利用長焦距航空影像實現城市大比例尺航測數字產品

金元浩，李勝，李志軍

(呼和浩特市勘察測繪研究院，內蒙古 呼和浩特 010020)

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利用長焦距航空影像實現城市大比例尺航測數字產品

金元浩*，李勝，李志軍

(呼和浩特市勘察測繪研究院，內蒙古 呼和浩特 010020)

結合生產實際需求，本文探討了長焦距航攝儀獲取的影像數據在制作DLG、DOM中的應用情況。試驗結果表明在無法獲取常規焦距的航空影像的特殊城市地理環境下，利用長焦距航空影像可以實現城市大比例尺航測數字產品生產。

長焦距鏡頭；航空攝影測量；大比例尺成圖；精度檢測

1 引 言

航空攝影測量是快速獲取地理數據的重要技術手段之一，是國家基本比例尺地形圖量測和更新及地理信息數據庫建設的重要資料源[1]。城市大比例尺數字產品一般通過航空攝影測量的手段來生產，為了能夠更好地滿足成圖精度要求，對航空攝影各項指標提出了嚴格要求，常規情況下， 1∶500比例尺航測成圖影像分辨率應該保證不低于 0.05 m。數字航空攝影的地面分辨率取決于飛行高度和相機焦距等參數，在能保證地面分辨率的情況下，飛機的相對飛行高度大致在 480 m～ 1 000 m，攝影機焦距在 100 mm以內。但由于受空域等各種因素的影響，航空攝影各項指標無法滿足上述需求，必須通過提高航高并加長攝影儀鏡頭焦距才能完成航空攝影。本文以呼和浩特市為例，對城市規劃區 1 200 km2范圍的試驗區利用長焦距航空影像完成 1∶500比例尺DLG和DOM生產進行介紹。

2 UCE航攝相機概述

呼和浩特市白塔機場距市區較近，進出港航班眾多。由于空域管制，無法獲得低空飛行時間許可，因此只能選擇長焦距相機進行航空攝影。Microsoft Vexcel公司推出UltraCam Eagle(簡稱UCE)數碼航攝儀是目前較先進的超大幅面數字航空攝影相機，高度集成了傳感器、慣性測量、存儲單元、控制單元等組件。UCE像幅內所有的影像范圍都有很好的幾何精度，像片邊緣變形小，全部可用于實際測圖。UCE相機可更換的兩種不同焦距(80 mm/210 mm)鏡頭系統，分辨率可達到 5.2 μm，像幅面達到 20 010×13 080像素，地面分辨率最高可達 0.05 m[2]。

為了滿足 0.05 m的影像分辨率要求，航空攝影的UCE相機(140012508-f210)鏡頭焦距為 210 mm，按照式(1)可求得攝影基準面上相對航高為 2 019 m，其推算原理如圖1所示。

圖1 航高計算示意圖

(1)

其中h為相對飛行高度，f為相機鏡頭焦距，a為像元尺寸，GSD為地面分辨率。

3 呼市測區概況

呼和浩特位于內蒙古自治區中部，境內主要分為山地、平原兩大地貌單元，山地地形包括東南部蠻漢山和北部大青山，平原地形主要是西南部和南部的土默川。地形整體走勢由北東向南西逐步傾斜。市區平均海拔高度為 1 040 m。試驗區范圍涉及呼和浩特市的新城區、賽罕區、回民區、玉泉區和土默特左旗，面積約 1 200 km2。

利用UCE數字航空攝影儀于2015年8月～2015年10月進行航空攝影，航空攝影面積為 1 200 km2，共飛行113條航線，獲取 14 982張航空影像；航向重疊度為72%，旁向重疊度為44%。影像質量清晰，同地物顏色基本一致，滿足數字航空攝影相關規范要求，航飛完成情況如圖2所示[3]。

航空攝影時使用加拿大Applanix公司開發的POS AV510系統，利用IMU實時記錄攝影的飛行姿態，GPS實時記錄攝影的空間坐標，采用精密單點定位技術進行IMU與GPS的數據解算，高程解算時采用似大地水準面精化文件進行高程異常改正，以便將大地高轉換為測圖使用的正常高。

圖2 航攝完成情況圖

4 數字產品制作

本次航空攝影的目的是為數字呼和浩特和智慧呼和浩特提供 1∶500大比例尺數字線劃圖和高分辨率的數字正射影像圖，但如此長焦距航空影像能否滿足上述需求，目前國內沒有相關案例與報道。為了慎重起見，對獲取的航空影像進行了詳細精度測試，本文選擇中心城區為試驗區進行介紹。

