AMC5100傾斜航空相機應用研究

張森

(大連市勘察測繪研究院有限公司，遼寧 大連 116021)

1 引 言

近年來，隨著傾斜攝影發展，各種獲取傾斜攝影的傳感器大量推出。除了無人機搭載的小型傾斜攝影設備外，搭載在有人機上的大型傾斜攝影航空相機也紛紛推出。如天寶公司的AOS系統、德國IGI公司的Penta-DigiCam系統、以色列VisionMap公司的A3系統等，尤以徠卡公司的RCD30和微軟的UCO為代表，更是為國內用戶熟悉[1]。這其中，A3相機為掃擺式成像[2]，其他為框幅式成像。劉先林院士領銜研發的SWDC-5是國內較早推出的大型傾斜航空相機，于2010年12月試飛[3]，之后上海航遙和中測新圖推出同類產品[4]。

AMC5100傾斜航空相機是上海航遙推出的代表性產品，該相機于2016年5月28日在煙臺首次試飛，目前國內已有5臺該款相機使用，成為大型傾斜航空相機主流產品之一。

2 AMC5100傾斜航空相機系統構成

該系統由AMC5100傾斜航空相機、Applanix POS AP20慣導系統、GSM4000陀螺穩定平臺、FANS飛行管理系統主機等幾個模塊構成。

其中AMC5100傾斜航空相機由PhaseOneiXU 1000航空相機組成，PhaseOneiXU 1000相機一億像素(11 608×8 708)，CMOS傳感器，0.85 s存儲間隔，ISO 50-6400，像元尺寸 4.6 μm。5臺相機1臺垂直，另外四臺呈45°傾斜角度設計。為方便相機在不同型號飛機上搭載，傳感器頭部設計為可升降式，升降幅度 17 cm，Amc5100傾斜航空相機全貌及鏡頭細節如圖1所示。

鏡頭采用施耐德80 mm/110 mm標準鏡頭組合(可調為50 mm/80 mm、110 mm/150 mm)。

圖1 Amc5100傾斜航空相機全貌及鏡頭細節

相機內集成Applanix POS AP20慣導系統，具有飛行管理系統控制功能模塊和YDC飛行偏流修正功能模塊。

GSM4000陀螺穩定平臺29 kg的自重，可承載 10 kg～120 kg的航攝儀器，俯仰方向高達8.8°，橫滾方向高達7.0°。

FANS飛行管理系統主機由中科院遙感所自主研發，進行飛行計劃的制定，飛行執行時段的導航管理，航攝儀的曝光控制，后期飛行質量檢查。

3 搭載不同平臺對航空攝影質量影響差異性分析

2016年4月，大連市勘察測繪研究院有限公司采購AMC5100傾斜航空相機。該公司也成為該款傾斜航空相機首位客戶。該公司利用AMC5100傾斜航空相機計劃進行大連市域1.37萬平方千米傾斜航空攝影工作。航飛計劃是大連市核心區域 5 cm分辨率傾斜航空攝影(面積約 300 km2)，建制區 8 cm分辨率傾斜航空攝影(面積約 4 500 km2)，其他區市縣 15 cm分辨率傾斜航空攝影(面積約 9 000 km2)。

由于大連地區特殊的地理位置，攝區機場密度較大，再加上大連國際機場地處主城區，因此航空攝影空域是個不得不面對的問題。

經過多次研究，決定采取雙平臺搭載方案：在大連市核心區域和建制區采用直升機作為航空攝影搭載平臺，其搭載方式為外掛；其他區市縣采用固定翼飛機，其搭載方式為艙內開口搭載。AMC5100掛載直升機與AMC5100掛載固定翼分別如圖2、圖3所示。

圖2 AMC5100掛載直升機(型號：海豚EC155B1)

圖3 AMC5100掛載固定翼(賽斯納208)

直升機搭載其優點能夠有效獲取極其有效的空域資源，其缺點是無法搭載陀螺座架，相機與飛機為硬連接，攝影姿態受直升機姿態影響較大，直升機續航里程短，作業效率低。搭載固定翼艙內，能夠將相機搭載在陀螺座架上，在攝影時能保證航空相機穩定，能夠根據飛行姿態技術對俯仰角、側滾角航偏角進行快速的自動修正，確保航空相機自動保證垂直，保證攝影質量[5]。

為了確保攝影質量，搭載直升機平臺進行航空攝影時，應盡量避開大風天氣，并與飛機駕駛人員及時溝通，當飛機姿態變化太大時，實時中止航空攝影。

4 航空攝影參數相關分析

由于該相機主要用于傾斜攝影，而傾斜攝影質量成果主要特點是大重疊和高分辨率。因此兩個關鍵指標就是像移偏量和曝光間隔。

像移偏量指因飛機地速影響，在曝光瞬間造成的像點位移。在直升機和固定翼這兩種飛行平臺中，前者為硬鏈接，沒有補償裝置，像偏移量較明顯，后者由于配有像移補償裝置，同等條件下，像偏移量較小。

