大幅面廣角數(shù)字航攝系統(tǒng)UCXP－WA及其應(yīng)用

陳潔，楊達(dá)昌，杜磊

（中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心 遙感部，北京 100083）

0 引言

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，遙感手段已邁入全數(shù)字時(shí)代。數(shù)字航攝系統(tǒng)也逐步取代了傳統(tǒng)的膠片像機(jī)，成為航空遙感數(shù)據(jù)獲取的主要方式。高精度的航空遙感基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在國(guó)土資源調(diào)查、地質(zhì)勘探、城市規(guī)劃和環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方面得到了廣泛應(yīng)用。新型的UCXP WA大幅面廣角數(shù)碼航攝系統(tǒng)，采用創(chuàng)新的廣角鏡頭，焦距更短，在相同高度飛行條件下獲取的影像地面分辨率更高，同時(shí)集成AV POS 510慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，曝光瞬間即獲得高精度像片中心點(diǎn)外方位元素，可快速制作數(shù)字高程模型（DEM）和正射影像（DOM）等產(chǎn)品，無需地面控制測(cè)量，極大地提高工作效率，為進(jìn)行下一步地質(zhì)調(diào)查研究提供詳實(shí)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本文首先從硬件和軟件2方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，然后對(duì)其湖南實(shí)踐飛行獲取的數(shù)據(jù)，利用特有的INS／GPS緊耦合方法進(jìn)行單基站和PPP融合解算，并對(duì)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，為今后使用該系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)提供參考依據(jù)。

1 航攝系統(tǒng)主要特性

UltraCamXP WA（wide－angle）數(shù)字航攝系統(tǒng)，是由Microsoft Vexcel公司研發(fā)的新型數(shù)字航攝儀，自2004年發(fā)布第一代產(chǎn)品至今，該航攝系統(tǒng)是其第四代產(chǎn)品，與其它數(shù)字航攝像相比，具有以下5個(gè)方面的特性：

（1）超大的影像幅面，可達(dá)19600萬像素（17310×11310），增加了基線長(zhǎng)度，減少了航線數(shù)量，有效地縮短飛行時(shí)間；一次飛行可同時(shí)獲取全色黑白、真彩色和彩虹外數(shù)碼影像；通常數(shù)碼航攝像機(jī)的弊端是由于CCD尺寸問題，其獲取的影像幅面較小，造成對(duì)地面的覆蓋范圍較傳統(tǒng)的航攝儀要小，使得覆蓋相同面積區(qū)域的航片數(shù)增多，從而增加后期地面和內(nèi)業(yè)工作量，并在此過程中，產(chǎn)生了一些累積誤差，使最終產(chǎn)品精度不高。UCXP WA型航攝儀，具有17310×11310像素 ，像素大小6μm，相當(dāng)于34.6cm×22.6cm的傳統(tǒng)膠片以20μm進(jìn)行掃描時(shí)的像幅大小。目前市場(chǎng)上主流的數(shù)碼航攝儀的像幅，ADS80是它的69%，DMC是它的79%，UCX是它的83%。這在進(jìn)行具體生產(chǎn)時(shí)，能大大減少航線數(shù)目，提高工作效率。

（2）2s的曝光間隔，一方面保證了影像重疊度，另外使低空高速獲取影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行大比例尺測(cè)圖成為可能；獲取的數(shù)字影像輻射分辨率最高達(dá)16bit，能獲取更豐富的地物細(xì)節(jié)信息，也為后期的影像均光處理工作提供便利；并具有1∶3的融合比，能一次獲取真彩色、彩虹外和全色黑白的高品質(zhì)影像，輸出的影像是真正通用的中心投影影像，兼容后期各種攝影處理軟件。

（3）部件接口均按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制作，最大限度地利用現(xiàn)有設(shè)備，支持通用的陀螺穩(wěn)定座架和POS系統(tǒng)；配備專業(yè)的機(jī)載飛控系統(tǒng)POS Track，基本實(shí)現(xiàn)航攝的自動(dòng)化；

