唐健林，龍 盈，董文浩，周高攀

(湖南省地質(zhì)測繪院，湖南 衡陽421001)

攝影測量按攝影站的位置可分為航天攝影測量、航空攝影測量、地面攝影測量和水中攝影測量［1］。這里筆者談?wù)摰氖呛娇諗z影測量遙感系統(tǒng)，所使用的面陣相機與線陣相機在數(shù)據(jù)生產(chǎn)工藝上的差異性與優(yōu)劣性，航空攝影測量相機使用的遙感平臺主要是飛行于大氣層內(nèi)的各類飛機、飛艇、熱氣球等。隨著遙感成像技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，航空攝影測量相機經(jīng)歷著從回收型向傳輸型、從模擬向數(shù)字化的轉(zhuǎn)變。

目前在測繪應(yīng)用處理中已經(jīng)大規(guī)模使用適時傳輸?shù)臄?shù)字攝影方式，完全取代了之前的膠片式拍照沖洗的攝影方式，大大縮短了影像獲取周期，使得測繪應(yīng)用方便簡單，為社會建設(shè)事業(yè)作出了巨大的貢獻。

我國現(xiàn)已大量引進Microsoft Vexcel公司的UltraCam系列相機，如UCXP、UCX、UCD、UCLP等，以及Z/I公司的DMC系列相機等國外航空攝影測量相機;國產(chǎn)SWDC航測相機也在大面積投入使用;與此同時，受天氣影響小、地域影響小的低空無人飛行器所載的小數(shù)碼相機(如Canon EOS 100D與Nikon D810等)也在蓬勃興起。由于我國是地形條件比較復(fù)雜的國家，不同省份的海拔高度差異大，植被覆蓋迥異。因此，近年來引進了徠卡的航空攝影測量相機ADS系列，大大減少了外業(yè)像控數(shù)量，讓原本無法實現(xiàn)大比例尺航空攝影測量的地區(qū)也能夠進行立體測繪。

一、面陣相機與線陣相機成像原理

如圖1所示，左圖為線陣相機攝影的模擬圖，右圖為面陣相機攝影的模擬圖。

圖1 航空攝影模擬

其中，面陣相機成像原理以早期的基于8鏡頭面陣CCD數(shù)字航攝儀DMC為代表。在航攝過程中，8個鏡頭中心投影同步曝光(間隔小于10－9s)，4個全色鏡頭分別獲得7000×4000像素的數(shù)字影像，4個多光譜鏡頭獲得3000×2000像素的數(shù)字影像［2］。通過對4個全色鏡頭影像進行幾何檢校、影像匹配，以及相機檢校和光束法空三加密等處理將其虛擬成固定焦距的非嚴(yán)格中心投影的全色影像。以同樣的技術(shù)和方法將4個多光譜鏡頭獲取的影像虛擬拼接與全色的“合成”影像進行融合處理，進而獲得高分辨率的RGB數(shù)據(jù)和彩紅外數(shù)據(jù)［3］。

線陣相機以ADS100為例，其成像原理在于獨特的F4焦闌鏡頭和分光鏡組件使得入射光線以合適的角度和分色光到達焦平面上各自對應(yīng)的不同區(qū)域，其圖像更具有理想的解釋性能。由于ADS100數(shù)字航攝儀采用的CCD傳感器成像器件是前視角(25．6°)、后視角(17．7°)和下視角(43．3°)共13條20 000元件的CCD線陣式排列的多中心投影方式(綠色波段以半個像素的大小交錯排列)，因此，一次飛行就可同時獲取100%重疊的3個彩色波段、3個紅外波段的立體影像，拍攝到的是一整條帶狀無縫隙的影像。

二、常規(guī)作業(yè)流程

面陣相機的影像數(shù)據(jù)一般是采用L3級8 bit影像的原始影像作空三加密，這里筆者以UCXP(11 310×17 310)和DMC(7680×13 824)為典型代表;而線陣相機采用L0級或L1級16 bit影像處理空三，這里筆者以ADS100(20 000×N，N為SAMPLES，與飛行千米數(shù)有關(guān))相機為例。如圖2、圖3所示。

