国产SWDC航空数码相机及其应用研究.docx
- 文档编号:4689510
- 上传时间:2022-12-07
- 格式:DOCX
- 页数:14
- 大小:588.14KB
国产SWDC航空数码相机及其应用研究.docx
《国产SWDC航空数码相机及其应用研究.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《国产SWDC航空数码相机及其应用研究.docx(14页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
国产SWDC航空数码相机及其应用研究
国产SWDC航空数码相机及其应用研究
刘先林
摘要:
随着CCD技术的发展,数字航空摄影技术被应用到航空遥感领域,航空数码相机的研制与应用成为当前航空遥感领域的热点。
本文主要阐述了我国自主知识产权的SWDC航空数码相机的关键技术及其在航测生产中的应用优势,并通过精细航测、高精度地形测绘、1:
1万基础测绘等应用实例论证了SWDC实际应用的可行性、适用性以及在我国经济建设中的作用。
关键词:
国产数码相机SWDC航空测绘
一引言
航空摄影是快速获取地理信息的重要技术手段,是测制和更新国家地形图以及地理信息数据库的重要资料源,在空间信息的获取与更新中起着不可替代的作用。
我国传统航空摄影测量长期以来依赖胶片影像,这种方式存在飞行天气少、几何精度受片基材料影响大、数据生产周期长等缺点,严重制约了我国航空摄影测量的发展。
近年来,数码相机技术应用到航测领域,给航空摄影测量带来了前所未有的发展机遇,极大地推动航测的应用与发展
。
国外对航空数码相机的研究开展较早,并已较为成熟地应用于航测生产。
航空数码相机主要有面阵和线阵两种模式,国际上有以DMC和UCD为代表的面阵航空数码相机,以及以ADS为代表的线阵航空数码相机,三款航空数码相机我国均已有进口,其价格为800万~1500万人民币不等。
进口面阵航空数码相机具有视场角小、焦距长、航摄基高比小、航摄的飞行效率低等不足,主要应用于城市正射影像产品制作以及平面图测绘,难以达到与适应我国的大比例尺测图对高程精度的要求。
线阵航空数码相机存在对飞行条件要求高、后处理软件不能通用、相机检测不能在国内进行等不足,而且其最高地面分辨率较低,很难适用于高精度地形测绘以及精细航测领域
。
我国航空数码相机的研制与应用已初见端倪,由中国测绘科学研究院研制的国产SWDC航空数码相机在国内已进行了多次航测试验与航测生产应用,作为空间信息获取与更新的重要技术手段,填补了国内空白。
本文主要阐述了国产SWDC航空数码相机的关键技术及其应用优势,并通过具体的典型应用实例阐述了SWDC在我国经济建设中的适用性。
二SWDC关键技术
国产SWDC航空数码相机主体由四个高档民用相机经外视场组合拼接而成(见图1),每个单相机的像素数为3900万或2200万,其对应的像素大小为6.8μm或9μm,经外视场组合拼接后,其对应的单张等效大像幅影像的幅面为10000×14500像素或8500×11000像素。
SWDC航空数码相机的研制主要涉及GPS精密单点定位技术、精确定点曝光技术以及多面阵数字影像组合拼接技术
。
图1外视场拼接效果图
(一)GPS精密单点定位技术集成
近年来,国内外一些学者开展了基于国际IGS精密卫星轨道参数和卫星钟差的“非差相位精密单点定位”的研究,以实现单台双频接收机实时动态定位(PrecisePointPosition-PPP)简称PPP。
SWDC的研制中集成了该项技术,从而在我国首次实现了PPP技术的航空摄影测量集成应用。
精密单点定位(PrecisePointPositioning,简称PPP),是利用IGS(国际GPS服务机构)提供的或自己计算的GPS精密星历和精密钟差文件,以无电离层影响的载波相位和伪距组合观测值为观测资料,对测站的位置、接收机钟差、对流层天顶延迟以及组合后的相位模糊度等参数进行估计。
用户通过一台含双频双码观测数据的GPS接收机就可以实现在数千平方公里乃至全球范围的高精度定位。