（4）優(yōu)秀的POS Track軟件可進(jìn)行航攝設(shè)計(jì)，并利用DEM作為底圖對(duì)測(cè)區(qū)航線進(jìn)行優(yōu)化，保證了設(shè)計(jì)方案的可靠性和高效性；還支持其他軟件設(shè)計(jì)方案的導(dǎo)入；影像處理由UltraMap軟件完成。

（5）內(nèi)部集成的高精度Aplenix AV510慣導(dǎo)設(shè)備，能在曝光瞬間獲取影像姿態(tài)信息，可快速制作DEM、DOM等產(chǎn)品。

2 UCXP WA航攝系統(tǒng)主要硬件和軟件

2.1 傳感器單元

圖1 UCXP WA航攝儀傳感器

傳感器單元由4個(gè)全色鏡頭、3個(gè)RGB鏡頭和1個(gè)近紅外鏡頭組成，攝影時(shí)采用同位延遲曝光技術(shù)，即每個(gè)鏡頭都在相同的位置曝光，再將得到的8幅影像進(jìn)行無縫拼接，得到一幅最終影像成果。傳感器單位的詳細(xì)參數(shù)指標(biāo)如下表1所示：

表1 UCXP WA航攝儀傳感器性能指標(biāo)

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理單元

機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理單元的單個(gè)容量大于4.2TB，可進(jìn)行約6600張無壓縮影像的記錄，所有數(shù)據(jù)進(jìn)行鏡像保存，保證數(shù)據(jù)完整安全；可在空中更換，單架次獲取的影像數(shù)量無上限，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理單元

2.3 飛行導(dǎo)航系統(tǒng)

飛行導(dǎo)航系統(tǒng)分為POS Track和NanoTrack兩種（如圖3所示）。其中POS Track是將Applanix公司的POS AV直接地學(xué)定位技術(shù)和Track航空公司的XTRACK飛行管理系統(tǒng)（FMS）軟件緊密集成為一個(gè)小巧堅(jiān)固耐用的系統(tǒng)。它是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，小巧、方便，不需要復(fù)雜的線路和連接器的網(wǎng)絡(luò)，就可以簡(jiǎn)便地安裝在任何一個(gè)飛行器上進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、飛行導(dǎo)航、穩(wěn)定平臺(tái)和傳感器自動(dòng)控制等航空攝影工作，還具有空中初始化、調(diào)平穩(wěn)定平臺(tái)、自動(dòng)修正偏流等功能。該系統(tǒng)可為航空攝影測(cè)量提供每幅影像或掃面點(diǎn)的外方位元素，從而減少野外控制點(diǎn)，降低工作成本，提高工作效率。提供最高水準(zhǔn)的精度和效率，POS Track為機(jī)載制圖傳感器、實(shí)時(shí)傳感器控制和飛行導(dǎo)航提供直接地學(xué)定位。

若不使用機(jī)載POS系統(tǒng)獲取影像姿態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，則可使用NanoTrack導(dǎo)航系統(tǒng)，它是由美國(guó)Track－Air公司生產(chǎn)的飛行管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能強(qiáng)大、攜帶方便、安裝簡(jiǎn)單，與其他設(shè)備的兼容性較強(qiáng)。NANOtrack是新一代的入門級(jí)航測(cè)飛行管理系統(tǒng)，可以連接任何計(jì)算機(jī)傳感器接口。

2.4 穩(wěn)定陀螺座架

UCXP WA航攝系統(tǒng)配備德國(guó)SOMAG生產(chǎn)的GSM3000型三軸陀螺穩(wěn)定座架（如圖4）。航空攝影中穩(wěn)定裝置主要應(yīng)用于像移補(bǔ)償，其主要優(yōu)點(diǎn)是：