圖2 面陣相機作業(yè)流程

圖3 線陣相機作業(yè)流程

三、數(shù)據(jù)生產(chǎn)工藝的特點

1．面陣相機數(shù)據(jù)生產(chǎn)工藝的特點

面陣相機的影像數(shù)據(jù)大多由4塊或4塊以上CCD互成一定角度拍攝，子影像經(jīng)過輻射校正與幾何糾正拼接生成虛擬中心投影的影像。數(shù)據(jù)一般可以實時傳輸。

面陣相機的影像空三加密是非常復(fù)雜繁瑣的工序，特殊地形需要人工大量干預(yù)，數(shù)目眾多的控制點轉(zhuǎn)刺與管理，給作業(yè)員工作帶來許多不便。特別是時間久遠的像控資料，轉(zhuǎn)刺過程要求作業(yè)員具備足夠的判讀經(jīng)驗，而且所花費的時間較多。尤其是低空無人飛行器搭載小數(shù)碼相機的數(shù)據(jù)，在設(shè)計像控點時由于基線短、姿態(tài)差，為了保證控制達到設(shè)計精度，像控點布設(shè)數(shù)量較多，外業(yè)工作量巨大。

面陣相機數(shù)據(jù)空三加密過程中，每一張影像都必須匹配到足夠的連接點來保證像點網(wǎng)穩(wěn)固，從而有效利用地面控制點來進行平差計算，解算出每張像片精確的6個外方位元素，才能保證后續(xù)數(shù)字產(chǎn)品得以正常生產(chǎn)。加密成果輸出后，在數(shù)字產(chǎn)品DLG、DEM和DOM生產(chǎn)過程中，作業(yè)員就會發(fā)現(xiàn)像對切換相當(dāng)頻繁，鑲嵌接縫線編輯次數(shù)多。面陣相機所拍攝的影像數(shù)據(jù)色彩差異大，對后期勻光勻色的制作工藝考驗也很大，處理不當(dāng)，極易出現(xiàn)廢片的情況。

2．線陣相機數(shù)據(jù)生產(chǎn)工藝的特點

線陣相機數(shù)據(jù)能夠同時獲取立體影像和彩色多光譜影像，它采用線陣列推掃成像原理，能夠同時提供3個全色與4個多光譜波段的數(shù)字影像。該相機全色波段的前視、下視和后視影像可以構(gòu)成3個立體像對。彩色成像部分由R、G、B和近紅外4個波段組成，經(jīng)過融合處理獲得真彩色影像和彩紅外多光譜影像。載荷越多，數(shù)據(jù)存儲所需要的硬件空間越多，相機附帶設(shè)備性能要求越高。

線陣相機的數(shù)據(jù)一條航帶一般是一個視角或多個視角的數(shù)據(jù)?？杖用苄枰刂栖浖鏛eica Xpro。普通軟件由于格式解析等多種原因可能不能滿足該數(shù)據(jù)的空三加密。

一般人們普遍認為采用綠色波段L0級數(shù)據(jù)使用Leica XPro系列軟件自動匹配或人工轉(zhuǎn)刺少量標(biāo)準(zhǔn)點位的點，同時量測少量的地面控制點，并調(diào)用Orima平差來進行空三加密的這種模式是精度最高、最可靠的。國內(nèi)也有使用XPro解析出來的L1級數(shù)據(jù)進行空三加密的，如俄羅斯Racurs公司的PhotoMod，國內(nèi)常見的四維空間的PixelGrid和武漢大學(xué)的DPGrid都能勝任。加密成果輸出后，后期制作DEM、DLG和DOM的步驟相對簡易些，像對切換次數(shù)少，鑲嵌編輯容易。由于該類型的相機具備先進的層疊光束分離技術(shù)，數(shù)據(jù)色彩效果相對比較均一，后期勻光勻色技術(shù)難度不大。

