李春山(新疆疆海測繪院,新疆烏魯木齊 830000)

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基于輕型飛機搭載SWDC-4數(shù)字航攝儀在大比例尺地形圖測圖中的研究

李春山
(新疆疆海測繪院,新疆烏魯木齊 830000)

【摘 要】目前,數(shù)字航空攝影測量基本取代了傳統(tǒng)的膠片航空攝影,正在被越來越多的單位和用戶廣泛采用,無論是掃描式航空攝影還是框幅式航空攝影,都是現(xiàn)代科技的一次革命,航空攝影的作業(yè)效率得到了進(jìn)一步的提升,其優(yōu)勢越來越明顯。根據(jù)多年利用輕型飛機搭載SWDC-4數(shù)字航攝儀進(jìn)行大比例尺地形圖航攝的經(jīng)驗,作者闡述了在航攝設(shè)計及航攝過程中應(yīng)注意的幾個方面及數(shù)字航空攝影測量方面的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】SWDC-4 大比例尺地形圖 航空攝影技術(shù)設(shè)計 GPS輔助空中三角測量

1 引言

近年來，隨著科技的不斷進(jìn)步和飛速發(fā)展，數(shù)字信息得到了空前的發(fā)展，作為航空攝影數(shù)字信息技術(shù)發(fā)展時期的重要代表，各種規(guī)格、不同型號的數(shù)字航攝儀相繼推出。其中，國外具有代表性的數(shù)碼航攝儀有Leica的ADS100，Vexcel的UCD，Z/I Imaging的DMC等。中國通過這幾年的探索，也研制出了具有自主產(chǎn)權(quán)的數(shù)字航空攝影儀——SWDC-4。作者通過這幾年對SWDC-4數(shù)字航攝儀的使用情況，談?wù)劥撕綌z儀在大比例尺地形圖測圖中的應(yīng)用。

2 數(shù)字航空攝影測量的優(yōu)勢

數(shù)字?jǐn)z影測量與傳統(tǒng)的攝影測量相比，數(shù)字?jǐn)z影測量成本低、成圖周期短、精度高、對天氣要求低，已成為當(dāng)今主要的測量方法。利用數(shù)字相機進(jìn)行航空攝影測量，沒有了傳統(tǒng)膠片的沖洗等后處理過程，拍攝完畢馬上就能對飛行質(zhì)量、拍攝的影像質(zhì)量以及拍攝有無漏洞進(jìn)行檢查，這就使得航攝作業(yè)變得十分快速、方便、靈活。

利用IMU/GPS輔助航空攝影方法成圖，采用差分GPS技術(shù)或精密單點定位技術(shù)(PPP)已能準(zhǔn)確獲取航攝儀曝光時刻的攝站坐標(biāo)，將其納入空三參與平差將極大地減少了地面控制點數(shù)目，減少了外業(yè)工作量，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

圖1

圖2

表1 攝影比例尺、成圖比例尺與GSD的對應(yīng)關(guān)系

3 數(shù)字航空攝影系統(tǒng)綜述

SWDC-4數(shù)字航空攝影系統(tǒng)由三部分組成，包括相機部分、計算機控制系統(tǒng)及機載GPS系統(tǒng)。外形尺寸長為0.6m，寬為0.5m，高為0.7m(不包括計算機控制系統(tǒng))，重量約60kg，相機示意圖如圖1。

SWDC-4數(shù)字航空攝影系統(tǒng)適合搭載在輕小型飛機上使用，如：蜜蜂、海燕等輕型飛機，也能搭載在大中型飛機上使用，如：獎狀、賽斯納208、運-5等機型。對于幾百平方公里的小攝區(qū)，就考慮成本及效率來說，用輕型飛機比較適宜。

與傳統(tǒng)航空攝影測量設(shè)備及進(jìn)口數(shù)字航空攝影測量系統(tǒng)相比較，SWDC-4數(shù)字航空攝影系統(tǒng)有以下優(yōu)點：

(1)相機焦距短，角分辨率大，基高比能滿足高程精度要求，且飛行高度低，是同樣地面分辨率的進(jìn)口航空數(shù)字相機拍攝航高的1/2-1/3。

(2)可以在云下和輕薄霧天通過調(diào)整光圈和快門，或調(diào)高感光度拍攝，對飛行天氣的要求大大低于傳統(tǒng)膠片航攝儀。

4 輕型飛機綜述

海燕650 C飛機為四座輕型飛機(圖2)，飛機翼展14.9米，長度7.6米，高度2.1米，有效載荷重量350公斤，非常適合用于數(shù)字航空攝影測量。該機具有優(yōu)良的飛行性能和操縱品質(zhì)，此外飛機性價比優(yōu)，經(jīng)久耐用、安全可靠、便于維護(hù)。該飛機可拆卸組裝，利于轉(zhuǎn)場。對跑道要求不高，適于野外起降。

