儀相連接的和設(shè)在地面上一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)站上的至少兩臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)同步而連續(xù)的觀測(cè)GPS衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)獲取數(shù)字航攝儀攝影瞬間的快門脈沖，通過GPS載波相位測(cè)量差分定位技術(shù)的離線數(shù)據(jù)后處理獲取航攝儀曝光時(shí)刻攝站的三維坐標(biāo)，然后將其視為附加觀測(cè)值引入攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差中，經(jīng)采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和算法以整體確定物方點(diǎn)位和像片方位元素。

近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者開展了基于國際IGS精密衛(wèi)星軌道參數(shù)和衛(wèi)星鐘差的“非差相位精密單點(diǎn)定位”的研究，以實(shí)現(xiàn)單臺(tái)雙頻接收機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(Percies Point Positioning)，簡(jiǎn)稱PPP。這是一種非常具有應(yīng)用前景的單點(diǎn)定位技術(shù)，該技術(shù)單站GPS可達(dá)到幾個(gè)厘米的精度，作業(yè)不受距離限制，不需要基準(zhǔn)站支持，這無疑大大提高了高精度定位作業(yè)的靈活性，降低了作業(yè)的成本，特別適用于航空攝影測(cè)量中。GPS輔助空三測(cè)量中應(yīng)用了該項(xiàng)技術(shù)，該技術(shù)特別適合在我國西部這種無或少地面站地區(qū)進(jìn)行航測(cè)作業(yè)。

7 結(jié)語

利用輕型飛機(jī)搭載SWDC-4數(shù)字航空攝影儀進(jìn)行測(cè)繪航空攝影，是目前進(jìn)行大比例尺測(cè)圖的一種快捷、方便可行的作業(yè)方式，大大縮短了工作周期，為按期高效的完成任務(wù)提供了有力保證，為項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn):

[1]曹鑾.數(shù)字航空攝影有關(guān)技術(shù)的分析探討[J].四川測(cè)繪,2007.12.

[2]袁修孝.GPS輔助空中三角測(cè)量原理及應(yīng)用[M].測(cè)繪出版社,2001.8.

作者簡(jiǎn)介:李春山(1978—),男,甘肅人,學(xué)位:工學(xué),職稱:中級(jí),研究方向:數(shù)字航空攝影測(cè)量。