A3航攝儀航線設(shè)計(jì)及其效率分析

■　王建國　郭慧軍　禹?xiàng)睢″羯袀?/p>

（中科遙感科技集團(tuán)有限公司天津300384）

A3航攝儀航線設(shè)計(jì)及其效率分析

■王建國郭慧軍禹?xiàng)铄羯袀?/p>

（中科遙感科技集團(tuán)有限公司天津300384）

當(dāng)今有很多種用來做航空攝影測量的數(shù)字航空攝影系統(tǒng)。各系統(tǒng)以相機(jī)設(shè)計(jì)、攝影方法、精度、工作流程以及計(jì)算機(jī)軟件的不同而不同。VisionMap A3是一個(gè)完全自動(dòng)化的數(shù)字測圖系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個(gè)步進(jìn)式分幅雙鏡頭航空數(shù)字相機(jī)和一個(gè)地面處理系統(tǒng)。本文主要介紹A3航攝系統(tǒng)的特點(diǎn)、航線設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)獲取效率等方面的內(nèi)容，并以深圳項(xiàng)目為例進(jìn)行具體分析并得出一些結(jié)論。

A3航攝儀航線設(shè)計(jì)效率分析

0　前言

航空攝影就是將航攝儀安裝在飛機(jī)上并按照一定的技術(shù)要求對地面進(jìn)行攝影的過程。航空攝影的目的是為了取得某指定地區(qū)(攝區(qū))的航攝資料[1]。航空攝影測量的航線設(shè)計(jì)是其最重要的組成部分之一，直接關(guān)系到航空攝影測量作業(yè)的作業(yè)效率、作業(yè)精度和作業(yè)成功率[2]。在當(dāng)今全數(shù)字?jǐn)z影測量階段，由軟件造成的高成本問題和項(xiàng)目性價(jià)比問題日趨嚴(yán)重，而如何提高數(shù)據(jù)獲取生產(chǎn)效率、降低成本一直是國內(nèi)外測繪界所探索的熱點(diǎn)問題。

1　A3航攝儀及其特點(diǎn)優(yōu)勢

1.1A3系統(tǒng)組成與成像原理介紹

A3是新一代數(shù)字航空測圖系統(tǒng)，產(chǎn)自全球領(lǐng)先的數(shù)字測繪系統(tǒng)供應(yīng)商：以色列VisionMap公司。于2012年3月份，中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所首次將其引進(jìn)到國內(nèi)。A3采用步進(jìn)式分幅成像可獲取超大幅寬影像（SLF），配合其一體化后處理系統(tǒng)Lightspeed可得到一系列產(chǎn)品：正射影像圖（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字表面模型（DSM）、立體像對及斜片紋理產(chǎn)品等。

圖1　VisionMap A3數(shù)字測繪和測圖系統(tǒng)組成

A3航攝儀由存儲(chǔ)器、小型計(jì)算機(jī)、旋轉(zhuǎn)雙鏡頭主體、GPS、電源及導(dǎo)航顯示屏組成。A3航攝儀采用步進(jìn)式掃擺分幅成像原理，鏡頭采用特別的旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，在飛行的同時(shí)，鏡頭圍繞一個(gè)中心軸作最大可達(dá)109°擺角的高速旋轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)采集，航攝儀利用擺掃機(jī)構(gòu)在垂直于航向的方向多個(gè)不同位置成多幅圖像，各位置之間保證一定的重疊度，考慮到航線網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)的構(gòu)成和模型之間的連接等，A3沿航線兩個(gè)單像幅重疊度是2%，垂直航線兩個(gè)像幅間重疊度是30%，以便于后期處理時(shí)恢復(fù)為完整的大分辨率圖像，滿足航測成圖的需求[3]。

1.2A3航攝儀的特點(diǎn)和優(yōu)勢

（1）系統(tǒng)輕巧、方便安裝，可提供三種安裝方式，兼容各種航測飛機(jī)；（2）光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)先進(jìn)，采用“面陣+擺動(dòng)”的新一代工作方式，能夠有效的進(jìn)行光學(xué)補(bǔ)償和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，提高影像的質(zhì)量和清晰度；（3）超高的數(shù)據(jù)獲取能力；（4）產(chǎn)品種類豐富、可進(jìn)行多領(lǐng)域的應(yīng)用；（5）高精度的產(chǎn)品；（6）高度自動(dòng)化；（7）無需地面控制點(diǎn)、IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)也能生成滿足所有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高質(zhì)量產(chǎn)品。

