航空数码摄影系统的应用与展望
发布时间：2017-09-01
目前,我国国民经济飞速发展,国家基本建设日新月异,如何最快最准确地获取、更新基础数据一直是大家长期关注的问题。传统的测绘方式动用大量的人力、物力、财力,但获取数据的效率并不高。20世纪90年代以来,一系列的技术变革:数字化采集和编汇代替了手工绘图;GPS的使用简化了控制测量工作;简单、轻便的数字测图仪器淘汰了笨重昂贵的光学仪器等使数据获取工作的效率和质量得到了提高。但是这些手段已不能满足国家建设发展的需要。
2002年10月初,世界上第一套装备有高分辨率彩色数码相机(4 096像素@4 096像素)、超光谱成形相机和激光扫描测高计的航空数码摄影系统问世。美国航空遥感协会激光雷达委员会主席Martin Flood先生高度评价这一成果,他认为这项技术的应用将对未来激光雷达数据的处理和GIS的应用产生划时代的影响。该系统配备着当今世界上最高分辨率的彩色数码相机(已进入商业领域)和超光谱成形相机,同时集惯性测量仪IMU和全球定位装置GPS于一身,当飞机机载该系统飞越地球表面时,能在获取图像及数码数据的同时,计算出传感器的精确位置和方向,给出数字高程图DEM。航测专业的传统工序将发生重大变化,光学航空摄影、胶卷相片的冲洗晒印、地面GPS数据人工测量、航片的扫瞄加密及立体测图将被取代和简化,获取数据的速率和精度大大提高,数据的应用范围更加广泛。
本文针对航空数码摄影系统中数码相机和激光雷达系统的基本情况作一简要介绍,供大家参考。
1 系统组成
数码相机系统:
①高分辨率全数码彩色红外照相机。
②GPS定位装置。
③IMU惯性测量仪。
激光雷达系统:
①脉冲式激光扫描测高仪。
②GPS定位装置。
③IMU惯性测量仪。
④高分辨率全数码彩色红外照相机。
⑤超光谱成形相机。
2 技术参数
航空数码照相机技术参数(以3S-1数码相机系统为例)。
照相机指标:4 096像素@4 096像素(1 664万像素),8比特全色。
快门速度:1/4 000 s-1/5 000 s。
拍摄速度:4~20幅彩色照片/s。
记录速度:每幅小于2.2 s。
照相机视场50 mm镜头:固定45b。
镜头校准:小于1个像素。
照相机视场90 mm镜头:固定30b。
镜头校准:小于0.5 RMSE全视场。
最小基本方案像素尺寸:15 cm。
最大基本方案像素尺寸:无上限(由地平面决定)。
影像正射精确度优于:30 cm。
空间分辨率优于:15 cm(3 000 m高度)。
重量:25 kg。
机载激光雷达系统技术参数(以RAMS系统为例):
激光器飞行高度:最大高度海拔3 200 m。
激光器扫描宽度:最大宽度2 200 m。
激光器扫描视场:最大视角45b。
扫描频率:0~35 Hz(由视场决定)。
垂直精度:小于5 cm绝对RMSE。
水平精度:小于15 cm绝对RMSE。
多次回波记录:1~5次。
高频率激光扫描:15 000~50 000次/s。
30 kg的重量非常适合装载在超轻型飞机和小型直升飞机上作业。
3 系统使用(以RAMS系统为例)
