傾斜數字航空攝影標準編制關鍵問題研究

李觀石，徐建剛，蔡 勇

（江蘇省測繪研究所，江蘇南京 210013）

0 引言

當前傾斜數字航空攝影技術應用越來越廣泛，通過在飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、側視等不同的角度采集影像，有效彌補了傳統航空攝影的不足。國內外已在地形測繪、實景建模、應急救災等方面應用該技術，谷歌地球已應用該技術建立了全球上百個城市三維模型。國內已經有多家單位研制成功傾斜數字航空攝影儀，并應用該技術進行了傾斜數字航空攝影，利用其數據成果在三維快速建模等方面推廣應用，取得了初步成功［1］。

傾斜數字航空攝影標準是當前在研標準［2］。目前測繪行業標準《傾斜數字攝影技術規程》（CH/T 3021—2018）已于2018年8月份通過國家標準化管理委員會評審，并于2019年1月1日正式實施。該標準主要研究的對象是常規大飛機的攝影平臺，目前應用更為廣泛的無人機等輕小型飛行平臺沒有納入考慮范圍，造成應用范圍有所局限，因此，在未來的國家標準中，為了納入更多的傾斜航空攝影行為，有必要在標準中考慮無人機、直升機、飛艇等輕小型飛行平臺進行的傾斜攝影。

1 研究內容

本文根據當前市場需求和技術發展，兼顧大飛機飛行平臺和無人機等輕小型飛行平臺的傾斜航空攝影需求，注重技術發展前瞻性和可操作性。標準文本在航飛設計與計劃、航攝質量控制、成果質量檢查等方面根據傾斜航空攝影的特點進行規范，同時注重輕小型飛行平臺、傾斜數字航攝儀的技術前瞻性。認真分析傾斜數字航空攝影的實際情況和技術熱點，將新的技術指標納入規范內容，摒棄落后的技術方法等。本文主要論述了采用傾斜數字航攝儀進行航空攝影的基本要求、航攝計劃與設計、航攝實施、成果質量檢查、成果整理、成果驗收和資料移交等內容。

本文所指的傾斜數字航空攝影是基于采用傾斜數字航攝儀生產基礎測繪產品和實景三維數字產品等的航空攝影工作。其他應用例如考古、應急測繪、影視攝影等領域的傾斜攝影工作由于時間、空間、用途的特殊性，本文內容僅可作為參考。

2 關鍵問題

2.1 傾斜數字航攝儀的定義

傾斜航攝儀種類繁多，標準編制時不能涵蓋所有類型的傾斜航攝儀，因此需要界定合理的范圍，既能引領行業的健康發展，又能鼓勵技術創新。傾斜航攝儀的概念范圍一方面要廣泛開展市場調研，摸清當前航攝儀技術發展現狀，另一方面要征求行業專家的意見，最終形成合理的定義。

目前，市場上的傾斜數字攝影儀，單鏡頭、雙鏡頭、三鏡頭、五鏡頭相機甚至擺動式相機等都有應用，尤其在傾斜攝影儀發展初期，單鏡頭和雙鏡頭攝影儀在三維建模方面都展開了一定的實驗和應用。當前五鏡頭相機已經成為主流，不僅提高了攝影效率，還適應了市場需求。各相機廠家和研究機構都推出了各自的主要產品，并隨著市場的發展不斷地推陳出新。因此，本文根據技術發展現狀，對相機提出了相應的約束條件，即從事傾斜攝影需多鏡頭相機且具備垂直鏡頭，從而更好地指導傾斜攝影技術行為，規范產品成果，引導傾斜航空攝影的技術發展。

2.2 傾斜數字航攝儀性能基本要求

傾斜數字航攝儀的基本性能應滿足以下要求：（1）各相機的內方位元素可精確測定或相機畸變參數可精確測定。（2）各相機影像分辨率不低于2 000萬像素。（3）帶有曝光信號反饋裝置，能穩定輸出和記錄曝光脈沖。（4）各相機之間的相對位置和姿態關系剛性穩定。（5）各相機曝光時間差不大于120 ms。（6）傾斜影像的中心點地面分辨率不宜低于垂直影像的中心點地面分辨率。

