大高差地形条件下大比例尺航空摄影的设计与实现

郭 威

(江苏省地质矿产调查研究所，江苏 南京 210049)

0 引 言

本项目位于国家某森林公园，具有地势高，起伏大，多垭口的地貌特征；最高处达2 158 m，最低处仅180 m，平均海拔1 200 m，高差极为悬殊。森林公园内沟谷相间，山势雄伟，河流侵蚀切割深度达500～1 000 m；海拔2 000 m以上的有7座，主峰2 158 m，也是华东大陆最高峰；另有1 000 m以上的山峰达377座；区域内沟壑纵横，溪流交错，各类溪流多达150余条。根据以上地形地貌条件综合分析，该地区地形高差极大，实施大比例尺影像获取十分困难。摄区地形如图1所示。

图1 摄区DEM渲染图

1 航空摄影技术设计

1.1 航空摄影技术路线

航空摄影实施一般包括资料的收集、航摄飞行的设计、航摄任务的执行[1]、数据的预处理、成果质量检查及资料的整理与移交等环节。作业技术路线如图2所示。

图2 作业技术路线图

1.2 航空摄影技术方案

1.2.1 航摄分区及航线设计原则

(1)航线敷设和分区时，根据IMU误差积累的指标确定每条航线的直线飞行时间一般不超过25 min。

(2)旁向重叠应达到20%，特殊情况下最小重叠度不得小于13%；丘陵、山地及建筑物密集地区，设计时适当加大重叠；航向起始和结束应超出半幅图幅范围，旁向应超超出半幅图幅范围，超出部分不应小于500 m，且不大于2 000 m。

(3)航线敷设原则上要求按常规方法敷设，对于不规则测区，可根据测区范围、测区内地形特点等因素采用特殊方法敷设。

1.2.2 航摄各分区基准面确定

根据以上原则，按照飞行速度260 km/h，25 min飞行距离为109 km，测区最大跨度东西方向小于108 km。

(1)区最高点2 150 m，最低点370m，高差很大且全区高程普遍偏高，综合考虑分辨率和飞行安全高度、飞行安全距离的情况，设计基准面为1 000 m。

(2)区最高点1 520 m，最低点270 m，高差较大。低点少量分布在山谷河流地区，综合考虑分辨率和飞行安全高度的情况，设计基准面为700 m。

(3)区最高点700m，最低点180m，高差较大且低点较为分散，大多处于河谷河流地区，综合考虑分辨率和飞行安全高度的情况，设计基准面为300 m。

摄区各分区如图3所示。

图3 摄区分区图(UCEM3)

1.2.3 飞行航线敷设要求

本摄区设计航线敷设方向为西南至东北方向，影像航向重叠68%，影像旁向重叠30%，航向超出范围线≥500 m，旁向覆盖超出测区边界≥500 m。

1.2.4 航摄因子确定

根据本次项目的地形特征和对影像数据的技术要求，设计航摄因子如表1所示。

表1 航摄因子表

1.3 航摄飞行的质量要求

(1)在飞机起飞前以及降落后POS系统需要据开始和停止记录的时间，由于设备使用机上电源供电且中间不能断电，故要求在静态观测时间内飞机发动机保持开车状态，在停止数据记录后才可停机。

(2)飞机滑行期间应避免附近有高大树木或建筑物等遮挡，以免造成GNSS卫星信号失锁。

(3)飞机上升下降速率不宜大于10 m/s，且飞行过程中转弯坡度不宜超过20°。

(4)若航摄飞行中出现GNSS信号失锁时，应立即终止摄影，并在信号恢复正常6 min后再进入航线进行摄影。

(5)进入测区航线时，应采用左转弯和右转弯交替方式飞行，每次直线飞行时间不应大于25 min。

(6)飞机进入第一条航线前和最后一条航线后须进行5 min平飞后进行S形或8字形飞行，之后再进行最多5 min的平飞。

(7)航线旁向重叠大于20%，最少应达到13%；丘陵、山地及建筑物密集地区，设计时适当加大重叠。

(8)同一航线航高变化不大于相对航高的10%，实际航高变化不大于设计航高的10%。

2 项目实施情况

2.1 项目软件和硬件的配置

根据项目飞行任务，使用一架P750飞机搭载UCEM3数字航摄仪(内置IMU/DGNSS惯性导航测量系统)执行本项目的航摄任务，本项目相关的软、硬件设备和航摄仪参数如表2和表3所示。

表2 本项目软、硬件配备表

表3 航摄仪参数表

根据以上技术参数表可知，本项目所选航摄仪完全满足并优于规范[2]对航摄仪的选择的要求。

2.2 航摄影像数据处理流程

利用UC系列航摄仪自配软件UltraMap对数据进行处理，它采用微软最新Framework及Dragonfly技术，管理原始数据的下载、分布式0～2级、2～3级数据的处理，最后3级影像的命名与输出，影像数据处理流程如图4所示。

图4 影像数据处理流程图

在影像预处理的过程中，一般只针对航摄数据色调做统一平衡调整。在软件中设置同一个调色模板，使得同一架次的影像数据使用统一的调色参数，确保了单架次的影像数据色彩一致性。

2.3 POS数据和地面基站数据的联合解算

(1)首先对POS原始数据进行解压，分离出机载GNSS数据与IMU惯导数据，然后结合地面GNSS基站数据进行差分处理，最后利用差分成果与IMU数据联合解算，解求定向定位数据。

(2)每个架次飞行结束后，应对IMU/DGNSS原始数据进行预处理、检查，包括基站GNSS观测数据、机载GNSS数据、IMU记录数据以及Logdata日志数据，并填写《航摄飞行记录表》。

(3)使用Applanix公司开发的POSpac软件对POS数据进行解算[3]。

2.4 项目成果质量情况

依照规范[4]要求，航摄任务完成后对影像数据成果进行了全面的检查，航向重叠57%-83%，旁向重叠15%-69%，影像数据色彩均匀饱满、层次丰富、反差适中，数据质量优良，满足规范[5]和项目技术设计的要求。

3 结 语

通过本项目的实施和对大高差地形条件下航摄技术特点的研究，我们认为在类似项目中应注意以下几点：

(1)当航摄比例尺较大时(如大于1/7 000)，摄影分区内的地形高差一般应控制在1/6相对航高以内。

(2)摄影分区应考虑后续加密方法和布点方案的要求，在地形高差许可的情况下，尽量划大航摄分区的跨度。

(3)当地面高差突变、地形特征显著不同时，可在保证飞机的安全距离与安全高度条件下增加分区。

(4)同一分区内的地物反差、地貌类型应尽量一致，以便于后期影像处理。

(5)当采用GNSS辅助空三作业时，摄影分区还应保证分区界线与加密分区界线的兼容性。