飞行员在起飞之前激活自动任务管理系统。在飞行中,飞行员只需简单的操纵,飞机就可按预定的航线飞行。装在直升飞机或小型飞机上的航空数码相机和激雷达系统对测区进行航空摄影和激光扫描时,由全球定位系统GPS确定传感器的空间位置(经纬度),惯性测量器IMU内的陀螺制导仪和加速度计测量飞机的转弯、摆动、上升和下俯数据(外方位元素)。当飞机以240 km/h的航速、1 000 m的高度飞行时,航拍宽度和激光扫描宽度为2 100 m,本系统的高速快门可拍到分辨率为15 cm且无阴影的影像。由于系统的几个部分同步工作并集成于一体,使得融合GPS、IMU、数码相机和激光测高计的雷达数据极为方便,它们被分别储存到高速计算机的硬盘上或DVD、CD中,然后输入到摄影制图软件中,经过处理后获得二维正射立体图像和三维数字模型,同时进行数据分析和处理,生成等高图和建立数据库。整个作业过程全自动操作,在飞机降落数小时后即可完成海量数据的处理。这些影像和数据成果可以刻录、打印和上网发布。
以上作业过程的特点是:
(1)计算机自动控制相机的工作。所有传感器都已经过校正处理,数据经过几何修正可靠正确。
(2)有一个稳定的航空测绘平台。惯性导航系统IMU和动态GPS保障航摄质量,不需精确确定曝光时相机的高度和位置。
(3)在航空摄影作业飞行时地面要设4~6个GPS点作参考、检查用。
(4)系统的计算机自动对航摄获得的影像资料及相机参数、动态GPS参数、IMU参数、雷达参数进行处理,用数字高程模型DEM进行快速自动校正拼接计算。
4 IMU和GPS的工作原理
航空数码影像系统的高精度性能来自GPS和IMU的空中精确测量。相互独立的数码图像和相机定位/位置数据信息集可以在曝光时精确确定数码相机的角度(俯仰角、坡度、偏航角)和位置(X、Y、Z)。
在数码航空摄影飞行的过程中,持续地获得飞机位置和角度(偏离相机主轴方向的角度)是很重要的。惯性测量器IMU和全球定位系统GPS能提供这种功能。
(1)IMU在工作中有6个输出量,分别来自于3个加速度测量仪和3个陀螺测量仪,加速度测量仪分别描述出在X、Y、Z轴上的速度变化,而陀螺仪分别测量X、Y、Z轴方向上的偏转度。IMU具有很高的精确度,但长时间的持续测量会使精确度有所变化。超过1个小时后,在一个方向上的描点能力将漂移几度,但可按照一定的处理流程运用运动GPS数据进行误差的弥补。IMU的测量目的是在GPS的配合下创建空中摄影拼接数据,提供摄影测量数学模型信息。这就需要在任何时刻及时进行6个方位的轨道计算,使飞机状态始终在IMU的监控之中。至于通过相机位置确定机载导航传感器的具体参数值,只需及时找出快门打开的时刻,并计算出高度即可。
(2)惯性测量器IMU和全球定位系统GPS的空中测量过程是:利用飞机携载GPS与GPS同步得到的数据进行运动GPS解决方案的计算,计算结果提供米级的GPS观测位置。运动数据与IMU数据再经过Kalman过滤处理。Kalman过滤处理以100 Hz的频率将精确的GPS(每秒钟1个有效数据)位置数据与IMU数据有效的综合,最终结果每秒钟校正一次。综合的运动GPS和IMU数据以100 Hz频率输出精确高度和位置数据。此输出过程相当于传统的航空摄影人工测量,只是用相机模型单独执行。此过程产生的相机位置与高度数据生成一个CPA文件。
(3)在初始化处理步骤对所有传感器的不规则数据进行纠正后,图像、相机模型、CPA文件与数字高程模型DEM要结合在一起,以计算调整后的测量数据;最终结果是产生正射校正图像,发送到用户。
以上过程与传统的解决方案相比具有以下优越性:
传统航空摄影需要实地测量、手工与图像测绘,导致费用过高。数码航摄飞行的数字处理过程则省去这些繁琐的工作,数字处理的高度自动化促使了低成本产品的出现。
5 系统优势
5.1 数码相机系统的优势
(1)图像质量
