大幅面广角数字航摄系统UCXP－WA及其应用

2014-12-11陈洁杨达昌杜磊

地质装备 2014年6期

陈洁，杨达昌，杜磊

（中国国土资源航空物探遥感中心遥感部，北京 100083）

0 引言

随着数字技术的发展，遥感手段已迈入全数字时代。数字航摄系统也逐步取代了传统的胶片像机，成为航空遥感数据获取的主要方式。高精度的航空遥感基础数据在国土资源调查、地质勘探、城市规划和环境动态监测等方面得到了广泛应用。新型的UCXP WA大幅面广角数码航摄系统，采用创新的广角镜头，焦距更短，在相同高度飞行条件下获取的影像地面分辨率更高，同时集成AV POS 510惯性导航系统，曝光瞬间即获得高精度像片中心点外方位元素，可快速制作数字高程模型（DEM）和正射影像（DOM）等产品，无需地面控制测量，极大地提高工作效率，为进行下一步地质调查研究提供详实可靠的基础数据。

本文首先从硬件和软件2方面对该系统进行了介绍，然后对其湖南实践飞行获取的数据，利用特有的INS／GPS紧耦合方法进行单基站和PPP融合解算，并对精度进行评价，为今后使用该系统进行生产作业提供参考依据。

1 航摄系统主要特性

UltraCamXP WA（wide－angle）数字航摄系统，是由Microsoft Vexcel公司研发的新型数字航摄仪，自2004年发布第一代产品至今，该航摄系统是其第四代产品，与其它数字航摄像相比，具有以下5个方面的特性：

（1）超大的影像幅面，可达19600万像素（17310×11310），增加了基线长度，减少了航线数量，有效地缩短飞行时间；一次飞行可同时获取全色黑白、真彩色和彩虹外数码影像；通常数码航摄像机的弊端是由于CCD尺寸问题，其获取的影像幅面较小，造成对地面的覆盖范围较传统的航摄仪要小，使得覆盖相同面积区域的航片数增多，从而增加后期地面和内业工作量，并在此过程中，产生了一些累积误差，使最终产品精度不高。UCXP WA型航摄仪，具有17310×11310像素，像素大小6μm，相当于34.6cm×22.6cm的传统胶片以20μm进行扫描时的像幅大小。目前市场上主流的数码航摄仪的像幅，ADS80是它的69%，DMC是它的79%，UCX是它的83%。这在进行具体生产时，能大大减少航线数目，提高工作效率。

（2）2s的曝光间隔，一方面保证了影像重叠度，另外使低空高速获取影像数据，进行大比例尺测图成为可能；获取的数字影像辐射分辨率最高达16bit，能获取更丰富的地物细节信息，也为后期的影像均光处理工作提供便利；并具有1∶3的融合比，能一次获取真彩色、彩虹外和全色黑白的高品质影像，输出的影像是真正通用的中心投影影像，兼容后期各种摄影处理软件。

（3）部件接口均按照国际标准制作，最大限度地利用现有设备，支持通用的陀螺稳定座架和POS系统；配备专业的机载飞控系统POS Track，基本实现航摄的自动化；

（4）优秀的POS Track软件可进行航摄设计，并利用DEM作为底图对测区航线进行优化，保证了设计方案的可靠性和高效性；还支持其他软件设计方案的导入；影像处理由UltraMap软件完成。

（5）内部集成的高精度Aplenix AV510惯导设备，能在曝光瞬间获取影像姿态信息，可快速制作DEM、DOM等产品。

2 UCXP WA航摄系统主要硬件和软件

2.1 传感器单元

图1 UCXP WA航摄仪传感器

传感器单元由4个全色镜头、3个RGB镜头和1个近红外镜头组成，摄影时采用同位延迟曝光技术，即每个镜头都在相同的位置曝光，再将得到的8幅影像进行无缝拼接，得到一幅最终影像成果。传感器单位的详细参数指标如下表1所示：

表1 UCXP WA航摄仪传感器性能指标

2.2 数据存储和处理单元

机载数据存储和处理单元的单个容量大于4.2TB，可进行约6600张无压缩影像的记录，所有数据进行镜像保存，保证数据完整安全；可在空中更换，单架次获取的影像数量无上限，如图2所示。

图2 数据存储和处理单元

2.3 飞行导航系统

飞行导航系统分为POS Track和NanoTrack两种（如图3所示）。其中POS Track是将Applanix公司的POS AV直接地学定位技术和Track航空公司的XTRACK飞行管理系统（FMS）软件紧密集成为一个小巧坚固耐用的系统。它是一个独立的系统，小巧、方便，不需要复杂的线路和连接器的网络，就可以简便地安装在任何一个飞行器上进行任务规划、飞行导航、稳定平台和传感器自动控制等航空摄影工作，还具有空中初始化、调平稳定平台、自动修正偏流等功能。该系统可为航空摄影测量提供每幅影像或扫面点的外方位元素，从而减少野外控制点，降低工作成本，提高工作效率。提供最高水准的精度和效率，POS Track为机载制图传感器、实时传感器控制和飞行导航提供直接地学定位。

若不使用机载POS系统获取影像姿态数据时，则可使用NanoTrack导航系统，它是由美国Track－Air公司生产的飞行管理系统。该系统功能强大、携带方便、安装简单，与其他设备的兼容性较强。NANOtrack是新一代的入门级航测飞行管理系统，可以连接任何计算机传感器接口。

