A3数字航摄系统在航空摄影中的应用

仉明，王冬

(天津市测绘院，天津 300381)

A3数字航摄系统在航空摄影中的应用

仉明*，王冬

(天津市测绘院，天津 300381)

A3数字航摄仪是新一代的航摄仪，在国内应用较少，本文详细介绍A3数字航摄仪系统组成，并通过实际生产，以天津市为例，重点介绍A3数字航摄仪技术路线，关键技术，并展示其生产的DOM及实景影像三维成果。

A3数字航摄仪；航空摄影；DMC

1 引 言

由于A3数字航摄系统在国际相关领域属非常新的航空摄影设备，该设备在2009年完成产品定型并批量生产，在国内尚无应用。本文简单介绍了A3数字航摄系统的系统组成，A3数字航摄仪的成像原理，以A3数字航摄系统在2014年天津市域应用为例，重点介绍A3数字航摄仪技术路线，关键技术，并展示其生产的DOM及实景影像三维。

2 A3数字航摄系统简介

2.1 A3数字航摄系统组成

A3数字航摄系统包括两部分：第一部分为A3数字航摄仪；第二部分为LightSpeed数据后处理软件系统。

2.2 A3数字航摄仪原理

A3数字航摄仪使用双量测数码相机刚性固定组合，相机围绕一个中心轴作最高可达109°的高速旋转和拍照。每个量测数码相机焦距为 300 mm。

航空摄影时，A3相机镜头做单方向扫摆运动，每次扫视结束后快速回摆，镜头扫摆速度与飞机航速有关。飞机飞行速度快，则镜头扫摆速度快，飞机飞行速度慢，则镜头扫摆速度慢。每次拍摄每台相机每秒可获取7.5幅子影像。单个相机一个扫视周期内最多可获取33幅子影像，一次单一的扫描完成时间约为 3.6 s。A3数字航摄仪单次扫描结构图，如图1所示。两台相机同时获取子影像之间重叠度为2%，沿着相机扫视方向，相邻子影像重叠度不少于15%。单次摆动扫视后的影像经过影像纠正和拼接可合成幅面达62×8 Mpix的大幅面中心投影影像。(A3数字航摄仪单次扫描拼接图如图2所示)

图1 A3数字航摄仪单次扫描结构图

3 A3数字航摄系统在天津市数字产品生产中的应用

3.1 任务介绍

2012年1月5日，国家测绘地理信息局与天津市人民政府在天津共同签署了合作开展数字天津地理空间框架建设及地理国(市)情监测协议，根据签订的省部共建协议要求，为了满足天津地理空间框架建设中的数字城市内容的需要，天津市测绘院于2014年利用A3数字航摄系统完成了天津市全市域1.4万km2的航空摄影，天津市全市域数字正射影像(DOM)制作，天津市重点城区3 000多km2的影像三维航空摄影，天津市重点城区3 000多km2实景影像三维数据制作。

3.2 技术路线

本次作业技术路线如图3所示，主要采用A3摄影测量系统自带的LightSpeed软件完成，后期改合ArcGIS、Photoshop、Erdas软件来完成。

A3获取的数据进行实景影像三维生产技术路线如图3所示：

图3 A3获取的数据进行实景影像三维生产技术路线图

3.3 关键技术

(1)多角度航空摄影

A3数字航摄仪具有0°，45°，135°三种不同的安装方式，具体安装如图4所示：

图4 A3数字航摄仪安装角度图

0°：数字航摄仪主纵线与飞行方向一致，数字航摄仪镜头扫描方向与飞行方向垂直，飞行基线最短。

45°：数字航摄仪主纵线以飞行方向为轴，逆时针旋转45°，数字航摄仪扫描方向与飞行方向夹角为135°。

135°：数字航摄仪主纵线以飞行方向为轴，逆时针旋转135°，数字航摄仪扫描方向与飞行方向夹角为225°。

图5 传统数字航摄仪航线空域范围图

图6 A3数字航摄仪航线空域范围图

如图5、图6所示中红色线区域为三维模型制作范围，蓝色线区域为航摄所需的空域范围，绿色线为航线。图5所示为普通交叉航线铺设，需要申请交叉飞行空域，增加了空域申请范围，并且狭长区域铺设短边时会增加航线条数，增加了飞机掉头时长。图6中可以看出，A3数字航摄仪可以沿同航线45°、135°两角度安装方式在获取四个方向的倾斜影像。由此可以看出，A3数字航摄系统在影像三维数据获取方面既节省了空域，又提高了效率。

另外A3数字航摄仪超大相幅航空摄影，颠覆了以往航摄仪旋偏角概念，航空摄影时不需要关注旋偏角。其获取的单张SLF影像相幅可覆盖旁向2条～3条航线，如果旋偏过大，相邻航线多张片子也可补救，其他航摄仪则只能补飞。

(2)超大区域空中三角测量

以往在进行空中三角测量计算时，对分区的划分是有限制的，太大的区域会影响区域的精度，并且数据量过大一般航测软件无法正常处理。但是区域网划分小会带来接边量大、生产效率低等问题。

使用LightSpeed软件进行A3航摄仪获取影像空三加密时，进行了大分区划分的实验，最终结果为以天津市1.4万km2测区面积为例共划分加密分区11个，一个加密分区平均面积为 1 200 km2。