在模拟相机中正确曝光参数(光圈和快门速度)的获得是困难的,因此质量的优劣取决于胶片的处理过程。数码相机系统显示实时影像资料,允许操作者调整飞行时的变化,保证高质量摄影。
(2)简化置换
数码照相机能产生满意的图像,相比传统的广角镜头变形很小。这是由于减轻位移的重大改进起到很重要的作用。特别可对局部影像抽取出来单独进行编辑处理。RAMS系统中的3S-1照相机有2个镜头可供选择。50 mm镜头是基于高度比率的0.72,胜任像素排列36 mm和透镜焦距50 mm,近似于传统的30 cm焦距系统。90 mm镜头是基于高度比率的0.40,等于像素排列36 mm和透镜焦距90 mm,大约相当60 cm焦距系统。标准的15 cm焦距航空摄影机内部是基于高度比率的1.5,等于胶卷压盘23 cm和焦距透镜15 cm。一次摄影能同时产生全色、真彩色、近红外等多种影像产品,充分满足客户的需求。
(3)改进的辐射线测定
传统的胶卷照相机经常遭遇辐射线问题。日光或危险地段的玷污导致了可用影像面积的减少。而3S-1数码相机比较长的焦距系统减少了影像畸形影响,因而可提供更多详细的信息。同时将遗弃传统的暗室光学处理,自动避开以往常用的利用60%航向重叠和30%旁向重叠的拼接处理,得到和谐和拼接正确的高质量影像。
(4)能够修改图像的缺陷
对于传统照相机,胶卷曝光后,是没有办法再校对的。如果阴影存在或图像模糊,许多区域内的一些要点无法观看。数码相机能够妥当地消除这些问题。使用3S-1数码相机系统能够提供大量的动态影像,传统的胶片无法比拟,大大提高了航摄像片的使用率。
(5)高精确度、无接缝、节省作业工序
数码航摄瞬间由GPS和IMU配合同步测量,随时计算相机的空间位置和高度,不用地面测量、航片扫描和空三加密纠正即可产生正射影像。所获得的摄影影像无接缝、精确度高、清晰度高,可在CAD等制图软件中使用。数码影像的文件格式为.TIF,中心投影,适用于JX-4等所有测图仪器作业。数码影像的每个像素点都可视为测图定向点,四角像元可作为框标。用数码航片测图,清晰、艳丽的影像,能大大丰富采集的内容,使外业调绘的大部分工作都可在采集中完成,省时、省力地获得高质量的采集成果。
(6)全自动及低成本
数码航摄系统对数据的采集过程全自动运行,抛开了传统摄影测绘工作中许多昂贵的、费时费力的和棘手的步骤,使得成本大为降低,工作时间大量缩短。数码系统数据采集和处理的速度,比感光胶片照相至少快5倍。某单位用DMC数码相机航摄,以2000张像片为例,工期减少3个月,费用节省15万元。
5.2 激光雷达系统的优势
激光雷达的基本工作原理是:从飞机上发射的激光束入射到地面后,被反射回到飞机。精确地测定激光由发射到返回的时间,乘以光速,即可得出地面的高度。工作过程是:脉冲式激光测高仪沿着航线扫描条状地表目标。数据采集和相机控制子系统记录带有时间标记的激光扫描范围、扫描角度、机载设备平台的滚转量、俯仰角和航向变化量,以及照相机在NADIR(天底点)的位置。数据采集和控制子系统的处理软件,采用由时间点确定目标X、Y、Z坐标值的办法,将所有的操作和测量的结果相互关联起来,由此产生:具有每物体的精确位置、高度和内部构造的立体彩色可视图(即/真正的0三维数字高程模型)。航空激光雷达系统的作业特点是:彻底抛开了传统的航测遥感作业程序,一次飞行所获得的海量雷达数据可为用户提供远远超出传统方法所能提供的数据和应用,特别是用户坐在计算机旁用鼠标在具有XYZ坐标的三维数字模型上可直接进行外业基础测量(距离、高程、长度、面积等)和三维地形图的制作。还可以进行房建、线路、管道、铁路、公路、桥梁等基建项目的设计和规划,水平度在15 cm以下,垂直精度在5 cm以下,有一款小雷达的扫描精度可达到25 mm。这个结果意味着测绘行业的又一次重大技术革命,通过一次飞行就获得了低成本、快速、高质量的基础数据。提供资料的快捷性是目前其他手段无法比拟的,能最快最好地满足各领域对数据的需求。