2　A3航攝技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1航攝準(zhǔn)備工作

航攝技術(shù)計(jì)劃之前，首先應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目要求詳細(xì)了解攝區(qū)的地勢、地形、地物點(diǎn)高程、地物種類和特征以及它們的分布情況，以便為攝影分區(qū)、設(shè)計(jì)航線、進(jìn)行航攝技術(shù)計(jì)算。其次還要詳細(xì)分析當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，其中包括攝影期限內(nèi)的晴天數(shù)、陰天數(shù)、大風(fēng)天數(shù)以及日平均攝影時(shí)間，從而估計(jì)出有效航攝天數(shù)以及攝影架次，以便為統(tǒng)一調(diào)配航攝機(jī)組人員和飛機(jī)作出初步的工作規(guī)劃[1]。

為了充分考慮地形起伏條件對航線敷設(shè)的影響，以及航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范對設(shè)計(jì)用圖的規(guī)定，該項(xiàng)目任務(wù)設(shè)計(jì)需采用1:5萬（25米分辨率）的DEM，如果航攝區(qū)域沒有較合適比例尺的DEM，可以采用SRTM[4]數(shù)據(jù)來輔助判斷測區(qū)是否需要分區(qū)，航線敷設(shè)方向等設(shè)計(jì)因素。使用DEM數(shù)據(jù)輔助航線設(shè)計(jì)可以保障設(shè)計(jì)結(jié)果更好地滿足實(shí)際地形的變化，避免因數(shù)據(jù)質(zhì)量問題出現(xiàn)補(bǔ)重飛現(xiàn)象[5]。

2.2技術(shù)設(shè)計(jì)過程

航空攝影測量任務(wù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)就在于航線設(shè)計(jì)。

A3影像航向重疊度要求設(shè)計(jì)為56%—70%，旁向重疊度要求60%以上，因A3在后處理技術(shù)采用光束法平差匹配海量連接點(diǎn)，因此大旁向重疊可以保障數(shù)據(jù)成果精度和可靠性。

為了減少航線設(shè)計(jì)的工作量并提高精度，國內(nèi)外先后研發(fā)了專門的航線設(shè)計(jì)軟件，如徠卡的FPES、IGI的WinMap、Track’Air的Tracker等等[6]。A3系統(tǒng)的航線設(shè)計(jì)采用的是基于ArcGIS平臺開發(fā)的航線設(shè)計(jì)插件以及專門為系統(tǒng)配備的A3參數(shù)計(jì)算表，任務(wù)需要根據(jù)項(xiàng)目成果要求、使用機(jī)型、攝區(qū)地形地貌、空域情況、A3特殊的重疊度要求以及航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

目前，全球各國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展都相互依存，經(jīng)濟(jì)全球化的趨勢越來越明顯。在此背景下，企業(yè)財(cái)務(wù)管理也要順應(yīng)形勢，結(jié)合企業(yè)的實(shí)際情況，要有全球化視野，在進(jìn)行企業(yè)的內(nèi)部控制和管理的時(shí)候，要關(guān)注全球經(jīng)濟(jì)的形勢變化，結(jié)合形勢的變化，剖析企業(yè)內(nèi)部財(cái)務(wù)管理制度的問題。探索全球化的背景下，與企業(yè)實(shí)際情況符合的財(cái)務(wù)管理模式，更好地改進(jìn)企業(yè)財(cái)務(wù)管理的效率。

2.2.1攝區(qū)地形分析和分區(qū)

當(dāng)航攝區(qū)域面積較大，攝區(qū)內(nèi)地形變化較大，應(yīng)將攝區(qū)劃分成若干個(gè)攝影分區(qū)，在劃分分區(qū)時(shí)應(yīng)注意:

航攝分區(qū)的界限應(yīng)與成圖圖廓線一致；航攝分區(qū)內(nèi)地形高差不能超過如下規(guī)定:當(dāng)航攝比例尺小于1/8000時(shí)，不得大于四分之一相對航高；當(dāng)航攝比例尺大于1/8000時(shí)，不得大于六分之一相對航高[7]。

根據(jù)上述“航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范”要求，參考深圳攝區(qū)范圍內(nèi)的dem數(shù)據(jù)，明確攝區(qū)總體地形分布，深圳攝的海拔高度為1-940米。考慮到A3航攝儀的特點(diǎn)，該項(xiàng)目可以使用基準(zhǔn)高度為海拔0米，這樣能保證最低海拔處也能采集到滿足要求的數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目航攝比例尺為1:18000，航高5400米，所以不需要實(shí)行分區(qū)作業(yè)。

2.2.2航空攝影航線設(shè)計(jì)方案

輸入技術(shù)參數(shù)，根據(jù)重疊度要求確定航線間距。為了便于理解A3各參數(shù)的含義，請參見下圖示意。

圖2　垂直攝影示意圖

輸入作業(yè)高度對應(yīng)的影像分辨率，作業(yè)高度5400米；運(yùn)七飛機(jī)巡航速度420km/h，但考慮到A3相機(jī)對速度條件要求較高，我們需要適當(dāng)增大設(shè)計(jì)的地面時(shí)速（該項(xiàng)目實(shí)際作業(yè)最大速度可達(dá)500km/h），以保障超過巡航作業(yè)速度時(shí)也能獲得滿足重疊度要求的原始數(shù)據(jù)；為保證高山區(qū)也滿足航向重疊度不小于56%的要求，我們將航向重疊度（P）設(shè)置為65%具體可參見下表。