(1)像偏移量影響因素分析

像偏移量主要受分辨率、飛機對地速度、快門速度等幾個因素。主要有依據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》要求，一般像點位移不應大于1個像素，最大不應大于1.5個像素。按照AMC5100參數，其不同分辨率航空攝影像點位移參數如表1所示：

AMC5100航空攝影像點位移參數表 表1

曝光間隔是指兩次曝光的時間間隔。實際上就是相機成像最短時間。AMC5100傾斜航空相機由PhaseOneiXU 1000集成，其中PhaseOneiXU 1000標稱成像時間 0.95 s，AMC5100集成后標稱成像時間 1 s，考慮到影像從成像到向存儲設備有一個傳輸時間，在實際攝影過程中，一般曝光間隔不低于 1.5 s。

(2)飛行地速、分辨率與重疊度分析

在AMC5100傾斜航空攝影中，必須考慮重疊度與飛機地速及曝光間隔直接的關系。表2是AMC5100傾斜航空相機不同地速、不同分辨率下對應的極限旁向重疊度表格。從表格中看出，如果要獲取 3 cm分辨率傾斜攝影，飛行地速90節(166 km/h)，重疊度只能達到73%。按照通常高分辨率傾斜攝影80%重疊度要求，飛行地速67節(124 km/h)。因此當需要高分辨率傾斜航空攝影時，必須考慮飛機平臺，其速度是否能夠滿足要求(低速度)。

不同地速、分辨率對應的航向重疊度 表2

當然，以上計算是基于極限值計算的，在實際生產過程中，必須考慮到設備的可持續工作和可靠性工作。

從計算數據分析，分辨率8 cm以下，這些飛行地速、曝光間隔等對攝影的影響較小，當分辨率優于 5 cm時，應對這些參數進行計算。從我們目前生產經驗看，5 cm分辨率80%重疊度飛行地速100節(180 km/h)，3 cm分辨率80%重疊度飛行地速60節(110 km/h)左右。更高要求的參數必須做進一步的計算分析。

(3)不同分辨率影像效果比較分析

傾斜航空攝影主要目的之一就是利用傾斜航空影像制作實景影像三維模型。實景影像三維模型效果主要取決于攝影分辨率和重疊度，另外，由于在實景影像三維模型制作過程中，其匹配過程有紋理細節損失，因此，如圖4、圖5所示，制作的實景影像三維模型效果往往較原始影像視角效果差一些，這也是當前實景影像三維模型生產過程中需要解決的一個問題。

圖4 AMC5100傾斜航空相機3cm航空攝影原片(左)及影像三維模型(右)比較

圖5 AMC5100傾斜航空相機5 cm航空攝影原片(左)及影像三維模型(右)比較

5 數據成果精度統計分析

AMC5100傾斜航空相機目前成果主要應用實景影像三維模型制作、數字正射影像圖制作以及基于實景影像三維模型進行地形圖采集等。而攝影的下視航片通過抽片，可以通過空三加密，制作立體像對，進行立體采集制作數字線劃圖。

目前，大連市勘察測繪研究院有限公司利用AMC5100傾斜航空相機成果主要制作實景影像三維模型和正射影像。

(1)實景影像三維精度統計

實景影像三維主要統計搭載直升機平臺分辨率為 5 cm、8 cm傾斜攝影制作的實景影像三維成果精度。由于直升機搭載，因此POS數據在解算過程中輔助意義不明顯，空三加密主要依靠像控點解算。

其精度統計如表3所示：

AMC5100傾斜航空攝影實景影像三維模型精度檢測匯總表(金普新區8 cm) 表3

AMC5100傾斜航空攝影正射影像精度檢測匯總表 表4

從表3中可以看出，利用AMC5100傾斜航空攝影制作的實景影像三維模型平面精度是其攝影分辨率的2倍～3倍，高程精度一般在1倍～2倍，高程精度優于平面精度。

(2)數字正射影像精度統計

數字正射影像也主要是搭載直升機平臺分辨率為 5 cm、8 cm下視航空攝影制作。統一制作分辨率 20 cm正射影像，如表4所示。

6 結 語

通過大連地區近三年的航空攝影(攝影面積覆蓋范圍約1.37萬平方千米)，AMC5100傾斜航空相機可靠性較高，根據空域特點，可以搭載不同飛行平臺進行不同分辨率傾斜航空攝影，航空攝影成果完全滿足用于實景影像三維模型制作和數字正射影像制作。

當然，對于AMC5100傾斜航空攝影過程還有一些問題有待進一步驗證和解決，如對建筑物高差大的城區飛高分辨( 3 cm)如何解決飛行漏洞問題、利用下視航片進行立體測圖問題、利用直升機作為搭載平臺如何解決相機和飛機剛性連接等一系列問題，以便于讓AMC5100傾斜航相機更好地服務測繪生產。