它的特点在于各站的解算相互独立,计算量远远小于一般的相对定位。
PPP与双差定位的主要区别在于双差定位时部分参数和误差项通过站间和星间求差得以消除,而PPP必须采用精细的模型加以改正和用辅助参数进行估计,比如卫星天线相位中心相位偏差改正、固体潮改正、海洋负荷改正等。
差分定位技术虽然精度高,但需要布设基站,不仅受作用距离的限制,而且成本也会相对较高。
精密单点定位恰好集成了普通单点定位和差分定位的优点,克服了各自的缺点,改变了以往只能使用双差相位定位模式才能达到较高定位精度的现状。
航空摄影测量区域跨度大,因此,精密单点定位技术特别适合于航空摄影测量作业。
在航空摄影测量领域中,精密单点定位技术较传统的差分定位技术具有显著的优势。
PPP技术的集成,使得SWDC实现了无地面差分基站的GPS辅助数码空中三角测量。
(二)基于GPS的精确定点曝光技术
在GPS技术出现并实际应用之前,航空摄影主要采用定时曝光方式,即根据飞机的飞行速度、基线长度等信息事先设计好相机的曝光时间间隔,从而在空中实施定时曝光,这种曝光方式受到飞机飞行质量的影响较大。
SWDC航空数码相机采用的是基于GPS技术的精确定点曝光方式,即根据事先设计好的航线中的曝光点坐标,在空中利用GPS输出的实时预报星历伪距坐标判断与事先设计好的曝光点的接近程度实施空中定点曝光,从而可以极大的提高航摄质量与航摄效率,同时也提高了航摄补拍的准确性与效率。
SWDC在国内首次实现了航摄时的自动定点曝光,其定点曝光精度可达到亚米级。
SWDC直接获取数字影像,数字航摄影像经实时快速检查后,可迅速确定需要重新补拍的单张或多张影像,并能够根据原有的航线设计信息确定补拍影像所对应的空间地理坐标,即曝光点的空间位置。
由于SWDC采用定点曝光,因此,可以仅对所需补拍的影像进行重新航摄即可,无需对整条航线或相关区域进行补拍。
这样的航摄定点补拍方式可以从根本上克服传统胶片航摄补拍的长周期、低效率、高成本等问题。
(三)多面阵数字影像组合拼接技术
SWDC航空数码相机获取的成果影像是由4台相互独立的单面阵相机获取的单中心投影影像,经过几何关系以及同名点关系拼接而成的大幅面近似单中心投影的虚拟影像,其基本原理是:
利用水平像片上重叠部分的同名点,根据旋转关系、平移关系以及缩放因子求解4幅单影像间的相对方位元素,然后将4幅水平影像同时投影到虚拟面上形成单张大像幅影像。
SWDC航空数码相机虚拟影像生成的技术环节主要有单张子影像几何标定改正、倾斜子影像粗纠平、影像同名点匹配、影像精纠平、虚拟影像生成等,其技术具体流程见图2。
原始获取的倾斜影像为矩形像幅(因CCD为矩形),经水平纠正后,变为四边形像幅,4张影像间有固定的重叠度,如图3所示。
SWDC航空数码相机四拼影像的每个子重叠区内自动匹配点数近200个,拼接中误差优于2um,拼接精度因此达到子像元级,且接近1/4像元,这样的拼接精度远远满足摄影测量的量测需要。
SWDC的多面阵数字影像高精度组合拼接技术为其实施高精度航空摄影测量奠定了基础。
三SWDC优势分析
SWDC航空数码相机是在充分调研国外同类产品的基础上,并结合我国地形测绘特点,而研发的与我国现实需求相适应的数字航摄仪,因此,SWDC的许多技术指标与同类产品有所不同,与当前较为典型的航空数码相机的主要技术指标对比情况见表1
。
通过与同类产品的主要技术指标对比与分析,可以看出在实际应用中,SWDC航空数码相机具有一定的优势,阐述如下:
(1)价格较低,符合我国国情特点,市场竞争力较强;
(2)在我国首次集成GPS精密单点定位技术,实现无地面GPS差分基站的GPS辅助空中三角测量,可以大大地减少航测的外业控制点,从而可以降低外业劳动强度,并能够节约外业测绘的成本;
(3)可更换不同焦距的相机镜头(35mm/50mm/80mm),在生产应用中,便可以根据具体的航摄任务需要选择相应焦距的镜头,从而更加适应我国复杂的地形测绘特点;
(4)航摄的地面可用分辨率为4cm~100cm,即可选范围大,可以适应各种比例尺(大/中/小)及高精度要求(界址点测量)的航空测绘;