（1）大幅降低由大氣震蕩帶來的角速度影響。這會(huì)使在曝光時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更少像移寬度。因此可以允許延長(zhǎng)曝光時(shí)間并擴(kuò)展航攝的條件甚至在多云條件下。

3 飛行導(dǎo)航系統(tǒng)POSTrack（上）和NanoTrack（下）

（2）消除在曝光時(shí)突然情況（如大氣紊亂造成的）帶來的翻轉(zhuǎn)，傾斜和偏移角度。這會(huì)導(dǎo)致影像間的重疊差異大幅降低。

（3）GSM3000的三軸調(diào)節(jié)是由液壓系統(tǒng)完成，靈敏度高，它與機(jī)載POS系統(tǒng)交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)的自動(dòng)整平，無需人工干預(yù)。即保證了曝光瞬間的穩(wěn)定姿態(tài)，又顯著提高了慣性測(cè)量單元（IMU）的數(shù)據(jù)采集精度。

圖4 GSM3000三軸陀螺穩(wěn)定座駕

2.5 數(shù)字影像后處理軟件

UCXP WA配備專業(yè)的UltraMap數(shù)據(jù)后處理軟件系統(tǒng)，它是由MicroSoft Vexcel公司發(fā)布的攝影測(cè)量系統(tǒng)。它針對(duì)UltraCam影像數(shù)據(jù)提供從0級(jí)影像到最終DOM、DEM、DLG產(chǎn)品制作的完整的高度自動(dòng)化的工作流程。UltraMap采用微軟最新的FrameWork及Dragonfly技術(shù)，管理數(shù)據(jù)的下載，0～3級(jí)影像數(shù)據(jù)的分布式處理，空三加密，DSM／DTM、正射影像制作及交互式數(shù)據(jù)可視化質(zhì)量控制。它具有以下特性：

（1）提供高度自動(dòng)化的影像處理流程；分布式數(shù)據(jù)處理，能夠提高數(shù)據(jù)處理效率；可視化的處理平臺(tái)，操作簡(jiǎn)單。

（2）空三模塊支持同一加密分區(qū)劃分為若干子區(qū)進(jìn)行平差，從而無需加密區(qū)接邊及工程合并，即可實(shí)現(xiàn)大區(qū)域的整體平差；支持多張?jiān)加跋裢瑫r(shí)增加控制點(diǎn)。

（3）采用多基線自動(dòng)匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)DSM的自動(dòng)生成；采用 Winston－Salem濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)地物的自動(dòng)去除，生成DTM產(chǎn)品。

（4）可進(jìn)行真正射產(chǎn)品的制作。

2.6 機(jī)載POS數(shù)據(jù)解算軟件

采用POSPac MMS（POSPac Mobile Mapping Suite）進(jìn)行機(jī)載POS數(shù)據(jù)后處理，該軟件是Applanix公司開發(fā)的用于獲取運(yùn)動(dòng)物體高精度位置，姿態(tài)和速度的POS系統(tǒng)處理軟件，它提供了一套可視化的界面幫助分析計(jì)算結(jié)果，保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。該軟件擁有其專利的IN－Fusion和SmartBase緊耦合數(shù)據(jù)解算技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于：

（1）采用卡爾曼濾波對(duì)IMU和GPS進(jìn)行誤差探測(cè)，利用IAKAR（Inertially－Aided Kinematic Ambiguty Resolution）技術(shù)，保持慣性測(cè)量單元（IMU）定位精度，確保即使GPS出現(xiàn)問題時(shí)，也有較穩(wěn)定的整周模糊度；并在GPS失鎖后，能快速完成對(duì)整周模糊度的解算，并確保水平方向厘米級(jí)的定位精度；消除了航攝飛行時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)彎角小于20°的要求。