行業標準《傾斜數字航空攝影技術規程》規定各相機的內方位元素可精確測定［3］，目前有的無人機攜帶的輕型傾斜數字航攝儀不直接提供內方位元素的測定值，而是在后期數據處理時經軟件自動標定和糾正。通過后期軟件標定和糾正的方法也是目前通常采用的方法，也可生產出符合質量要求的傾斜數字影像產品。

規定傾斜影像的中心點地面分辨率不低于垂直影像中心點地面分辨率的目的是為了防止傾斜影像分辨率過低造成三維模型紋理模糊的情況。如果各相機影像分辨率相同，由于傾斜相機的攝影距離較垂直相機更遠，勢必造成傾斜影像的中心點地面分辨率低于垂直影像中心點地面分辨率。

行業標準對傾斜數字航攝儀性能基本要求也有相關要求［3］，經過實踐和研究，還需增加各相機曝光時間能夠同步條件設定。如果各相機曝光時間不同步，即使物理上各相機相對位置和姿態保持剛性穩定，其瞬時成像中心也會因曝光時間不同步而不一致。另外，還要增加同步時間的限制，提高標準的可執行性。根據測試檢驗和專家論證，各相機的同步時間差不應超過120 ms。

2.3 IMU/GNSS系統要求

機載IMU/GNSS系統應滿足GB/T 27919—2011的相應規定［4］。大范圍航攝時，IMU的數據記錄頻率不宜小于200 Hz。無人機航攝可配置PPK，小范圍作業也可使用RTK。

傳統數字航攝對IMU/GNSS采樣頻率的基本要求是64 Hz［4］，該要求相較于目前的實際航飛要求顯然是偏低的，對于目前由于無人機傾斜攝影的興起，給行業一種錯覺，就是傾斜攝影對POS的精度要求很低，甚至不需要POS數據，這對于面向城市級建模所采用的大范圍航攝而言，顯然是不對的，對于城市級建模所采用的后處理軟件，在空三環節，效率是個關鍵問題，以三維模型處理軟件ContextCapture V4.4為例，在沒有高精度POS的情況下，一個空三工程的影像加載量大約為10 000張影像，在有高精度POS的情況下，可以擴大到30 000張；其次單次空三的成功率會因為存在高精度POS的情況而提高。因此需要提高POS精度，尤其是IMU的原始采樣率，至少為200 Hz。

2.4 影像重疊度的設計

根據實驗結果發現，在較高重疊度情形下，三維模型效果最好，建筑物的屋脊線很直，模型效果與原始影像接近；而當重疊度變小時，建筑物的模型效果較差，波浪形較多。此外，重疊度的設計也不是越高越好，影像重疊度與影像數據量密切相關。影像重疊度越高，相同區域數據量就越大，數據處理的效率就越低。相關學者也在研究中指出，對于三維建模項目，大中城市航線重疊不低于70%，旁向重疊60%～80%，最低不低于40%［5］。

結合實驗分析，相較于傳統航空攝影測量，傾斜航空攝影測量在重疊度設計上有一定的區別，可遵循以下原則：（1）航向重疊度一般不低于60%。在陡峭山區、高層建筑密集區，航向重疊度設計為70%～80%。（2）垂直影像旁向重疊度一般應設計為40%～80%，最低不低于30%。（3）當滿足垂直影像重疊度后，傾斜影像的航向、旁向重疊度可不再重新設計。

一般而言，重疊度不低于60%能夠滿足三維建模。為了防止產生三維模型漏洞，高層建筑物密集區域可以進行特殊設計，加大航向重疊到80%甚至更高。

2.5 成果影像編號

影像編號由16位阿拉伯數字構成，采用以航線為單位的流水編號，影像編號自左至右第1～5位為攝區代號，第6～7位為分區號，第8～10位為航線號，第11～12位為相機號，第13～16位為影像流水號，具體如圖1所示。