四、差異性與優(yōu)劣性

面陣相機數(shù)據(jù)與線陣相機數(shù)據(jù)的特點重點可以歸納為7點，見表1。

表1 兩種相機優(yōu)劣對比

1．不同Level的原始影像

面陣相機數(shù)據(jù)比較典型的特點是空三加密的原始影像一般可以供后期的處理使用。而線陣相機的數(shù)據(jù)空三加密的原始影像(L0級)是不能供后期使用的，至少需要作一定的處理后輸出為L1級數(shù)據(jù)。面陣相機的數(shù)據(jù)量相對不是很集中，因此數(shù)據(jù)量要小。而線陣相機的數(shù)據(jù)根據(jù)飛行的千米數(shù)增加數(shù)據(jù)量劇增，對處理設(shè)備有很大的硬性要求。不僅要有海量的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，還要有穩(wěn)定的機器性能，最為重要的是還要有相對比較好的單機處理能力。

2．空中三角加密成果坐標(biāo)系

兩種相機生產(chǎn)出來的數(shù)據(jù)還有一個比較典型的特點，即線陣相機數(shù)據(jù)空三加密出來的成果是WGS-84-UTM投影成果，并非我國常用的1980西安坐標(biāo)系或CGCS2000坐標(biāo)系橢球的Gauss投影成果，需要在前期或后期進行投影變換。在武漢航天遠景的MapMatrix軟件中進行投影變換后，生產(chǎn)流程就與面陣相機數(shù)據(jù)生產(chǎn)沒有差異。雖然程序編寫與處理難度大，但是與面陣相機一致的作業(yè)界面使得作業(yè)員沒有很大的感覺。

3．空中三角加密與外業(yè)像控

我國是地形比較復(fù)雜的亞洲國家，有許多省份屬于多丘多山的地形。自然村落與經(jīng)濟作物地大多分散分布在茫茫大山中，常規(guī)面陣相機攝影的數(shù)據(jù)很難滿足山地復(fù)雜地形。一方面，外業(yè)像控基線長度很難滿足大比例尺國標(biāo)要求;另一方面，植被覆蓋茂密，對空三轉(zhuǎn)點也增加了難度，使得作業(yè)周期變長。但是對于線陣相機數(shù)據(jù)來說，由于其獨特的數(shù)據(jù)源和特殊的制作工藝，這些問題可以很大程度上避免。因為有精密的慣導(dǎo)系統(tǒng)，使得它即使在無控或少數(shù)幾個像控點的條件下，仍然能滿足小比例尺成圖的內(nèi)業(yè)作業(yè)要求;如果有分布足夠的像控點就能滿足大比例尺的內(nèi)業(yè)作業(yè)要求。

4．投影變形的差異性

數(shù)字航空線陣相機獲取的推掃式條帶影像的變形更小且方向一致，更適合于立體測圖和制作影像圖。采用下視影像制作正射影像圖效果最佳。

數(shù)字航空面陣相機采用多鏡頭的共中心或虛擬中心投影方式成像，投影變形更加復(fù)雜。鑲嵌后的影像投影變形無規(guī)律。

5．基高比差異性

ADS100同時獲取3個角度100%重疊的連續(xù)影像，最大基高比為0．8，可滿足立體測圖對高程量測的精度要求。

DMC相機獲取的影像在足夠的航向重疊的前提下，基高比最大可以達到0．35［3］，可以滿足立體測圖要求。但是相對于ADS100相機的基高比來說，DMC相機的數(shù)據(jù)高程精度相對比ADS100差些。

6．立體環(huán)境視覺舒適度

ADS100數(shù)據(jù)在實際生產(chǎn)過程中，為了交會出比較好的高程精度，一般情況下采用前視和后視去恢復(fù)立體環(huán)境，因此視場很大，立體環(huán)境高程拉伸明顯，作業(yè)員長時間采集會有眼睛不適的感覺。相對于面陣相機數(shù)據(jù)，恢復(fù)的立體環(huán)境要舒適很多。

7．快速反應(yīng)能力與便攜性

由于面陣相機航攝成本要比線陣相機的成本相對低很多，因此，我國還沒有大面積使用線陣相機去進行航空攝影。特別是無人飛行器低空飛行拍攝對天氣要求不高，相對線陣相機有天然的優(yōu)勢，其具備快速反應(yīng)、快速飛行、快速處理等典型特點。線陣相機一般在110～120 kg之間，相對比較笨重和昂貴，很少應(yīng)用于小型飛行器。