5 數(shù)字航空攝影在大比例尺地形圖測圖的研究

現(xiàn)今，大比例尺地形圖基本上正在被數(shù)字航空攝影測量所替代，尤其是高山峽谷地帶，大大解放了人力資源，航測法大比例尺成圖技術(shù)理論已趨于完善。數(shù)字航攝儀的引用僅是攝影手段及影像承載介質(zhì)的變革，其成圖過程仍基本包括航空攝影技術(shù)設(shè)計、航測外業(yè)(控制測量及像控測量)、航測內(nèi)業(yè)(空三加密及立體測圖)、圖形編輯以及貫穿始終的質(zhì)量檢查與質(zhì)量控制。

5.1 航空攝影技術(shù)設(shè)計

應(yīng)用航測法生產(chǎn)大比例尺地形圖，航攝質(zhì)量至關(guān)重要，是最終成果質(zhì)量好壞的重要前提。傳統(tǒng)膠片相機的攝影比例尺由焦距(f)/相對航高(H)決定，數(shù)字相機標(biāo)注焦距相對于膠片相機要小得多，所以用f/H計算的攝影比例尺非常小，與膠片相機沒有可比性。因此數(shù)字航攝國際統(tǒng)一使用地面分辨率—GSD(Ground Sample Distance)概念，包括遙感影像。

鑒于航攝質(zhì)量的重要性，首先必須確定符合設(shè)計成圖要求的GSD，由成圖比例尺確定GSD，然后根據(jù)攝區(qū)的最大平均高程和最小平均高程算出航攝的絕對航高。GSD是圖上0.1 mm代表的地面實際距離，即像元地面尺寸。一般要求如表1。

5.1.1 像片重疊度控制

在整個航空攝影實施過程中，設(shè)計人員對航攝數(shù)據(jù)因子的設(shè)計是常重要的，其中應(yīng)對重疊度的計算要重視。如果要是因為技術(shù)設(shè)計中重疊度的計算出現(xiàn)失誤，會導(dǎo)致本次航攝成果的作廢，其造成的直接經(jīng)濟損失包括飛機飛行費用、隨行人員的費用，間接經(jīng)濟損失包括航空攝影時間的錯失，任務(wù)工期的推遲等等。

像片航向重疊度一般要求為60%-65%，最小不應(yīng)小于53%，旁向重疊度為20%-30%，最小不應(yīng)小于13%?！稊?shù)字航空攝影規(guī)范 第1部分：框幅式數(shù)字航空攝影》4.2.3條規(guī)定“當(dāng)?shù)孛娣直媛蚀笥?0cm時，分區(qū)內(nèi)的地形高差不應(yīng)大于四分之一攝影航高；當(dāng)?shù)孛娣直媛市∮诨虻扔?0cm時，分區(qū)內(nèi)的地形高差不應(yīng)大于六分之一攝影航高。”對于平坦及丘陵地區(qū)，相對高差較小，這條要求容易滿足。而對于海拔較高，相對高差較大的地區(qū)，尤其是高山地，進(jìn)行測繪航空攝影法成大比例尺地形圖，地形高差往往大于1/6相對航高，甚至大于1/4的相對航高，對此類攝區(qū)分區(qū)又不能劃分的太細(xì)，很多地區(qū)為高山峽谷，所以在設(shè)計重疊度因子的時候，在不改變相對航高的情況下，可以加大航向和旁向的重疊度，以保證航向或旁向不會產(chǎn)生相對或絕對漏洞。

在做航線設(shè)計時，計算出攝區(qū)最高高程處的重疊度，保證攝區(qū)高點重疊度處于規(guī)范要求的范圍(航向重疊度不小于53%，旁向重疊度不小于13%)就可以。但在飛機沿航線飛行過程中，由于風(fēng)向的突然改變、上下氣流等影響會造成飛機的側(cè)滑和傾斜，難免會引起像片有旋角。所以在攝區(qū)高程最高高程處的計算上要加大最小重疊度的設(shè)計，盡量保證航向有60%重疊，旁向有20%的重疊，從而盡可能的避免了出現(xiàn)航攝相對或絕對漏洞的重大錯誤。當(dāng)然，要有效的控制大旋角的產(chǎn)生，應(yīng)重點防止飛機的傾斜和側(cè)滑，選擇好天氣和采取有效措施保持好飛機在航線飛行過程中姿態(tài)。

