基于轻型飞机搭载SWDC-4数字航摄仪在大比例尺地形图测图中的研究

2016-06-02李春山新疆疆海测绘院新疆乌鲁木齐830000

中国科技纵横 2016年1期

李春山(新疆疆海测绘院,新疆乌鲁木齐 830000)

李春山
(新疆疆海测绘院,新疆乌鲁木齐 830000)

【摘要】目前,数字航空摄影测量基本取代了传统的胶片航空摄影,正在被越来越多的单位和用户广泛采用,无论是扫描式航空摄影还是框幅式航空摄影,都是现代科技的一次革命,航空摄影的作业效率得到了进一步的提升,其优势越来越明显。根据多年利用轻型飞机搭载SWDC-4数字航摄仪进行大比例尺地形图航摄的经验,作者阐述了在航摄设计及航摄过程中应注意的几个方面及数字航空摄影测量方面的应用。

【关键词】SWDC-4 大比例尺地形图航空摄影技术设计 GPS辅助空中三角测量

1 引言

近年来，随着科技的不断进步和飞速发展，数字信息得到了空前的发展，作为航空摄影数字信息技术发展时期的重要代表，各种规格、不同型号的数字航摄仪相继推出。其中，国外具有代表性的数码航摄仪有Leica的ADS100，Vexcel的UCD，Z/I Imaging的DMC等。中国通过这几年的探索，也研制出了具有自主产权的数字航空摄影仪——SWDC-4。作者通过这几年对SWDC-4数字航摄仪的使用情况，谈谈此航摄仪在大比例尺地形图测图中的应用。

2 数字航空摄影测量的优势

数字摄影测量与传统的摄影测量相比，数字摄影测量成本低、成图周期短、精度高、对天气要求低，已成为当今主要的测量方法。利用数字相机进行航空摄影测量，没有了传统胶片的冲洗等后处理过程，拍摄完毕马上就能对飞行质量、拍摄的影像质量以及拍摄有无漏洞进行检查，这就使得航摄作业变得十分快速、方便、灵活。

利用IMU/GPS辅助航空摄影方法成图，采用差分GPS技术或精密单点定位技术(PPP)已能准确获取航摄仪曝光时刻的摄站坐标，将其纳入空三参与平差将极大地减少了地面控制点数目，减少了外业工作量，提高了生产效率，降低了生产成本。

图1

图2

表1 摄影比例尺、成图比例尺与GSD的对应关系

3 数字航空摄影系统综述

SWDC-4数字航空摄影系统由三部分组成，包括相机部分、计算机控制系统及机载GPS系统。外形尺寸长为0.6m，宽为0.5m，高为0.7m(不包括计算机控制系统)，重量约60kg，相机示意图如图1。

SWDC-4数字航空摄影系统适合搭载在轻小型飞机上使用，如：蜜蜂、海燕等轻型飞机，也能搭载在大中型飞机上使用，如：奖状、赛斯纳208、运-5等机型。对于几百平方公里的小摄区，就考虑成本及效率来说，用轻型飞机比较适宜。

与传统航空摄影测量设备及进口数字航空摄影测量系统相比较，SWDC-4数字航空摄影系统有以下优点：

(1)相机焦距短，角分辨率大，基高比能满足高程精度要求，且飞行高度低，是同样地面分辨率的进口航空数字相机拍摄航高的1/2-1/3。

(2)可以在云下和轻薄雾天通过调整光圈和快门，或调高感光度拍摄，对飞行天气的要求大大低于传统胶片航摄仪。

4 轻型飞机综述

海燕650 C飞机为四座轻型飞机(图2)，飞机翼展14.9米，长度7.6米，高度2.1米，有效载荷重量350公斤，非常适合用于数字航空摄影测量。该机具有优良的飞行性能和操纵品质，此外飞机性价比优，经久耐用、安全可靠、便于维护。该飞机可拆卸组装，利于转场。对跑道要求不高，适于野外起降。

5 数字航空摄影在大比例尺地形图测图的研究

现今，大比例尺地形图基本上正在被数字航空摄影测量所替代，尤其是高山峡谷地带，大大解放了人力资源，航测法大比例尺成图技术理论已趋于完善。数字航摄仪的引用仅是摄影手段及影像承载介质的变革，其成图过程仍基本包括航空摄影技术设计、航测外业(控制测量及像控测量)、航测内业(空三加密及立体测图)、图形编辑以及贯穿始终的质量检查与质量控制。

5.1 航空摄影技术设计

应用航测法生产大比例尺地形图，航摄质量至关重要，是最终成果质量好坏的重要前提。传统胶片相机的摄影比例尺由焦距(f)/相对航高(H)决定，数字相机标注焦距相对于胶片相机要小得多，所以用f/H计算的摄影比例尺非常小，与胶片相机没有可比性。因此数字航摄国际统一使用地面分辨率—GSD(Ground Sample Distance)概念，包括遥感影像。

鉴于航摄质量的重要性，首先必须确定符合设计成图要求的GSD，由成图比例尺确定GSD，然后根据摄区的最大平均高程和最小平均高程算出航摄的绝对航高。GSD是图上0.1 mm代表的地面实际距离，即像元地面尺寸。一般要求如表1。