(5)焦距短、视场角大,可获得大的航摄基高比,其航测的高程精度高;同时,降低了航空摄影的相对航高,从而可以得到更多的飞行天气,能够适应我国气候复杂的困难地区的航摄;
(6)SWDC获取的影像,其真彩色逼真,比融合彩色效果好;
(7)国产化航空数码相机,更有利于数字航摄技术的推广与普及,更好地引领我国的航摄进入数字摄影时代;
(8)数据处理流程简单,与我国现有软件系统兼容性好。
表1航空数码相机主要技术指标
指标
ADS40/80
DMC
UCX/UCXP
SWDC
价格(万元)
1200~1500
1200~1500
800~1000
400
投影方式
多中心
CCD三线阵
虚拟单中心
CCD面阵
单中心
CCD面阵
虚拟单中心
CCD面阵
CCD像元
7.5um
12um
6um
6.8um
CCD幅面(像素)
12000三线
13824×7680
17310×11310
14500×10000
焦距(mm)
62.77
120
100
35/50/80(可选)
相对航高(同分辨率)
高
高
高
低
影像彩色
融合彩色
融合彩色
融合彩色
真彩色
集成POS
必须
可选
可选
可选
数据后处理软件
专用
通用
通用
通用
四SWDC典型应用实例
(一)精细航测应用
1、概述
胶片航测在实际生产作业中,大量的作业经验表明,胶片摄影测量的平面精度很难达到精细航测的精度需求,目前最高精度在10~15cm的水平。
由于受到几何精度的限值,传统胶片航测很难开拓我国的影像地籍领域。
航空数码相机具有高几何精度的特点,从而使得影像地籍测量的实现成为可能。
利用SWDC航空数码相机在齐齐哈尔市开展了我国首次精细航测生产性试验(城镇界址点航测)。
试验测区选择了齐齐哈尔市郊的城镇,该测区以平坦地形为主,航摄采用的飞行平台为超轻型运-5飞机,航摄获取的影像示例见图4。
相关航摄参数见表2。
表2航摄参数
项目
参数
项目
参数
相对航高
360
地面控制方式
地标
CCD像元
9
航向重叠
62%
像对方式
宽像对
旁向重叠
30%
焦距
80
基线长度
176
影像幅面
11K×8K
航线间隔
238
GSD
4
航线数
14
2、地面控制
为了测试GPS辅助空三用于精细航测的实际精度,任意选择了该试验区(14条航线,见表2中)内的任意相邻的三条航线作为精度检测区,每条航线17张影像(16根基线)。
该检测区位于市区边缘,在影像上,地表可刺特征点较多,因此,检测区的点全部采用刺点方式。
地面控制方案采用两列定向点+精度检查点的方式,即在检测区的两端按航线布设控制点,在检测区内部的精度较弱区布设精度检查点,如图5示意。
实际布设时,在检测区两端布设了两列大地定向点,共计8个;在检测区中部(精度最弱处)布设了单像对(一个像对内)精度检查点共计30个。
3、空三加密
空三加密时,将地面控制点与空中摄站点坐标一起参与联合平差,地面控制点布设在测区的两端,检查点布设在测区的中部,依次称为左列点、中间列点、右列点,并在区域中部的像对QQ015077-QQ015078上也布设了检查点。
点的具体分布情况见图6。
空三加密时,大地定向点为测区边缘的四个角点,检查点包括测区检查点和像对QQ015077-QQ015078密集检查点,共计37个,点的分布情况参见上图6所示。
平差时,各项参数设置如下:
附加参数个数:
12;
GPS漂移参数:
按航线改正;
地面定向点的权:
50;
空中摄站点平面权:
5,高程权:
3;
空三加密光束法平差的结果见表3(检查点误差统计)。
表3空三加密光束法平差检查点精度统计
检查点
误差(
)
检查点
误差(
)
检查点
误差(
)
DX
DY
DX
DY
DX
DY
01
0.096
-0.046
14
-0.012
0.027
26
0.043
0.000
02
0.079
-0.001
15
0.004
0.011
27
-0.009
-0.001
03
0.038
0.014
16
-0.016
0.040
28
