A3无控制点获取高精度结果的原理和方法研究

周树旺

摘 要：以色列VisionMap公司的A3数码航空摄影测量系统在设计理念方面有很大的创新，该文介绍了A3系统的一些原理与方法，包括无控制点获取的高精度结果、拍摄过程中各种位移补偿方法、数据后处理的能力和方式等内容。通过分析验证了A3系统中一些巧妙的设计使其性能能够满足相应的标准。

关键词：数码航摄仪 位移补偿 控制点 影像

中图分类号：P23 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（c）-0024-04

自2000年第一台真正意义上的数码航摄相机发布并投入使用以来，数码航空摄影测量一直在争议中不断发展。经过10多年的发展至今，数码航摄摄影已基本取代了传统光学胶片航空摄影。在此期间受限于CCD尺寸、存储设备、数据传输速率、计算机技术和光学镜头工艺水平等等技术限制，为获取更高的航空摄影效率和精度，不得不使用额外的设计，由此衍生了多种多样的数码航摄仪。

按照成像方式一般可以将数码航摄仪分为单一大面阵，多镜头、多CCD合成大幅面框幅式和线阵推扫式几大类。很难用一个统一的标准去衡量这些数码航摄仪的优劣，他们各有特点，适用于不同的领域。

该文介绍的以色列VisionMap公司设计生产的A3数码航空摄影测量系统是比较特殊一种。这种数码航摄仪使用了多种尝试和创新，并取得了成功。本文主要介绍并分析了A3数码航空摄影测量系统的一些原理和技术。

1 扫视拍摄方式

单方向匀速摆动扫视拍摄后快速回摆，每台相机获取每秒可获取3-4幅子影像；

一个扫视周期内获单个相机最多可获取33幅子影像；

两台相机同时获取的子影像之间重叠度不少于2%，扫视方向上相邻子影像重叠度不少于15%（见图1）。

单次摆动扫视后的影像通过纠正后可合成幅面达62000pix×8000pix的大幅面中心投影影像（见图2）。

2 覆盖能力

扫摄视场角104度，设航高H，理论上其单张大幅面影像覆盖宽度为：

2H×tan52=2.56H

即覆盖宽度为航高的2.56倍。

但是为保证正射影像的合理性，需要以传统光学胶片航摄相机旁向重叠25%（平地、村镇）和40%（山地、城区）情况下的地物投影差为界作为分类标准，将获取的大幅面影像分为正射影像和倾斜影像两个部分（见图3、图4）。

为保证正射影像区域的地物投影差满足要求并存在一定的重叠度，使用A3数码航摄仪拍摄时旁向重叠度在平地、村镇地区一般需要大于60%。在山地、城区执行航空摄影时为保证效果，其旁向重叠度应大于80%。

此时在相同飞行高度情况下A3数码航摄仪的航线间隔略优于其他数码航摄相机，但是考虑到A3数码航摄像机获取同样地面分辨率的影像时，其飞行高度一般是同类数码航摄相机的1.5～3倍，所以在获取同样地面分辨率情况下，其正射影像区域覆盖能力也是同类相机的1.5～3倍（见表1、表2）。

3 无控制点获取高精度结果的原理和方法

A3数码航摄系统携带有双频GPS，可实时记录每张子影像的位置信息。通过地面基站或事后精密单点定位技术解算获取每张子影像的精确位置精度可达2～20 cm。

扫摄时同一周期内获取的相邻子影像重叠度大于15%，相邻周期直接对子影像重叠度（航向方向上重叠度）大于56%，相邻航带旁向重叠度在60%以上，所以同一地物可出现大量的影像上，这些地物各自对应一组独立的子影像位置信息（见图5）。

通过大量重叠子影像，充分利用多目视觉、多基线匹配技术，对同一地物可获取大量匹配数据。构建三角网非常紧密，可同时获取大量的冗余结果，这些结果通过平差解算足以以一个较高的精度趋近真实值。（见图6）

在航向方向上相邻影像由于基线非常短，投影差很小，有助于提高匹配数量、匹配精度、定向精度进而提高平面精度。

在相邻航带之间，由于旁向重叠度一般大于55%，可以同样可用于匹配、量测等作业。而相邻航带之间视场角很大，可充分利用基高比大的优点获得很好的高程精度和人工量测精度（见表3）。

正射影像和倾斜影像均参与匹配和平差，同一地物不同角度的数据均参与计算，可以有效验证精度的可靠性。

综合以上各种有利条件，通过光束法区域网平差和其自创的验证算法，A3数码航空摄影测量系统理论上可以在无控制点的情况下获取较高的精度。

4 拍摄过程中各种位移补偿方法

相比于传统数码航摄相机，A3数码航摄相机在拍摄过程中存在不仅在飞行方向上存在位移变化，在其摆动扫摄方向上也存在的位移，并且没有陀螺稳定座驾补偿飞机飞行过程中震动和姿态变化带来的位移。必须通过设计补偿以上各种位移。

