大高差地形條件下大比例尺航空攝影的設(shè)計與實現(xiàn)

郭 威

(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所，江蘇 南京 210049)

0 引 言

本項目位于國家某森林公園，具有地勢高，起伏大，多埡口的地貌特征；最高處達(dá)2 158 m，最低處僅180 m，平均海拔1 200 m，高差極為懸殊。森林公園內(nèi)溝谷相間，山勢雄偉，河流侵蝕切割深度達(dá)500～1 000 m；海拔2 000 m以上的有7座，主峰2 158 m，也是華東大陸最高峰；另有1 000 m以上的山峰達(dá)377座；區(qū)域內(nèi)溝壑縱橫，溪流交錯，各類溪流多達(dá)150余條。根據(jù)以上地形地貌條件綜合分析，該地區(qū)地形高差極大，實施大比例尺影像獲取十分困難。攝區(qū)地形如圖1所示。

圖1 攝區(qū)DEM渲染圖

1 航空攝影技術(shù)設(shè)計

1.1 航空攝影技術(shù)路線

航空攝影實施一般包括資料的收集、航攝飛行的設(shè)計、航攝任務(wù)的執(zhí)行[1]、數(shù)據(jù)的預(yù)處理、成果質(zhì)量檢查及資料的整理與移交等環(huán)節(jié)。作業(yè)技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 作業(yè)技術(shù)路線圖

1.2 航空攝影技術(shù)方案

1.2.1 航攝分區(qū)及航線設(shè)計原則

(1)航線敷設(shè)和分區(qū)時，根據(jù)IMU誤差積累的指標(biāo)確定每條航線的直線飛行時間一般不超過25 min。

(2)旁向重疊應(yīng)達(dá)到20%，特殊情況下最小重疊度不得小于13%；丘陵、山地及建筑物密集地區(qū)，設(shè)計時適當(dāng)加大重疊；航向起始和結(jié)束應(yīng)超出半幅圖幅范圍，旁向應(yīng)超超出半幅圖幅范圍，超出部分不應(yīng)小于500 m，且不大于2 000 m。

(3)航線敷設(shè)原則上要求按常規(guī)方法敷設(shè)，對于不規(guī)則測區(qū)，可根據(jù)測區(qū)范圍、測區(qū)內(nèi)地形特點等因素采用特殊方法敷設(shè)。

1.2.2 航攝各分區(qū)基準(zhǔn)面確定

根據(jù)以上原則，按照飛行速度260 km/h，25 min飛行距離為109 km，測區(qū)最大跨度東西方向小于108 km。

(1)區(qū)最高點2 150 m，最低點370m，高差很大且全區(qū)高程普遍偏高，綜合考慮分辨率和飛行安全高度、飛行安全距離的情況，設(shè)計基準(zhǔn)面為1 000 m。

(2)區(qū)最高點1 520 m，最低點270 m，高差較大。低點少量分布在山谷河流地區(qū)，綜合考慮分辨率和飛行安全高度的情況，設(shè)計基準(zhǔn)面為700 m。

(3)區(qū)最高點700m，最低點180m，高差較大且低點較為分散，大多處于河谷河流地區(qū)，綜合考慮分辨率和飛行安全高度的情況，設(shè)計基準(zhǔn)面為300 m。

攝區(qū)各分區(qū)如圖3所示。

圖3 攝區(qū)分區(qū)圖(UCEM3)

1.2.3 飛行航線敷設(shè)要求

本攝區(qū)設(shè)計航線敷設(shè)方向為西南至東北方向，影像航向重疊68%，影像旁向重疊30%，航向超出范圍線≥500 m，旁向覆蓋超出測區(qū)邊界≥500 m。

1.2.4 航攝因子確定

根據(jù)本次項目的地形特征和對影像數(shù)據(jù)的技術(shù)要求，設(shè)計航攝因子如表1所示。

表1 航攝因子表

1.3 航攝飛行的質(zhì)量要求

(1)在飛機起飛前以及降落后POS系統(tǒng)需要據(jù)開始和停止記錄的時間，由于設(shè)備使用機上電源供電且中間不能斷電，故要求在靜態(tài)觀測時間內(nèi)飛機發(fā)動機保持開車狀態(tài)，在停止數(shù)據(jù)記錄后才可停機。