4.1 立體模型建立

實驗區由5條航線共127幅航空影像構成，面積近 9.4 km2。實地測量9個地面控制點作為平高控制點，點位分布圖如圖3所示。空三加密采用Inpho軟件，利用POS點數據和地面控制點數據，通過共線方程及平差解算，解求航片攝影瞬間的姿態參數及拍攝位置，最終獲取每張航片的外方位元素，完成空三加密解算[4]。試驗區空三加密的總體結果為控制點位平面中誤差 0.102 m，高程中誤差 0.165 m。表1為其中一個控制點(G05)在立體模型中的坐標殘差以及模型中誤差統計表。

由表1可以發現，通過UCE相機航攝獲取的影像，重疊度高，可組成多個立體模型，提高了空中三角測量的穩定性和可靠性[5]。空三加密的總體結果精度說明，UCE相機獲取的航片和POS數據，從總的生產過程上保證了空三加密結果的精度要求，也為接下來的立體測圖的精度提高提供了可能。

圖3 像控點分布示意圖

控制點在模型中的坐標殘差以及模型中誤差 表1

4.2 DLG、DOM制作

從試驗區中選取2塊不同的區域進行數據生產，每個區域面積 1 km2。將空三加密成果導入到JX-4G攝影測量工作站，設置相機文件后，自動建立立體模型，進行立體測圖，并全內業采集平面和高程點，測制 1∶500比例尺地形圖。使用Inpho軟件，通過引入相機文件、空三成果和POS數據完成DEM的生成、編輯，利用該DEM和原始影像生成單片DOM，并對生成的DOM進行勻光勻色，保持色調一致后進行正射影像鑲嵌，最后生成分辨率為 0.05 m的DOM[5]。

4.3 幾何精度驗證

使用Leica TS02plus R500全站儀利用極坐標法采集數據點與DLG上相對應地物點的坐標進行比對，進行精度分析。共隨機抽取5幅樣圖中的150個平面位置點、100個高程點按同精度檢測進行數據對比，對地物點、地形點進行較差統計，統計結果如表2所示：

呼市市區1∶500比例尺地形圖精度檢測 表2

根據上述檢測精度分析可以看出地物點相對于鄰近平面控制點的點位中誤差 0.207 m小于《城市測量規范》 0.25 m的要求；高程點粗差所占比率較多，無法滿足《城市測量規范》要求，需要進行全野外測繪，這也符合《城市測量規范》要求的“1∶500比例尺DLG城市建筑區和基本等高距為 0.5 m的平坦地區，高程注記和等高線宜由外業測繪”的規定[6]。

經利用上述數據對DOM數據進行檢測，DOM平面中誤差為 0.281 m，小于《基礎地理信息數字成果》規定的平地、丘陵地明顯地物點中誤差 0.3 m，符合 1∶500比例尺DOM的精度要求[7]。

5 結 語

(1)城市大比例尺數字航空攝影測量時，如受低空空域飛行的限制，可以選擇提高飛行高度加長攝影機焦距的方式來實現，但前提條件是必須保證影像清晰。

(2)由相機中IMU/GPS系統獲得的POS數據，減少了絕對定向需要的像控點的數量，降低了外業布設像控點的工作強度。

(3)利用長焦距航空影像制作正射影像圖， 在 0.05 m地面分辨率的影像數據基礎上，采用POS數據和較少的地面控制點可以平坦地區生產較高精度的正射影像圖。

[1] 張祖勛. 航空數碼相機及其有關問題[J]. 測繪工程，2004，13(4)：1～5.

[2] 張建霞，劉先林. 航空數碼相機的種類與發展[N]. 2008-6-30.

[3] GB/T 6962-2005. 1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量規范[S].

[4] 曾文波. 利用Inpho軟件制作數字正射影像圖[J]. 地理空間信息，2014(4)：158～159.

[5] 劉明軍，林宗堅，蘇國中. 無人飛艇低空航測系統在1∶500大比例尺地形圖航測中的應用[J]. 遙感信息，2013(4)：69～74.

[6] CJJ/T 8-2011. 城市測量規范[S].

[7] CH/T 9008.3-2010基礎地理信息數字成果1∶500 1∶1000 1∶2000數字正射影像圖[S].

[8] 龍海奎，曾慶友，吳珊. POS系統在空三加密中的應用與分析[J]. 城市勘測，2011(5)：78～80.

Generating Large Scale Digital Products of Urban Area With Long Focal Length Aerial Images

Jin Yuanhao，Li Sheng，Li Zhijun

(Hohhot Prospecting Institute of Surveying and Mapping，Hohhot 010020，China)

This paper discusses the DLG and DOM generation applications with long focal length aerial camera based on practical project requirements. Experimental results show that long focal length aerial camera can be used to generate large scale digital mapping products in city area， under special cases that normal focal length aerial camera cannot be used to acquire digital aerial images.

long focal length lens；aerial photogrammetry；large scale mapping；accuracy evaluation

1672-8262(2016)05-55-03

P231

B

2016—07—05

金元浩(1978—)，男，工程師，主要從事測繪技術工作。