基于ADS100数字航空摄影测量系统的航线设计研究

刘元志 杨阳

摘 要：详细介绍了IMU/GPS辅助ADS100数字航空摄影测量系统的基本参数，对ADS100航线设计的问题进行了研究探讨，总结出ADS100数字航空摄影测量系统航线设计技术特点。

关键词：ADS100；航空摄影测量；航线设计

1 国内外航线设计研究现状

航空摄影是为了航测成图的需要，对测区进行有计划的空中摄影并取得航摄像片的全过程。在航测之前要进行航线的设计，完成合理的飞行成图。国内有些学者使用AutoCAD展点程序解决线路中心上的展点问题，然而此方法并不能解决其他问题。如因地形、天气等因素航线需要变动时，将带来极大的麻烦。

基于此，国内外的一些学者和科研单位进行了航线设计自动化的研究及软件的开发。在国内，裴书琦等人编制了用于航线设计的PAF程序，在计算机上使用该程序可以实现航线设计的自动化。在输入摄影比例尺、地面采样间隔（GroundSampling Distance，GSD）、航摄范围等相关参数后，程序会自动分析并解算出航摄中的各种详细数据，并以表格形式输出。

国外方面，Carl Zeiss 与 Intergraphy 公司共同研发了Z/I Imaging数字航摄像机系统。其中的“任务规划（ImageStation Mission Planning，简称ISMP）”软件，他们称之为“航测过程中的一个创新性的解决方案”。其他例如德国IGI公司研发的CCNS系统、荷兰Track Air公司研发的Tracker系统、瑞士Leica公司研发的FCMS系统等。

2 航线设计与试验

在航空摄影测量中，航线设计按照摄区的形状可以分为两种：一种是面状摄区的航线设计，如用于数字城市、电子地图等基础地理信息采集的航线设计；另一种是带状摄区的航线设计，如公路、铁路、南水北调、西气东输等项目的应用。本节以面状摄区的航线设计为例，详细讲述了湖南某摄区的航线设计。

2.1 航摄仪的介绍

2013 年10月我院在省内首次引进瑞士leica公司ADS100系统。该系统为推扫式航摄仪，影像宽度达20000像素。本文使用ADS100数字航摄仪及其配套航线设计软件，详细讲述了湖南某摄区的航线设计。

2.2 航线设计

航线设计是航空摄影测量工作的重要组成部分，是对航摄区域按照航测成图要求和航摄规范要求，规划设计出实际需要飞行的线路，为航摄飞行提供依据。航摄飞行设计主要包括航线位置、航线数量、航线间隔、旁向重叠度、航向重叠度、地面分辨率、相对航高、平均海拔等内容。为了避免飞行设计人为因素的干扰并提高设计的工作效率，ADS100数字航摄仪提供配套的航线设计软件Missionpro。

2.2.1准备工作

在进行航线设计之前，要收集摄区的基本资料，确定摄区范围、机场选取、气候条件、地形因素、DEM等。

航线设计软件Missionpro是利用SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）数据对摄区范围内的区域进行高程统计。SRTM数据是美国雷达获取的影像数据，通过加工制成的数字地形高程模型。

2.2.2 参数计算

（1）相对航高

ADS100数字航空摄影仪焦距为62.7mm，数字航空摄影的地面分辨率（GSD）与飞行相对高度的关系如图1所示。

由图可知：

可以推导出：

在GSD一定的条件下，相对航高h的大小取决于镜头焦距。航空摄影对天气要求较高，需要在天空晴朗、无云的条件下进行，飞行高度越低，可航摄天气就越多。

（2）地面分辨率GSD

在航空摄影测量中，基准面是摄区的高程均值。摄区地形是起伏不定的，尤其是在地形复杂的山区，高差较大，山顶和山谷在影像上所呈现出的分辨率是不同的。为了满足规范的要求，需要计算最高点和最低点的GSD。如图2所示，摄影H 与图1中h表示相同的意义，即相对航高。