-0.003
-0.028
04
0.046
-0.027
17
0.058
0.039
29
-0.048
0.042
05
0.002
0.031
18
-0.020
0.039
30
0.032
0.003
06
-0.023
-0.013
19
-0.017
-0.008
31
-0.006
0.057
07
0.017
0.012
20
-0.015
0.026
32
-0.018
0.016
08
0.016
0.065
21
-0.019
0.023
33
-0.010
0.056
09
0.012
0.033
22
0.054
0.038
34
-0.020
0.035
10
0.004
0.039
23
0.014
0.035
35
0.048
0.037
11
-0.004
0.035
24
-0.015
0.024
36
0.024
0.066
12
-0.004
-0.046
25
0.012
0.025
37
0.029
0.051
13
-0.005
-0.002
————
由表3的统计数据可知,检查点数为37,若以检查点的实测坐标为真值,以空三加密平差出的对应点坐标为观测值,则检查点中的最大误差为0.096m(X方向)。
地籍测量一般不测绘等高线,因此,这里仅统计平面误差。
由各误差统计值计算的平面中误差为±0.047m。
由检查点的精度统计结果可见:
在GSD为4cm,测区四角布设控制点,基线跨度为16,空中摄站坐标参与联合平差的情况下,光束法区域网空三加密的精度接近1个GSD。
即利用SWDC航测,在航摄GSD为4cm时,GPS辅助空三的加密精度优于4.7cm。
4、应用总结
在地面稀少控制、无地面GPS差分基站、航摄GSD为4cm的情况下,采用SWDC航空数码相机的GPS辅助空三区域网平差,其加密点的精度可达到1个GSD,满足我国城镇地籍界址点测量的精度要求。
由此可见,利用SWDC航空数码相机可实现高精度的航空摄影测量,在航摄GSD为4cm时,其摄影测量的平面精度可达4cm左右,从而完全可以拓展到我国的精细航测领域(城镇地籍/界址点测量)。
【生产应用说明:
SWDC精细航测的研究成果已应用于实际生产,齐齐哈尔市国土规划院承接的“国土二调”项目中的城镇地籍测量,已采用SWDC进行航测生产,应用面积近千余平方公里,2009年初的阶段性SWDC航测生产成果已通过验收与鉴定。
】
(二)高精度地形测量应用
本测区位于山东烟台地区,要求地形测绘的等高距为0.5m。
航摄平台采用的是运-12飞机。
SWDC的焦距为50mm,像元为6.8um,CCD像幅为10000×14500,航摄采用的是窄像对方式(10K方向为航向),航摄影像示例如图7。
本测区航摄的GSD设计为10cm,由此,计算出的航摄相对航高为730m。
测区的定向点、检查点,与航线的实际对应情况如图8所示。
测区空三加密采用的是PBBA软件,测区在图8所示的定向点与检查点的情况下(航向10根基线跨度,旁向6条航线),其GPS辅助空三加密的精度为:
Mxy=±0.194m;Mz=±0.146m(定向点数22,检查点数50)。
烟台测区的应用实例表明,SWDC地形测量的精度较高,在航摄地面分辨率10cm的情况下,其航测的高程精度高(优于15cm),完全满足0.5m等高距的地形测绘精度要求,且SWDC的GPS辅助空中三角测量方式大大地减少了地面控制。
【生产应用说明:
SWDC高精度地形测绘的研究成果已应用于实际生产,齐齐哈尔市国土规划院承接的“东北坡地改造为水田工程”项目采用了SWDC进行高精度的地形测绘,项目要求测绘等高距为0.5m的等高线,应用面积数百平方公里。
】
(三)国家基础测绘项目应用
本测区位于湖南省西南地区,属于国家1:
1万测图的基础测绘项目,测区总面积约1万平方公里,对本测区内邵阳地区约3500平方公里的航摄成果进行了精度验证。
精度验证区属于地形类别中的特困难地区,该测区其航摄的主要参数见表4。
本测区航测内业空三加密的相关信息见表5。
表4航摄主要参数
航摄参数