2.4 稳定陀螺座架

UCXP WA航摄系统配备德国SOMAG生产的GSM3000型三轴陀螺稳定座架（如图4）。航空摄影中稳定装置主要应用于像移补偿，其主要优点是：

（1）大幅降低由大气震荡带来的角速度影响。这会使在曝光时间内产生更少像移宽度。因此可以允许延长曝光时间并扩展航摄的条件甚至在多云条件下。

3 飞行导航系统POSTrack（上）和NanoTrack（下）

（2）消除在曝光时突然情况（如大气紊乱造成的）带来的翻转，倾斜和偏移角度。这会导致影像间的重叠差异大幅降低。

（3）GSM3000的三轴调节是由液压系统完成，灵敏度高，它与机载POS系统交联，实现了姿态的自动整平，无需人工干预。即保证了曝光瞬间的稳定姿态，又显著提高了惯性测量单元（IMU）的数据采集精度。

图4 GSM3000三轴陀螺稳定座驾

2.5 数字影像后处理软件

UCXP WA配备专业的UltraMap数据后处理软件系统，它是由MicroSoft Vexcel公司发布的摄影测量系统。它针对UltraCam影像数据提供从0级影像到最终DOM、DEM、DLG产品制作的完整的高度自动化的工作流程。UltraMap采用微软最新的FrameWork及Dragonfly技术，管理数据的下载，0～3级影像数据的分布式处理，空三加密，DSM／DTM、正射影像制作及交互式数据可视化质量控制。它具有以下特性：

（1）提供高度自动化的影像处理流程；分布式数据处理，能够提高数据处理效率；可视化的处理平台，操作简单。

（2）空三模块支持同一加密分区划分为若干子区进行平差，从而无需加密区接边及工程合并，即可实现大区域的整体平差；支持多张原始影像同时增加控制点。

（3）采用多基线自动匹配技术实现DSM的自动生成；采用 Winston－Salem滤波技术实现地物的自动去除，生成DTM产品。

（4）可进行真正射产品的制作。

2.6 机载POS数据解算软件

采用POSPac MMS（POSPac Mobile Mapping Suite）进行机载POS数据后处理，该软件是Applanix公司开发的用于获取运动物体高精度位置，姿态和速度的POS系统处理软件，它提供了一套可视化的界面帮助分析计算结果，保证数据的质量。该软件拥有其专利的IN－Fusion和SmartBase紧耦合数据解算技术，其优势在于：

（1）采用卡尔曼滤波对IMU和GPS进行误差探测，利用IAKAR（Inertially－Aided Kinematic Ambiguty Resolution）技术，保持惯性测量单元（IMU）定位精度，确保即使GPS出现问题时，也有较稳定的整周模糊度；并在GPS失锁后，能快速完成对整周模糊度的解算，并确保水平方向厘米级的定位精度；消除了航摄飞行时对转弯角小于20°的要求。

（2）SmartBase技术是基于虚拟参考站技术而发展的，它依赖于一个基站网络，从而能很好第获得整周模糊度的固定解，并为基站和流动站建立电离层改正和几何改正模型；大大提高了基站与测区内任一点的距离，在测区周边有足够CORS站（连续运行卫星定位服务综合系统，Continuous Operational Reference System）时，可无需进行地面基站的架设，解算的数据可达厘米级精度要求。

POS MMS的数据解算流程如图5所示。

3 UCXP WA航摄系统的应用

研究数据采用湖南实践飞行数据，航摄系统采用UCXP WA，实践区基准面高程70m，航摄相对航高500m，航向重叠和旁向重叠分别为65%和35%，地面分辨率5cm。共飞行5条航线，获取航片130张。地面基站就布设在实践区内部，距离测区任一点的距离不超过30km。

图5 机载POS数据后处理流程图

图6 机载POS联合解算结果

首先，使用UltraMap图像后处理软件对获取的影像进行从0级到3级的处理。在处理时，第一步先生成原始未调色的影像，再根据其直方图和色彩平衡，进行色彩调整和均光处理，充分体现了数字影像的优势。调色时可选取几张具有代表性地物的影像进行精细化调整，达到满意效果后，可将调色方案应用到整条航线、整个架次甚至整个测区的影像。从而保证了即使测区面积较大，飞行架次较多，最终成果的色调仍能保持一致。

然后，应用INS／GPS紧耦合方法对机载POS数据的处理精度（如图6a和6b所示）可以看出，不论采用单基站（single base）法或者精密单点定位（PPP）法联合解算，其位置精度和姿态精度，均能满足《IMU／GPS辅助航空摄影技术规范》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的规定。保证了后期成果制作的精度。另外，机载POS数据还记录了航向角、飞行轨迹、飞行高度等多种信息，通过这些信息，可以初步进行飞行质量的检查，改变了传统航空摄影先冲印照片再质检的作业流程，缩短了工作时间，并且所有工序和解算均由计算机完成，无需人工干预，基本实现了全数字化质检。

综上所述，UCXP WA型航空摄影系统，具有大幅面、高分辨率、实时获取高精度姿态数据等优势。该设备目前还正在执行国家基础航空摄影——厦门测区任务。