f为航摄仪的焦距，选定之后为固定值，a也是固定值，因此GSD的大小跟地形起伏的高差有直接的关系：

（3）重叠度

ADS100为推扫式数字航摄仪，采用三线阵CCD 扫描和专业的单一大孔径镜头，一次飞行可以同时获取前视、下视和后视影像，具有航向100% 三度重叠。

基准面上的重叠度：旁向重叠度；影像在△h高度时的重叠度：旁向重叠度；由于受地形起伏的影响，重叠度会有变化，

即：

2.2.3 航摄分区

航空摄影测量规范要求航摄分区划分原则如下：

（1）当地面分辨率大于20cm时，分区内的地形高差不应大于四分之一摄影航高；当地面分辨率小于或等于20cm时，分区内的地形高差不应大于六分之一摄影航高。

（2）摄区范围应为拐点尽量少、各边大致为东西或南北方向的凸多边形。

（3）摄区划分应考虑航线布设的方向及长度。航线一般按东西或南北方向飞行，单条航线的长度应保证飞行时间不超过25分钟。

在符合以上原则的情况下，摄区划分得越大越好。

飞行质量的要求：

相邻航线的像片旁向重叠度一般应为20%-30%，个别最小不应小于13%，但不得连续出现。

因此，摄区内地形高差是决定是否分区的主要因素。

2.3 实例分析

湖南某攝区，地面分辨率为0.2m，按照上述要求，航摄分区内高差不应大于1/6摄影航高。摄区位于湖南省南部、湘江中游，东西横跨64.5公里，南北纵长90.5公里，总面积2538平方千米。北部为丘陵，南面为高山地，平均海拔112米，南部的摸天岭和黄凸山海拔均为1438米，是摄区内最高点。

利用SRTM数据统计测区内的高程值，根据上述分区原则将该摄区分为三个航摄分区：

根据公式，当GSD=0.2m时，可求得相对航高=2508m，1/6相对航高为418m，根据分区边界范围求得的各分区最大高程与最小高程之差均大于418m，不满足规范要求。但是由图3可以看出攝区内绝大部分高程都在500m左右，此时高差为400m左右，小于418m。满足要求。

根据公式计算

最低点的地面分辨率：

=0.22

最高点的旁向重叠度：

=0.19

使用航线设计软件Missionpro进行航线设计时，要注意相关环节。

通过对传感器参数、飞行计划参数的正确设置经过计算得到最为合理的航线分布。

2.4 成果输出

利用航线设计软件Missionpro可以输出的成果包括摄区边界坐标、摄区面积、航线起始点坐标、航线长度、航高、最大最小GSD以及最大最小旁向重叠度等数据的xls文件。

3 总结

本文系统阐述了航空摄影测量的有关理论，并介绍航空摄影测量航线设计应用方法，结合具体实例，详细讨论了使用ADS100数字航摄仪配套航线设计软件Missionpro 进行航线设计。

在以湖南某摄区为例进行航线设计的过程中发现和总结了一些问题：

（1）由于航线设计软件Missionpro是利用 SRTM 数据对摄区范围内的区域进行高程统计，而目前 SRTM 地形数据公开的仅为90米分辨率的数据。当摄区位于地形复杂的山区时，使用 SRTM 地形数据容易出现高程异常情况，尤其是在高差较大的山区，易导致重叠度不足的问题。如何提高摄区范围内高程统计的精度，减少因设计不足造成的问题？

（2）在进行航摄分区时，不可能严格按照现有的航摄规范及分区原则进行分区。分区太小，会影响航摄飞行，增加内业工作量，曾大作业难度；否则又会造成GSD、重叠度等不满足要求。制定更为合理的航摄规范及分区原则需要更多的实践来验证。

（3）在地形起伏较大的地区，分区内的GSD、重叠度计算满足要求，进行影像采集时由于气流较大等因素会造成运载体在空中偏离航线、上下高差较大等问题，导致影像重叠度不足。在进行航线设计时，设计要求和实际要求如何平衡？

参考文献：

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