（2）SmartBase技術(shù)是基于虛擬參考站技術(shù)而發(fā)展的，它依賴于一個(gè)基站網(wǎng)絡(luò)，從而能很好第獲得整周模糊度的固定解，并為基站和流動(dòng)站建立電離層改正和幾何改正模型；大大提高了基站與測(cè)區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的距離，在測(cè)區(qū)周邊有足夠CORS站（連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)，Continuous Operational Reference System）時(shí)，可無需進(jìn)行地面基站的架設(shè)，解算的數(shù)據(jù)可達(dá)厘米級(jí)精度要求。

POS MMS的數(shù)據(jù)解算流程如圖5所示。

3 UCXP WA航攝系統(tǒng)的應(yīng)用

研究數(shù)據(jù)采用湖南實(shí)踐飛行數(shù)據(jù)，航攝系統(tǒng)采用UCXP WA，實(shí)踐區(qū)基準(zhǔn)面高程70m，航攝相對(duì)航高500m，航向重疊和旁向重疊分別為65%和35%，地面分辨率5cm。共飛行5條航線，獲取航片130張。地面基站就布設(shè)在實(shí)踐區(qū)內(nèi)部，距離測(cè)區(qū)任一點(diǎn)的距離不超過30km。

圖5 機(jī)載POS數(shù)據(jù)后處理流程圖

圖6 機(jī)載POS聯(lián)合解算結(jié)果

首先，使用UltraMap圖像后處理軟件對(duì)獲取的影像進(jìn)行從0級(jí)到3級(jí)的處理。在處理時(shí)，第一步先生成原始未調(diào)色的影像，再根據(jù)其直方圖和色彩平衡，進(jìn)行色彩調(diào)整和均光處理，充分體現(xiàn)了數(shù)字影像的優(yōu)勢(shì)。調(diào)色時(shí)可選取幾張具有代表性地物的影像進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整，達(dá)到滿意效果后，可將調(diào)色方案應(yīng)用到整條航線、整個(gè)架次甚至整個(gè)測(cè)區(qū)的影像。從而保證了即使測(cè)區(qū)面積較大，飛行架次較多，最終成果的色調(diào)仍能保持一致。

然后，應(yīng)用INS／GPS緊耦合方法對(duì)機(jī)載POS數(shù)據(jù)的處理精度（如圖6a和6b所示）可以看出，不論采用單基站（single base）法或者精密單點(diǎn)定位（PPP）法聯(lián)合解算，其位置精度和姿態(tài)精度，均能滿足《IMU／GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)范》中1∶500比例尺平面偏差限值0.08m，高程偏差限值0.3m，速度偏差限值0.4m／s的規(guī)定。保證了后期成果制作的精度。另外，機(jī)載POS數(shù)據(jù)還記錄了航向角、飛行軌跡、飛行高度等多種信息，通過這些信息，可以初步進(jìn)行飛行質(zhì)量的檢查，改變了傳統(tǒng)航空攝影先沖印照片再質(zhì)檢的作業(yè)流程，縮短了工作時(shí)間，并且所有工序和解算均由計(jì)算機(jī)完成，無需人工干預(yù)，基本實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化質(zhì)檢。

綜上所述，UCXP WA型航空攝影系統(tǒng)，具有大幅面、高分辨率、實(shí)時(shí)獲取高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)等優(yōu)勢(shì)。該設(shè)備目前還正在執(zhí)行國(guó)家基礎(chǔ)航空攝影——廈門測(cè)區(qū)任務(wù)。

4 結(jié)束語

大幅面廣角數(shù)字航攝系統(tǒng)UCXP WA，不僅在同類航攝儀中，具有許多優(yōu)勢(shì)，它集成的機(jī)載POS系統(tǒng)，使快速進(jìn)行4D產(chǎn)品的制作成為可能，特別是在應(yīng)急災(zāi)害、遙感地質(zhì)調(diào)查等項(xiàng)目任務(wù)中，必將發(fā)揮重要的作用。

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