(3)自动镶嵌线生成技术

DOM产品的生产需要将2幅或多幅具有重叠区域的遥感图像进行镶嵌处理，接缝线(亦称镶嵌线或者接边线)的生成是其中一个关键步骤。在实际的数据生产应用中，特别是城区航空图像的镶嵌处理，使用现有商业软件自动生成的接缝线往往不是最优的，不能有效地使接缝线避免穿越建筑物等明显地物目标，还需要进行人工干预才能保证镶嵌的质量，即在软件生成接缝线的基础上再进行人工编辑，以确保接缝线避开建筑物等明显地物目标或者差异较大的区域。

LightSpeed软件中自动计算镶嵌线，对计算的镶嵌线进行检查，约有5%的镶嵌线需要人工编辑，避开高架桥等地物。如图7所示：

图7 镶嵌线生产及修改情况图

(4)相机空地一体化联合建模

A3相机获取的原始航空摄影数据用于生产城市实景影像三维模型时，由于航空摄影飞行高度较高与飞行效率的制约，通常分辨率不足以实现很高的模型平滑度，因此利用A3相机计算出的城市实景影像三维模型无法满足对模型精细程度要求很高的用户，为了满足这些用户的需要，我们将航空摄影和地面近距离摄影两种方式结合，实现了A3相机空地一体化的联合建模。

我们首先利用A3航空摄影数据进行整体的空间控制，然后对重点建筑地面近距离摄影，并将这些相片利用A3航空摄影的模型空间信息进行空间控制，最终联合计算与建模生成最终的三维模型，如图8所示。

图8联合建模和单一A3建模效果

4 成果展示

4.1 DOM成果展示

本项目于2014年6月～11月完成天津市全市域1.4万km21∶2 000比例尺正射影像图的制作工作，天津市测绘院质量检查处对上交的DOM成果进行了全面检查，经检查，1∶2 000真彩色正射影像图的数据格式、图幅像元数、影像质量、镶嵌精度及图幅接边、数学精度等均满足技术设计和规范要求，其中平面点位最大误差为 0.409 m，最小误差为 0.023 m，点位中误差为 0.122 m。在 15 967幅DOM中，优级品 15 648幅，优级品率98%，良级品319幅，良级品率2%。生产的正射影像如图9所示：

图9 A3获取的数据生产的正射影像图

4.2 实景影像三维成果展示

天津市测绘院于2014年12月完成对天津市域约 3 000多km2区域进行实景影像三维制作工作，实景影像三维成果分3个批次上交，天津市三维范围共计 11 082个任务区。天津市测绘院质量检查处于2014年10月～2014年12月分批次对上交的 11 082个任务区实景影像三维数据成果进行了全面检查。主要检查实景三维模型贴图色彩有无异常、水面部分有无漏洞、建筑模型质量有无镂空、侧漏、小型地物有无漂浮物等。其中有203个任务区存在部分小问题，合格率为98%。A3获取的数据生产的实景影像三维模型如图10所示：

图10 实景影像三维建模成果

5 A3数字航摄仪存在的问题

(1)A3数字航摄仪获取摄区数据量大，A3单张超大相幅影像大小平均为 2.5 G，整个天津 14 000多km2，总数据量达到46 T，可谓海量数据。如何对这些数据进行存储、组织、管理，这些都是需要研究的问题。

(2)A3数字航摄仪焦距长，为 300 mm，DMC焦距为 120 mm，因此，A3在飞行同等分辨率的情况下，飞行航高要比DMC多得多，虽然总体节省了工作量，但无形中对天气要求高。

6 总 结

A3数字航摄系统相比传统数码航摄仪具有高效的数据采集能力，其获取的倾斜摄影影像，除满足基础测绘的要求外，还可提供具有地物特征信息的DSM产品，为数字城市、三维建模等提供高精度、高质量的基础数据支持和快速解决方案。虽然目前存在一些问题，但随着硬件技术的发展，数据采集成本的降低，使得这项高新技术在研究和实践中将会被广泛采用。

[1] 严明，李燕燕. A3数码航空摄影测量系统概述[J]. 科技资讯，2013，11：37～40.

[2] 周树旺. 基于A3数字航摄仪的快速生产方法研究[J]. 科技资讯，2014(22)：29.

[3] 张鑫鑫，王冬，赵凤梧. 基于A3航空摄影系统和Smart3D软件快速进行实景影像三维模型生产[J]. 城市勘测，2017(1)：76～81.

[4] 袁桂生，智爱玲. 数字航摄相机(DMC)在测绘项目中应用的探讨[J]. 现代测绘，2005(4)：30～31.

[5] 苏永奇. 基于A3系统的正射影像生产流程研究[J]. 科技创新导报，2015，20：36.

[6] 张鑫鑫，王冬，胡珂等. 基于A3航摄仪SLF影像进行立体测图精度探讨[J]. 城市勘测，2015(5)：83～85.

[7] 贾会玲，刘利成. 基于A3数据采集处理技术的城市信息化新技术[A]. 中国城市规划年会论文集[C]. 2013：11.

[8] 薛重生，张时忠. 数字航摄相机系统(DMC)的技术特征及其应用[A]. 全国国土资源与环境遥感技术应用交流会论文文集[C]. 2004：5.

Application of A3 Digital Aerial Photography System in Aerial Photography

Zhang Ming，Wang Dong

(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

A3 digital aerial camera is a new generation of aerial camera，there is no application in China.This paper describesthe composition of A3 digital aerial camera system in details ，and through the actual production，taking Tianjin as an example，this paper focuses on the technical route and key technologies of A3 digital aerial camera，and shows DOM and the three-dimensional results produced by it.

A3 digital aerial camera；aerial photography；DEC

1672-8262(2017)04-97-05

P231

B

2017—05—23

仉明(1958—)，男，高级工程师，主要从事地理信息应用管理及研究工作。