A3数码航摄系统通过全局快门曝光模式缩短曝光时间，此模式下所有像素同时曝光，可以保证所有像素在曝光时刻精度的一致性。

基于加速度传感器和实时GPS的数据，通过编码器计算所需要补偿的参数，并通过此参数控制一个特殊的内置镜头组做微小的姿态变化，从而达到补偿各种位移和角度变化的目的。其补偿方式和消费级单反数码相机的光学稳定系统（俗称镜头防抖）相同，但VisionMap声称其合作的镜头和相机后备提供商（佳能公司）做了特殊的设计，使其性能比一般消费级的光学稳定系统好。

在实际的飞行中，通过获取的影像也表明这一方式可以有效补偿像素位移（见图7）。

5 数据后处理的能力和方式

数据下载后通过地面基站或精密单点定位技术计算每张子影像的高精度位置信息。以这些位置信息为基础进行匹配和区域网平差。

通过光束法区域网平差计算改正后合成大幅面影像的虚拟相机的自检校参数，并输出立体模型和纠正后的大幅面影像供立体测量使用。

评估精度并可生成DSM、DTM，同时可以计算、整理、生成并输出倾斜影像和正射影像。

在此过程中A3数码航摄相机分散的数据结构非常适合分布式作业，处理时间可以随着后处理硬件设备的数量和能力稳步提高（见图8）。

6 结语

A3数码航空摄影测量系统通过一系列巧妙的设计使其性能确实达到了其声称的标准。

在获取倾斜影像时，只能获取旁向方向上两个角度的倾斜影像，飞行方向上两个角度的倾斜度并不高，其应用有一定的限制但能满足大部分需要。

通过分析可以看出在获取地面分辨率低于10 cm时有很大优势，在获取优于5厘米影像时，其效率开始大幅下降。

当获取10～25 cm分辨率时，A3数码航空摄影测量系统效率是其他数码航摄相机的2～4倍。

当地面分辨率低于25 cm时，其飞行高度将大于7500 m。在此高度上执行航空摄影，对天气、能见度、飞行器的要求有了非常苛刻的要求，制约了其获取更低分辨率提高效率的能力。当对分辨率要求不高时，同类数码航摄相机可以通过提高飞行高度以达到相同地面覆盖效率。

虽然通过一系列的补偿装置有效减少了各种位移带来的影响，但是A3数码航摄相机300 mm的超长焦距，飞行时相对较高的高度，使其依然无法使用较慢的快门速度，对光照和能见度要求相对较高。

无控制点后处理方式和多基线、多目视觉的应用非常值得借鉴，将大幅提高作业效率和精度。

参考文献

[1] 张祖勋.数字摄影测量的发展与展望[J].地理信息世界，2004（3）.

[2] 韩磊，蒋旭惠.几款数字航摄相机的应用与比较[J].城市勘测，2006（5）.

[3] GIM International Magazine， Dr. Yuri Raizman， Flight Planning and Orthophotos.

[4] 张小红，刘经南，Rene Forsberg.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（1）.

[6] 赵梅芳，沈邦兴，吴晓明，蒋登峰.多目立体视觉在工业测量中的应用研究[J].计算机测量与控制，2003（11）.

[5] 张剑清，胡安文.多基线摄影测量前方交会方法及精度分析[J].武汉大学学报（信息科学版），2007（10）.

[7] 张永军，张勇.大重叠度影像的相对定向与前方交会精度分析[J].武汉大学学报（信息科学版），2005（2）.

[8] FIG Working Week 2009， VisionMap A3 - The New Digital Aerial Survey and Mapping System 52nd Photogrammetric Week， Stuttgart， Germany， 2009， “The New VisionMap A3 Airborne Camera System”.

[9] ISPRS Congress Beijing 2008， VisionMap A3 Super Wide Angle Mapping System： Basic principles and workflow.

评估精度并可生成DSM、DTM，同时可以计算、整理、生成并输出倾斜影像和正射影像。

在此过程中A3数码航摄相机分散的数据结构非常适合分布式作业，处理时间可以随着后处理硬件设备的数量和能力稳步提高（见图8）。

6 结语

A3数码航空摄影测量系统通过一系列巧妙的设计使其性能确实达到了其声称的标准。

在获取倾斜影像时，只能获取旁向方向上两个角度的倾斜影像，飞行方向上两个角度的倾斜度并不高，其应用有一定的限制但能满足大部分需要。

通过分析可以看出在获取地面分辨率低于10 cm时有很大优势，在获取优于5厘米影像时，其效率开始大幅下降。

当获取10～25 cm分辨率时，A3数码航空摄影测量系统效率是其他数码航摄相机的2～4倍。

当地面分辨率低于25 cm时，其飞行高度将大于7500 m。在此高度上执行航空摄影，对天气、能见度、飞行器的要求有了非常苛刻的要求，制约了其获取更低分辨率提高效率的能力。当对分辨率要求不高时，同类数码航摄相机可以通过提高飞行高度以达到相同地面覆盖效率。