由于SWDC-4數(shù)字航攝系統(tǒng)搭載平臺有時為輕小型飛機，所以對飛機的飛行高度有了一定的限制，一般輕型飛機的最高升限為3800m左右。要是對于海拔較高的山區(qū)，按照成圖要求的GSD設(shè)計很難達(dá)到所飛行的海拔高度。對此可以采用縮小GSD和增大航向和旁向重疊度的方法來進(jìn)行設(shè)計。

5.1.2 飛行質(zhì)量控制

飛機在航攝過程中盡量保持平穩(wěn)，由于數(shù)字航攝大比例尺的航線間隔比較小，為了避免機載GPS信號發(fā)生失鎖，影響機載GPS數(shù)據(jù)后處理解算精度，要求飛機在出航線尾部，進(jìn)入下一條航線時，轉(zhuǎn)彎半徑要大，可以呈紡錘形飛行，盡量減小飛機的傾斜角。

5.2 航空攝影測量外業(yè)控制

基于SWDC-4數(shù)字航空航攝儀作業(yè)模式為帶機載GPS的輔助空中三角測量，所以要求測量外業(yè)在地面需要做一部分的地面控制點。為提高航測內(nèi)業(yè)空三及成圖的精度要求，像控點最好為布設(shè)好的地面標(biāo)志點，地面標(biāo)志點中心標(biāo)志點的大小為航攝設(shè)計GSD的3倍。地面標(biāo)志點的顏色和周圍的地物要有色差，以便在影像中快速、準(zhǔn)確的找到地標(biāo)點。

為了求解WGS84坐標(biāo)系和國家統(tǒng)一坐標(biāo)系或用戶選定的獨立坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系(七參數(shù))，需要聯(lián)測地面控制點。有個轉(zhuǎn)換關(guān)系就能把空中GPS攝站坐標(biāo)(WGS84)轉(zhuǎn)換至地面國家統(tǒng)一坐標(biāo)或獨立坐標(biāo)。

6 GPS輔助空中三角測量

在攝影測量航測內(nèi)業(yè)中有一項重要的工作是空中三角測量，其目的是加密控制點。但加密點的工作通常需要一定數(shù)量的地面控制點(像控點)，而航測地面控制測量工作通常是較艱苦或困難的，因此如何減少航測外業(yè)控制的工作量成為一個重要的研究課題。近年來，機載GPS輔助空中三角測量技術(shù)己成為攝影測量研究與應(yīng)用的熱門技術(shù)，它在實現(xiàn)少地面控制或無地面控制的攝影測量中發(fā)揮著重大作用。

GPS輔助空中三角測量是利用安裝于飛機上與航攝儀相連接的和設(shè)在地面上一個或多個基準(zhǔn)站上的至少兩臺GPS信號接收機同步而連續(xù)的觀測GPS衛(wèi)星信號，同時獲取數(shù)字航攝儀攝影瞬間的快門脈沖，通過GPS載波相位測量差分定位技術(shù)的離線數(shù)據(jù)后處理獲取航攝儀曝光時刻攝站的三維坐標(biāo)，然后將其視為附加觀測值引入攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差中，經(jīng)采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和算法以整體確定物方點位和像片方位元素。

近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者開展了基于國際IGS精密衛(wèi)星軌道參數(shù)和衛(wèi)星鐘差的“非差相位精密單點定位”的研究，以實現(xiàn)單臺雙頻接收機實時動態(tài)定位(Percies Point Positioning)，簡稱PPP。這是一種非常具有應(yīng)用前景的單點定位技術(shù)，該技術(shù)單站GPS可達(dá)到幾個厘米的精度，作業(yè)不受距離限制，不需要基準(zhǔn)站支持，這無疑大大提高了高精度定位作業(yè)的靈活性，降低了作業(yè)的成本，特別適用于航空攝影測量中。GPS輔助空三測量中應(yīng)用了該項技術(shù)，該技術(shù)特別適合在我國西部這種無或少地面站地區(qū)進(jìn)行航測作業(yè)。

7 結(jié)語

利用輕型飛機搭載SWDC-4數(shù)字航空攝影儀進(jìn)行測繪航空攝影，是目前進(jìn)行大比例尺測圖的一種快捷、方便可行的作業(yè)方式，大大縮短了工作周期，為按期高效的完成任務(wù)提供了有力保證，為項目設(shè)計工作提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn):

[1]曹鑾.數(shù)字航空攝影有關(guān)技術(shù)的分析探討[J].四川測繪,2007.12.

[2]袁修孝.GPS輔助空中三角測量原理及應(yīng)用[M].測繪出版社,2001.8.

作者簡介:李春山(1978—),男,甘肅人,學(xué)位:工學(xué),職稱:中級,研究方向:數(shù)字航空攝影測量。