(2)飛機滑行期間應(yīng)避免附近有高大樹木或建筑物等遮擋，以免造成GNSS衛(wèi)星信號失鎖。

(3)飛機上升下降速率不宜大于10 m/s，且飛行過程中轉(zhuǎn)彎坡度不宜超過20°。

(4)若航攝飛行中出現(xiàn)GNSS信號失鎖時，應(yīng)立即終止攝影，并在信號恢復(fù)正常6 min后再進(jìn)入航線進(jìn)行攝影。

(5)進(jìn)入測區(qū)航線時，應(yīng)采用左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎交替方式飛行，每次直線飛行時間不應(yīng)大于25 min。

(6)飛機進(jìn)入第一條航線前和最后一條航線后須進(jìn)行5 min平飛后進(jìn)行S形或8字形飛行，之后再進(jìn)行最多5 min的平飛。

(7)航線旁向重疊大于20%，最少應(yīng)達(dá)到13%；丘陵、山地及建筑物密集地區(qū)，設(shè)計時適當(dāng)加大重疊。

(8)同一航線航高變化不大于相對航高的10%，實際航高變化不大于設(shè)計航高的10%。

2 項目實施情況

2.1 項目軟件和硬件的配置

根據(jù)項目飛行任務(wù)，使用一架P750飛機搭載UCEM3數(shù)字航攝儀(內(nèi)置IMU/DGNSS慣性導(dǎo)航測量系統(tǒng))執(zhí)行本項目的航攝任務(wù)，本項目相關(guān)的軟、硬件設(shè)備和航攝儀參數(shù)如表2和表3所示。

表2 本項目軟、硬件配備表

表3 航攝儀參數(shù)表

根據(jù)以上技術(shù)參數(shù)表可知，本項目所選航攝儀完全滿足并優(yōu)于規(guī)范[2]對航攝儀的選擇的要求。

2.2 航攝影像數(shù)據(jù)處理流程

利用UC系列航攝儀自配軟件UltraMap對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，它采用微軟最新Framework及Dragonfly技術(shù)，管理原始數(shù)據(jù)的下載、分布式0～2級、2～3級數(shù)據(jù)的處理，最后3級影像的命名與輸出，影像數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4 影像數(shù)據(jù)處理流程圖

在影像預(yù)處理的過程中，一般只針對航攝數(shù)據(jù)色調(diào)做統(tǒng)一平衡調(diào)整。在軟件中設(shè)置同一個調(diào)色模板，使得同一架次的影像數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一的調(diào)色參數(shù)，確保了單架次的影像數(shù)據(jù)色彩一致性。

2.3 POS數(shù)據(jù)和地面基站數(shù)據(jù)的聯(lián)合解算

(1)首先對POS原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓，分離出機載GNSS數(shù)據(jù)與IMU慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，然后結(jié)合地面GNSS基站數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，最后利用差分成果與IMU數(shù)據(jù)聯(lián)合解算，解求定向定位數(shù)據(jù)。

(2)每個架次飛行結(jié)束后，應(yīng)對IMU/DGNSS原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、檢查，包括基站GNSS觀測數(shù)據(jù)、機載GNSS數(shù)據(jù)、IMU記錄數(shù)據(jù)以及Logdata日志數(shù)據(jù)，并填寫《航攝飛行記錄表》。

(3)使用Applanix公司開發(fā)的POSpac軟件對POS數(shù)據(jù)進(jìn)行解算[3]。

2.4 項目成果質(zhì)量情況

依照規(guī)范[4]要求，航攝任務(wù)完成后對影像數(shù)據(jù)成果進(jìn)行了全面的檢查，航向重疊57%-83%，旁向重疊15%-69%，影像數(shù)據(jù)色彩均勻飽滿、層次豐富、反差適中，數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)良，滿足規(guī)范[5]和項目技術(shù)設(shè)計的要求。

3 結(jié) 語

通過本項目的實施和對大高差地形條件下航攝技術(shù)特點的研究，我們認(rèn)為在類似項目中應(yīng)注意以下幾點：

(1)當(dāng)航攝比例尺較大時(如大于1/7 000)，攝影分區(qū)內(nèi)的地形高差一般應(yīng)控制在1/6相對航高以內(nèi)。

(2)攝影分區(qū)應(yīng)考慮后續(xù)加密方法和布點方案的要求，在地形高差許可的情況下，盡量劃大航攝分區(qū)的跨度。

(3)當(dāng)?shù)孛娓卟钔蛔?、地形特征顯著不同時，可在保證飛機的安全距離與安全高度條件下增加分區(qū)。

(4)同一分區(qū)內(nèi)的地物反差、地貌類型應(yīng)盡量一致，以便于后期影像處理。

(5)當(dāng)采用GNSS輔助空三作業(yè)時，攝影分區(qū)還應(yīng)保證分區(qū)界線與加密分區(qū)界線的兼容性。