全数字航测相机ADS40工作原理及其应用

杨玉忠 刘君臣 黄勇 王健洁

【摘 要】ADS40是当今最先进的摄影测量系统之一，就ADS40的原理、数据处理流程，以及ADS40和常规摄影测量的区别，在精度等方面作了阐述和分析，并就其在我国摄影测量领域内的应用进行了展望。

【关键词】全数字航测相机，ADS40，三线阵，POS

1 引言

全数字航测相机系统ADS40是全球首台商业机载三线阵传感器，它由德国宇航院与Leica公司联合研制。目前虽然许多国家包括中国已经购买了ADS40用于航测作业生产，目前处在试验应用阶段，价格较为昂贵。是一种能够同时获得立体影像和彩色多光谱影像的多功能、数字化的航空遥感传感器。其立体成像部分由全色波段的前视、后视和R、G、B任一波段的下视三组CCD线阵组成，全色波段每组CCD线阵均由两条线阵按照交叉像元的方式构成超分辨率模式，完成对同一地面区域三幅影像的立体覆盖。彩色成像部分由红、绿、蓝、近红外四条CCD线阵组成，可分别成像，经融合处理合成真彩色影像和彩红外多光谱影像。能同时提供黑白波段、彩色波段以及彩红外波段影像。其全新的成像机理及较高的自动化数据获取处理方式为摄影测量开辟了崭新的途径，并对传统的摄影测量作业方式构成挑战。

2 ADS40相机的特点与技术优势

ADS40推扫式数字航摄仪由传感器头SH40、控制单元CU40、大容量存储系统MM40、操作界面OI40、导航界面PI40、PAV30陀螺稳定平台等部件组成。SH40集成有高性能镜头系统和惯性测量装置IMU，镜头焦平面上安置8条波段CCD阵列探测器，可以生成黑白、彩色及彩红外影像。相机采用单个镜头成像，相比数字航摄仪多镜头口径更大，镜头口径越大，镜头的畸变差越小，成像的质量也就越高；单镜头成像比多镜头成像在原理上更为简单，更宜实现，故障率更低，检校也更加方便。数据后处理设备即徕卡数字摄影测量工作站。

3 ADS40的成像原理

推扫式三线阵CCD相机数字影像的x坐标为常量，对于

前视相机（代号l）：x1=ftgα （1）

下视相机（代号v）：xv=0 （2）

后视相机（代号r）：xr=-ftgα （3）

线阵列推扫传感器的瞬时外方位元素对每一扫描行影像均有不同的数值，是时间的函数。ADS40采用先进的POS系统以及FCMS软件来控制、校正飞机的航线，可以认为其外方位元素的变化是平稳的，可表示为时间的线性函数，即可用下述数学模型描述：

Fi=F0 +Fy （4）

（4）式中含有12个未知参数，通过对POS（IMU/GPS）数据处理，就可以得到航摄时每个扫描行的外方位元素初始值，利用POS数据对0级影像进行纠正，就可以纠正摄影时飞机姿态变化（Rol，l Pitch， Yaw）造成的影像几何变形，产生1级影像。利用1级影像进行影像匹配、加入控制点进行光束法平差后，可以得到每条扫描行精确的外方位元素。它的8个波段所对应的各个线阵都位于焦平面上，在进行航空摄影时，便可得到以一条航线为单位的各波段连续数字影像。

4 ADS40与常规摄影測量的比较

4.1 外业控制及航空摄影方面：（1）ADS40相机在一定的基站范围内，在无控制或少量控制点的情况下完成对地面目标的3维定位。有控制情况下无需内业空三选点加密，相比常规摄影测量，大大减轻生产单位的外业工作量；（2）ADS40相机可以在飞机起飞之前输入有关技术参数，对飞行情况进行实时监控，协调。全自动化控制，操作简单，即时监控和修正航线，提高航摄质量与效率，大大减轻摄影员的操作压力；（3）ADS40可航摄的天气大大高于常规光学相机，甚至可以在水平能见度小于3Km的云下进行大比例尺摄影；（4）ADS40相机获取的是数字影像，当天摄影完毕，影像可以立即下载，供下工序使用。而常规航空摄影后处理所经历的周期太长，专业处理胶片人员和中间环节会影响影像质量；（5）ADS40相机是三线阵推扫式的，获取的影像是以航线为单元的条带影像，其影像能构成3对立体以供观测，不考虑重叠度。常规框幅式相机需要考虑航向重叠度，增加经济成本。

4.2 数据处理方面：（1）在ADS40摄影测量工作站进行数据后处理时，无内定向过程。常规框幅式影像需要进行人工内定向，处理较为复杂；（2）ADS40相机影像是以每条航线为单位，传统框幅式相机影像是以单张相片为单位，各立体像对之间必须保证一定的重叠度。ADS40影像在一条航线范围内，航向不需要接边，提高工作效率；（3）ADS40空三在大面积测区平差时效率较高，人工干预较少，只需观测有限几个控制点，其他均由影像匹配自动完成。ADS40成像机理的复杂性决定了数据后处理过程也较常规摄影测量复杂，选择高精度的IMU/DGPS和空三平差模型对于ADS40而言是十分重要的。

5 结束语

总之，数码相机ADS40在我国的引进与应用，是实现全数字航空摄影的里程碑，是加快航测数字化生产与建设的又一有力工具，但ADS40相机毕竟是新事物、新设备，技术含量高、配套软件多，对其了解、认识、学习、消化、吸收和应用需要一个过程，只有不断试验、探索和研究，加快生产应用系统和接口的开发研制工作，才能使ADS40相机尽早投入到生产应用中。

参考文献：

[1] 梅军，张永生，范永弘.ADS40机载数字传感器的摄影测量处理与应用.郑州：测绘科学技术学报，2002

[2] 王任享.航空三线阵CCD影像测制城市数字正射影像[J].测绘工程，2003，（3）.