6 应用领域
本系统以其绝对的技术优势广泛应用于数字城市建设,数字铁路、地理测绘,抗洪救灾,数字交通,数字森林,数字安全防范,反恐怖突发事件应对、海洋管理与开发、行政区域界定、土地规划变更和统计、沙尘暴监测、环保监测、海洋监测、地震监测、森林火灾监控、石油勘探开发、农业规划等领域。
数字交通:可使指挥者如同亲临现场指挥和处理所有事情。查询空间信息,如某个加油站的坐标位置;查询时间信息,某辆车某一时刻处于什么位置及某时间某地的车流量等;查询沿路环境、居民分布情况、路面质量等属性方面的信息;几何空间的拓扑查询,如与某立交桥相连的有哪些公路,哪些建筑物等。
安全防范:航空数码摄影系统的第一代产品曾成功应用于2000年悉尼奥运会的管理和安全保卫,布置警察部队,控制出事地点,进行模拟防御。
测绘部门:地理、地形测绘。低成本,高准确度,高效率完成测绘任务。
海洋管理与开发:监视赤潮,预防赤潮的发生发展;监视鱼汛,合理捕捞;海洋石油天然气勘探开发;极地考察;为保卫祖国海疆服务。
地质学领域:岩矿识别、矿物丰度制图以及找矿勘察是主要方向。
农业领域:建立农田土地管理、自然条件(土壤、地形、地貌、水分条件)、作物产量的空间分布等的数据库,并对作物苗情、病虫害、墒情的发生发展趋势进行模拟分析,并利用计算机作物生产管理辅助决策支持系统对生产过程进行调控,合理进行耕作措施,以达到对本区域内农田资源潜力的均衡利用和获取尽可能高的产量。
旅游和野外考察方面:如旅游交通管理,对原始大森林、雪山峡谷或大沙漠等地形艰难复杂地区进行考察。
考古研究领域:水下考古、地下无损探测、古地理环境反演。
(1)加速铁路勘测设计施工一体化的实现
用数码相机航片制作新线勘测设计地形图和既有线铁路地形图,能大大提高制图质量,缩短制图时间。用航摄数码影像可直接测图、调绘、编辑。不需摄影处理、外业GPS测量、扫描、加密。航空摄影时在测区只设4~6个GPS检查点即可。外业调绘只调地物名称和属性。
数码航摄和激光雷达系统用于公路铁路勘测设计,设计方式将发生重大变化,劳动强度将大大降低。数码航摄遥感系统装在1架小型飞机或直升机上自动对测区扫描和航拍。飞机降落后几个小时,遥感数据就可以由系统的计算机处理完成并提供应用:为线路勘察设计提供地形、地貌、植被、地质等各种二维或三维的图表、数据、数字模型以及高分辨率的彩色数码照片。在航飞后的勘察区域三维数字模型上,可以直接进行线路设计工作,展示不同的选线方案,进行对比分析,比选出最佳的线路设计方案。这就极大地减少和降低了勘察设计人员的工作量和艰辛。设计定型后,系统可以对施工过程进行质量监控,新的航拍资料与系统数据库中存储的定型设计方案自动进行对比,提出意见,指导施工。还可以监测施工现场山体地质等有否异常情况的发生,保证安全。
数码航摄扫描生成的各种二维或三维图表、数据、影像、数字模型以及高分辨率的彩色数码照片,可作为桥梁和房建等设施的设计、施工和质量监控用图。