5.1.1 像片重叠度控制

在整个航空摄影实施过程中，设计人员对航摄数据因子的设计是常重要的，其中应对重叠度的计算要重视。如果要是因为技术设计中重叠度的计算出现失误，会导致本次航摄成果的作废，其造成的直接经济损失包括飞机飞行费用、随行人员的费用，间接经济损失包括航空摄影时间的错失，任务工期的推迟等等。

像片航向重叠度一般要求为60%-65%，最小不应小于53%，旁向重叠度为20%-30%，最小不应小于13%。《数字航空摄影规范第1部分：框幅式数字航空摄影》4.2.3条规定“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。”对于平坦及丘陵地区，相对高差较小，这条要求容易满足。而对于海拔较高，相对高差较大的地区，尤其是高山地，进行测绘航空摄影法成大比例尺地形图，地形高差往往大于1/6相对航高，甚至大于1/4的相对航高，对此类摄区分区又不能划分的太细，很多地区为高山峡谷，所以在设计重叠度因子的时候，在不改变相对航高的情况下，可以加大航向和旁向的重叠度，以保证航向或旁向不会产生相对或绝对漏洞。

在做航线设计时，计算出摄区最高高程处的重叠度，保证摄区高点重叠度处于规范要求的范围(航向重叠度不小于53%，旁向重叠度不小于13%)就可以。但在飞机沿航线飞行过程中，由于风向的突然改变、上下气流等影响会造成飞机的侧滑和倾斜，难免会引起像片有旋角。所以在摄区高程最高高程处的计算上要加大最小重叠度的设计，尽量保证航向有60%重叠，旁向有20%的重叠，从而尽可能的避免了出现航摄相对或绝对漏洞的重大错误。当然，要有效的控制大旋角的产生，应重点防止飞机的倾斜和侧滑，选择好天气和采取有效措施保持好飞机在航线飞行过程中姿态。

由于SWDC-4数字航摄系统搭载平台有时为轻小型飞机，所以对飞机的飞行高度有了一定的限制，一般轻型飞机的最高升限为3800m左右。要是对于海拔较高的山区，按照成图要求的GSD设计很难达到所飞行的海拔高度。对此可以采用缩小GSD和增大航向和旁向重叠度的方法来进行设计。

5.1.2 飞行质量控制

飞机在航摄过程中尽量保持平稳，由于数字航摄大比例尺的航线间隔比较小，为了避免机载GPS信号发生失锁，影响机载GPS数据后处理解算精度，要求飞机在出航线尾部，进入下一条航线时，转弯半径要大，可以呈纺锤形飞行，尽量减小飞机的倾斜角。

5.2 航空摄影测量外业控制

基于SWDC-4数字航空航摄仪作业模式为带机载GPS的辅助空中三角测量，所以要求测量外业在地面需要做一部分的地面控制点。为提高航测内业空三及成图的精度要求，像控点最好为布设好的地面标志点，地面标志点中心标志点的大小为航摄设计GSD的3倍。地面标志点的颜色和周围的地物要有色差，以便在影像中快速、准确的找到地标点。

为了求解WGS84坐标系和国家统一坐标系或用户选定的独立坐标系之间的转换关系(七参数)，需要联测地面控制点。有个转换关系就能把空中GPS摄站坐标(WGS84)转换至地面国家统一坐标或独立坐标。

6 GPS辅助空中三角测量

在摄影测量航测内业中有一项重要的工作是空中三角测量，其目的是加密控制点。但加密点的工作通常需要一定数量的地面控制点(像控点)，而航测地面控制测量工作通常是较艰苦或困难的，因此如何减少航测外业控制的工作量成为一个重要的研究课题。近年来，机载GPS辅助空中三角测量技术己成为摄影测量研究与应用的热门技术，它在实现少地面控制或无地面控制的摄影测量中发挥着重大作用。

GPS辅助空中三角测量是利用安装于飞机上与航摄仪相连接的和设在地面上一个或多个基准站上的至少两台GPS信号接收机同步而连续的观测GPS卫星信号，同时获取数字航摄仪摄影瞬间的快门脉冲，通过GPS载波相位测量差分定位技术的离线数据后处理获取航摄仪曝光时刻摄站的三维坐标，然后将其视为附加观测值引入摄影测量区域网平差中，经采用统一的数学模型和算法以整体确定物方点位和像片方位元素。

近年来，国内外一些学者开展了基于国际IGS精密卫星轨道参数和卫星钟差的“非差相位精密单点定位”的研究，以实现单台双频接收机实时动态定位(Percies Point Positioning)，简称PPP。这是一种非常具有应用前景的单点定位技术，该技术单站GPS可达到几个厘米的精度，作业不受距离限制，不需要基准站支持，这无疑大大提高了高精度定位作业的灵活性，降低了作业的成本，特别适用于航空摄影测量中。GPS辅助空三测量中应用了该项技术，该技术特别适合在我国西部这种无或少地面站地区进行航测作业。