表1　垂直攝影航線設(shè)計(jì)參數(shù)表

相片的預(yù)設(shè)重疊度與實(shí)際重疊度往往有一定差值，當(dāng)?shù)乇砥鸱^大時(shí)，這個(gè)差值變得更為明顯［8］。航拍過程中，由于實(shí)際飛行航高與設(shè)計(jì)航高有差異，傳感器可能傾斜，這些因素也會(huì)影響到像片和航帶重疊度［9］。

2.2.3確定航攝范圍并敷設(shè)航線

航線間隔確定以后，就可以利用軟件進(jìn)行航線敷設(shè)工作。A3航線采用VisionMap公司基于ArcMap開發(fā)的航線設(shè)計(jì)插件，使用該插件可以方便快捷的完成航線的敷設(shè)、編輯和領(lǐng)航任務(wù)文件輸出。

2.2.4計(jì)算攝影時(shí)間和攝影架次

攝影時(shí)間包括每條航線所需要的攝影時(shí)間和航線間的轉(zhuǎn)彎時(shí)間，前者取決于航線長度，攝影比例尺和飛機(jī)速度；后者取決于航線間隔和領(lǐng)航技術(shù)水平。

根據(jù)航線總長度和航向條數(shù)計(jì)算出攝影時(shí)間，再根據(jù)攝區(qū)日平均攝影時(shí)間計(jì)算完成任務(wù)所需架次，加上每個(gè)架次所需的起降和航路時(shí)間，即得航攝飛行總時(shí)間。

3　A3航攝儀效率分析

3.1不同分辨率要求各航攝儀的航攝作業(yè)高度及效率

由圖3可見，同等分辨率要求下，A3相機(jī)可以飛的更高，獲取更大面積的數(shù)據(jù)，同時(shí)飛行高度具有更好的適用性和可調(diào)節(jié)，大大減少飛行任務(wù)受天氣和空域限制的影響，特別適合在空域繁忙的城市上空作業(yè)。

圖3　不同分辨率各航攝相機(jī)的作業(yè)高度

針對不同分辨率，A3航攝儀的理論獲取效率如下：

表2　A3不同航高的獲取效率

3.2同等分辨率要求各航攝儀的獲取效率

要正確對比不同航攝儀的數(shù)據(jù)獲取工作效率，需要限定某些條件的一致性，在此我們考慮獲取獲取同一分辨率、飛行器、攝影時(shí)間和其他航攝條件同等的前提下，各航攝儀的數(shù)據(jù)獲取效率對比分析如下：

表3　獲取10cm地面分辨率影像不同航攝儀的效率對比

4　結(jié)論

A3作為新一代數(shù)字航空測圖系統(tǒng)，具有高效率、高精度、自動(dòng)化的特點(diǎn)，是目前國際上最先進(jìn)的步進(jìn)分幅成像數(shù)碼航攝儀，此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集能力和處理效率是同類系統(tǒng)的2-3倍。

對用于測繪地形圖的航空攝影測量工作而言,航線設(shè)計(jì)工作是至關(guān)重要的［10］，航線設(shè)計(jì)的質(zhì)量好壞直接影響數(shù)據(jù)采集的效率以及質(zhì)量。A3航攝的技術(shù)設(shè)計(jì)在滿足項(xiàng)目具體要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)原理和流程簡單易懂，但需要綜合考慮效率和成本的問題，而且需要針對不同的成果產(chǎn)品、攝區(qū)地形等具體情況具體分析，才能設(shè)計(jì)出最佳的可行的有效方案。

A3航攝儀的效率性已經(jīng)獲得理論和實(shí)踐的雙重證明，在未來項(xiàng)目執(zhí)行的使用和推廣過程中，它的高效性和優(yōu)勢性必將獲得業(yè)內(nèi)和大眾的認(rèn)可，并在地理測繪航空攝影行業(yè)發(fā)揮其重大的作用。

[1]程森.基于DEM的航空攝影技術(shù)理論與應(yīng)用研究[D].西北工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文，2004.

[2]段福洲，宮輝力，朱琳.變基線數(shù)字航空攝影航線設(shè)計(jì)與飛行控制[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2008，,17（6）.

TP7[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-3-275-1

王建國（1988～），男，本科，研究方向?yàn)楹娇諗z影測量技術(shù)設(shè)計(jì)和外業(yè)數(shù)據(jù)采集。