圖1 影像編號

傳統的影像編號方式是自西向東為編號增長方向，但在傾斜航空攝影時間操作過程中，影像數量明顯增加，該方法大大增加了后期數據整理的工作量。因此，應該適應當前主流作業習慣，修改傳統的影像編號方式，以減少影像整理的工作量，便于更好的技術推廣，應以飛行平臺飛行方向為編號的增長方向。

2.6 航攝質量控制

2.6.1 相片傾斜角

傳統航空攝影垂直影像傾斜角一般不應大于3°，最大不應大于6°。《低空數字航空攝影》標準規定傾斜角一般不應大于5°，最大不應大于12°［6］，傾斜數字航空攝影的指標在框幅式數字航空攝影技術規范的基礎上進行了放寬，又根據測試和檢驗，規定垂直影像傾斜角一般不應大于6°，最大不應大于10°主要原因有以下幾點：

（1）傾斜數字航攝儀由多個相機組合而成，同一目標物的觀測光線較多，傾斜角放寬不影響后續的數據處理。

（2）目前的傾斜攝影相較于傳統垂直攝影，飛行平臺多樣化，不僅包括常規大飛機，還包括旋翼無人機等輕小型飛行平臺，這類平臺相較于固定翼大飛機在水平姿態上更難把控。

（3）目前傾斜攝影相比于傳統垂直攝影，飛行的影像分辨率開始變得更小，5 cm甚至更小，導致飛行航高較低，在低空下亂流較大，飛機把控姿態的能力變差，目前雖然在設備上大部分都使用了穩定平臺，但是目前的穩定平臺補償范圍都較小，是按照傳統垂直攝影設計的，因此對于目前的傾斜低空攝影，補償能力有限。

2.6.2 相片旋偏角

垂直相片旋偏角一般不應大于25°。在確保相片航向和旁向重疊度滿足要求的前提下最大不應大于35°。該項指標在框幅式數字航空攝影技術規范的基礎上進行了放寬，主要原因是傾斜數字航攝儀由多個相機組合且重疊度指標較高，同一目標物的觀測光線較多，不影響后續的數據處理。

2.6.3 航高保持

目前，無人機技術發展迅速，飛行平臺的穩定性不斷提高，一般飛行高度都能控制在誤差5 m以內。一般規定，同一航線上相鄰相片的航高差一般不應大于30 m；最大航高與最小航高之差一般不應大于50 m。實際航高與設計航高之差不應大于50 m。

2.7 攝區、分區覆蓋要求

攝區、分區航向和旁向覆蓋應超出分區邊界線一定的基線數，用公式（1）計算：

式中：N為理論超出值，單位為條；θ為傾斜相機角度，單位為度；β為傾斜相機視場角，單位為度；P為航向或旁向重疊度。

在實際飛行中，由于大氣等各因素的影響，航向或旁向覆蓋超出邊界線的實際值一般按公式（2）和公式（3）計算：

式中：N基為基線數；N航為航線數。

2.8 其他問題

傾斜數字航空攝影可看做常規數字航空攝影的一種特殊情況，其工作內容和流程有一定程度上的相似，包括成果質量檢查、成果整理、成果驗收和資料移交等方面［7］，本文可參考執行，并根據傾斜攝影的特殊情況進行細化和調整。

3 結語

隨著傾斜數字航空攝影技術應用越來越廣泛，更廣泛的標準的編制工作顯得更加迫切。新標準的編制，應充分考慮傾斜數字航空攝影飛行平臺、攝影儀的技術水平，注重內容的科學性和實用性，并且和相關標準協調。標準的編制應對傾斜數字航空攝影測量市場進行充分調研，面向全國多方征集各方面的意見和建議，認真分析收集到的建議，充分考慮該行業健康發展及鼓勵新技術的創新后，進行歸納分析，妥善處理與相關法律法規、國家標準、測繪地理信息行業標準之間的關系，將標準內容進一步論證、補充和完善。