虽然通过一系列的补偿装置有效减少了各种位移带来的影响，但是A3数码航摄相机300 mm的超长焦距，飞行时相对较高的高度，使其依然无法使用较慢的快门速度，对光照和能见度要求相对较高。

无控制点后处理方式和多基线、多目视觉的应用非常值得借鉴，将大幅提高作业效率和精度。

参考文献

[1] 张祖勋.数字摄影测量的发展与展望[J].地理信息世界，2004（3）.

[2] 韩磊，蒋旭惠.几款数字航摄相机的应用与比较[J].城市勘测，2006（5）.

[3] GIM International Magazine， Dr. Yuri Raizman， Flight Planning and Orthophotos.

[4] 张小红，刘经南，Rene Forsberg.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（1）.

[6] 赵梅芳，沈邦兴，吴晓明，蒋登峰.多目立体视觉在工业测量中的应用研究[J].计算机测量与控制，2003（11）.

[5] 张剑清，胡安文.多基线摄影测量前方交会方法及精度分析[J].武汉大学学报（信息科学版），2007（10）.

[7] 张永军，张勇.大重叠度影像的相对定向与前方交会精度分析[J].武汉大学学报（信息科学版），2005（2）.

[8] FIG Working Week 2009， VisionMap A3 - The New Digital Aerial Survey and Mapping System 52nd Photogrammetric Week， Stuttgart， Germany， 2009， “The New VisionMap A3 Airborne Camera System”.

[9] ISPRS Congress Beijing 2008， VisionMap A3 Super Wide Angle Mapping System： Basic principles and workflow.

评估精度并可生成DSM、DTM，同时可以计算、整理、生成并输出倾斜影像和正射影像。

在此过程中A3数码航摄相机分散的数据结构非常适合分布式作业，处理时间可以随着后处理硬件设备的数量和能力稳步提高（见图8）。

6 结语

A3数码航空摄影测量系统通过一系列巧妙的设计使其性能确实达到了其声称的标准。

在获取倾斜影像时，只能获取旁向方向上两个角度的倾斜影像，飞行方向上两个角度的倾斜度并不高，其应用有一定的限制但能满足大部分需要。

通过分析可以看出在获取地面分辨率低于10 cm时有很大优势，在获取优于5厘米影像时，其效率开始大幅下降。

当获取10～25 cm分辨率时，A3数码航空摄影测量系统效率是其他数码航摄相机的2～4倍。

当地面分辨率低于25 cm时，其飞行高度将大于7500 m。在此高度上执行航空摄影，对天气、能见度、飞行器的要求有了非常苛刻的要求，制约了其获取更低分辨率提高效率的能力。当对分辨率要求不高时，同类数码航摄相机可以通过提高飞行高度以达到相同地面覆盖效率。

虽然通过一系列的补偿装置有效减少了各种位移带来的影响，但是A3数码航摄相机300 mm的超长焦距，飞行时相对较高的高度，使其依然无法使用较慢的快门速度，对光照和能见度要求相对较高。

无控制点后处理方式和多基线、多目视觉的应用非常值得借鉴，将大幅提高作业效率和精度。

参考文献

[1] 张祖勋.数字摄影测量的发展与展望[J].地理信息世界，2004（3）.

[2] 韩磊，蒋旭惠.几款数字航摄相机的应用与比较[J].城市勘测，2006（5）.

[3] GIM International Magazine， Dr. Yuri Raizman， Flight Planning and Orthophotos.

[4] 张小红，刘经南，Rene Forsberg.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（1）.

[6] 赵梅芳，沈邦兴，吴晓明，蒋登峰.多目立体视觉在工业测量中的应用研究[J].计算机测量与控制，2003（11）.

[5] 张剑清，胡安文.多基线摄影测量前方交会方法及精度分析[J].武汉大学学报（信息科学版），2007（10）.

[7] 张永军，张勇.大重叠度影像的相对定向与前方交会精度分析[J].武汉大学学报（信息科学版），2005（2）.

[8] FIG Working Week 2009， VisionMap A3 - The New Digital Aerial Survey and Mapping System 52nd Photogrammetric Week， Stuttgart， Germany， 2009， “The New VisionMap A3 Airborne Camera System”.

[9] ISPRS Congress Beijing 2008， VisionMap A3 Super Wide Angle Mapping System： Basic principles and workflow.