参数值
航摄参数
参数值
影像像元
6.8um
焦距
50mm
GSD(地面分辨率)
40cm
相对航高
2500m
基线长
1.4km
航向重叠
65%
航线间隔
3.8km
旁向重叠
35%
影像像幅
10000×14500像素
地面像幅
4km×5.8km
表5空三加密信息
信息项
参数值
信息项
参数值
测区总面积
3500km2
构架航线
2
航向基线跨度
50
旁向航线跨度
14
航向长度
70km(50*1.4=70)
旁向长度
50km(13*3.8=50)
单航线影像数
基本航线52,构架航线37
总影像数
802(52*14+37*2=802)
本测区空三加密平差的平面坐标系为CGCS2000;高程系统为1985海拔高程。
测区控制与检查点分布情况见图9。
经过空三加密,本测区的精度情况是:
在地面分辨率(GSD)40cm、航向50根基线跨度、旁向14条航线跨度、区域两端2条构架航线、802张影像、航向重叠度65%、旁向重叠度35%、测区4个角点参与定向(区域网面积约3500平方公里)的情况下,130个检查点的平面精度为76.1cm,高程精度为39.8cm,完全满足湖南邵阳测区1:
1万测绘生产(该测区1:
1万规范中的空三加密限差要求为:
检查点平面3.5米,高程1.0米)。
五结束语
随着计算机和CCD技术的发展,航空数码相机必将成为高分辨率、高精度航空遥感以及无控制航测的主要技术手段,航空数字影像也必将成为大比例尺地理空间信息获取的重要数据源,随着数字航空遥感的进一步发展,航空数码相机必将在信息化测绘中发挥重要作用。
国产SWDC航空数码相机作为空间信息获取与更新的重要技术手段,填补了我国该领域的空白。
SWDC在大面积、各类精度的测绘数据获取方面极具优越性,利用SWDC可以实现高精度大比例的测绘数据获取(甚至可以拓展到精细航测领域)以及中小比例尺的测绘数据获取,能够适应我国复杂的地形测绘特点以及当代航空测绘的现实需求,实现了我国航空测绘信息获取的高分辨率、高精度和高效率,为我国的经济建设提供可靠、适用、及时的测绘保障,并在整体上提升我国信息化航空测绘数据的自主获取能力。
参考文献
[1]航空摄影与遥感在中国.中国测绘报[N],2009,3,25.
[2]张建霞,刘先林.航空数码相机的种类与发展[N].第21届国际摄影测量与遥感大会(ISPRS)特邀科普论文,2008.07/中国测绘报科普文章,2008,4,29.
[3]张建霞,李安福,刘宗杰.航空数码相机及其应用分析[J].测绘科学,2009(5).
[4]张建霞,刘宗杰,刘先林.国产数码航摄仪应用于我国西部测图分析[J].测绘科学,2010
(1).
[5]袁修孝,付建红,楼益栋.基于精密单点定位技术的GPS辅助空中三角测量[J].测绘学报,2007(3):
251-255.
[6]张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉:
武汉大学出版社,2007.
[7]张小红,刘经南,ReneForsberg.基于精密单点定位技术的航空测量应用实践[J].武汉大学学报(信息科学版),2006,31
(1):
19-22.
[8]李健,刘先林,刘风德等.SWDC-4大面阵数码航空相机拼接模型与立体测图精度分析[J].测绘科学,2008(3).
[9]李健,刘先林,万幼川等.SWDC-4数码航空相机虚拟影像生成[J].武汉大学学报(信息科学版),2008(5).
[10]ADS40航空相机技术.http:
∥www.leica-.
[11]UCD航空相机技术.http:
∥www.vexce.lcom/UCD/.
[12]DMC航空相机技术.http:
∥
[13]国家技术监督局.1:
5000,1:
10000地形图航空摄影测量内业规范[R].北京:
中国标准出版社,1993.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 国产 SWDC 航空 数码相机 及其 应用 研究