五、測繪案例

根據(jù)《湖南省不動產(chǎn)統(tǒng)一登記基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)項目任務(wù)書》的規(guī)定，如圖4所示，湖南省不動產(chǎn)統(tǒng)一登記基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)安化測區(qū)面積約為2 778．4 km2。任務(wù)區(qū)內(nèi)共包含113個點位，點位分布均勻。攝區(qū)內(nèi)植被茂密，地形相對高差1565 m，有較大型山脈29支，海拔1000 m以上的山峰157座，屬典型的山區(qū)縣。如果使用面陣航攝儀，要滿足地面分辨率為0．2 m且航攝要求滿足規(guī)范［4-5］要求，航飛攝區(qū)劃分會很小，每架次航攝利用率很低，浪費航飛窗口(山區(qū)晴朗無云、少云的時間很少)。另外，由于攝區(qū)內(nèi)高山林立，植被茂密，導(dǎo)致空三轉(zhuǎn)點成功率下降，外業(yè)像控布設(shè)困難重重。因此航線跨度可以達到幾十千米甚至上百千米的線陣ADS航攝儀，就可以大大避免這些問題。該測區(qū)為線陣推掃式航攝儀ADS100獲取影像，包含41條航線，航帶平均跨度為58 km，外業(yè)像控點跨度最低9 km，最高23 km。且航向重疊能達到100%，旁向重疊一般40%～80%。與此同時線陣相機數(shù)據(jù)空三轉(zhuǎn)點不需要很多連接點，項目最終通過外業(yè)散點檢查。查閱相關(guān)文獻，測區(qū)加密精度［6］仍然能達到規(guī)范要求。后期流程制作過程中，由于數(shù)據(jù)量巨大，航測工作站存儲設(shè)備容量增大4～5倍。

圖4 安化測區(qū)

如圖5所示，湖南省不動產(chǎn)統(tǒng)一登記基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)雙牌測區(qū)面積約為2 340．3 km2。該攝區(qū)以山地為主，丘陵、崗地兼?zhèn)?，森林覆蓋達到80%左右。由于植被相對比較低矮，像控布設(shè)難度相對容易，航線跨度相對較小。故該攝區(qū)采用框幅式航攝儀，共包含有N1—N19共19條航線，1000多張“神鷹”相機(UC-Eagle)所拍攝的影像，航帶平均跨度為52 km，外業(yè)像控點跨度最低4 km，最高15 km?？杖用苓^程中采用“GPS+控制點”的平差模式［7］，測區(qū)加密精度經(jīng)過外業(yè)散點檢核合格。后期流程制作過程中，相對切換多，鑲嵌編輯量等缺點很明顯。

六、結(jié)束語

我國的測繪事業(yè)實現(xiàn)了從傳統(tǒng)復(fù)雜工藝到目前與時俱進的快速制作工藝的重大轉(zhuǎn)變。在實際測繪應(yīng)用中，需使用最合適的方式去完成測繪項目，為國家建設(shè)作出自己的貢獻。不管是面陣相機還是線陣相機，都有自己的優(yōu)勢和缺點，因此要根據(jù)實際情況選擇合適的攝影方式和制作工藝。

圖5 雙牌測區(qū)

［1］ 方子巖，唐健林，董向勇，等．?dāng)z影測量學(xué)［M］．武漢:長江出版社，2012．

［2］ 王佩軍，徐亞明．?dāng)z影測量學(xué)(測繪工程專業(yè))［M］．2版．武漢:武漢大學(xué)出版社，2010．

［3］ 趙桂華．大面陣CCD數(shù)字航空相機影像預(yù)處理技術(shù)與研究［D］．鄭州:信息工程大學(xué)，2012．

［4］ 國家測繪局．1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范:GB/T 7930—2008［S］．南京:鳳凰出版社，2008．

［5］ 國家測繪局．?dāng)?shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范:GB/T 23236—2009［S］．北 京:中 國 標(biāo) 準(zhǔn) 出 版社，2009．

［6］ 王江，武吉軍．徠卡ADS80數(shù)字航空相機空三精度分析［J］．測繪與空間地理位置，2011(5):231-233．

［7］ 袁修孝．GPS輔助空中三角測量及其質(zhì)量控制［M］．北京:測繪出版社，2001．