(2)完善既有铁路工务信息系统的GIS化管理
在90年代中期各铁路局开始全面推广数字化产品:用制图软件、文件格式为.DGN、.DWG的采集数据制作二维或三维铁路地形图;一些铁路局构建了线路数据库和工务地理信息管理系统。在此基础上若采用数码航摄和激光雷达扫描收集获取铁路数据,数字化效果会更好,将会省时、省力、省费用。
铁路局可以定期不间断地获取航空遥感摄影数码资料,以充实铁路信息系统。铁路站场、桥、涵、道口、道岔、信号灯机、管线等设备可以在高清晰度的数码影像和三维数字模型中随意编辑、查阅。
用数码相机影像制作大比例尺二维铁路地形图,工序能大大简化,质量能大幅度提高,费用能降低不少。
用数码相机影像资料还可直接制作铁路二维正射影像图,不需空三加密和正射纠正。直观、清晰、艳丽的影像便于各铁路局对线路、站场、设备进行管理和安全监测。
在具有XYZ坐标的激光雷达三维数字模型上可直接进行铁路外业基础测量(里程、高程、长度、面积、铁路设备调查等),还可进行三维地形图的制作。
7 应用前景展望
简单回顾世界航空摄影的历史:1918年至1995年,是光学摄影机时代,从简单的摄影机发展到RC30、RMK等性能非常好的光学航空摄影系统。20世纪90年代中期至今,数码航空摄影和激光扫描系统经历了一个实验、少量应用、性能成熟、开始普及的过程。现在世界上欧美发达国家已普遍应用数码摄影系统,约有50台在各国使用,发展中国家使用较少,如印度有1台。我国目前有2台航摄数码相机,某公司于2003年底购入1台。因使用效果非常好(包括摄影质量、精度和市场),收益显著,2004年4月又购入了1台。航空摄影激光雷达系统目前国内还没有。
从市场经营角度来看,使用数码航摄和激光扫描获取数据具有巨大的商机,这是一项投资回报率极高极快、风险率极低的项目(项目成熟加国内应用空白)。目前我国航空数码影像产品的全面应用还处于观望阶段,具有极大的市场上升空间。我国地域广大,正值经济高速发展阶段,急需数据的持续供给和更新,现行测绘手段远不能满足数据的需求量。在这辽阔的国土上使用20台数码影像系统同时作业都不算多。数码影像资料的应用、有关软件的配置、各部门使用数码影像资料后原工序的改革也有极大的开发空间。因此投资购买航空数码设备,使用、开发数码影像产品市场,能很快获得极大的经济效益,并取得技术领先的地位。
从行业归口角度来看,在当今的数码时代,各行业都应该有自己的航空数码系统,用最先进的数码方法处理业内的问题。
但是,影响国内普及的因素也有不少:很多人不了解航空数码系统的性能和优势;大部分国营测绘单位都有自己固定的设备和传统的生产模式,客观上旧习惯一时难以改变;航空数码设备的价格还是比较昂贵,企业难以承受;我国对飞机和空域的使用权限还未全面放开等。
解决这些问题的办法是:宣传航空数码产品的优势,委托数码航摄单位进行航空摄影和扫描,逐步用航空数码方式试生产使大家尝到甜头。重新构思测绘工作工序,根据工种开发和购买相关软件,完善数码影像产品的具体应用。按系统、行业、项目购买或租用数码设备,还可以个人、集体、国家集资合股的方式购买和租用设备,用以解决国营单位想用、但资金无法筹集的矛盾。随着我国经济建设的高速发展,私人飞机、轻型飞机和直升机拥有使用已从无到有,最近这方面的报道非常多。说明国家已开始重视民营航空、通用航空和航空科技体育运动的普及发展。在此形势下我国的空域使用也会逐步放开。这对以多种方式经营、开展数码航空摄影和扫描是大有益处的。
摘自：中国计量测控网
