攝影測量與遙感所用傳感器類型及構(gòu)像方程

項仲貞 方子巖

(1.湖北工業(yè)大學(xué)土建學(xué)院, 湖北武漢 430068； 2.東南大學(xué)， 江蘇南京 210096； 3.陽東縣建設(shè)局, 廣東陽東 529900)

1 光學(xué)攝影類型傳感器和光電成像類型傳感器的區(qū)別

1.1 光學(xué)攝影類型傳感器

這類傳感器的共同特點是：攝影時由物鏡收集到目標反射的電磁波,直接聚焦到感光膠片上曝光成像,通過感光材料的探測與記錄,在感光膠片上留下目標的潛像,然后經(jīng)過攝影處理,得到可見的影像。是否在可見光波段或不可見光波段(例如紅外波段、X射線)成像,決定于傳感器的結(jié)構(gòu)和膠片的類型(例如全色膠片、紅外膠片、X射線專用膠片等)。

1.2 光電成像類型傳感器

光電成像類型傳感器是將收集到電磁波能量,通過儀器內(nèi)的光敏或熱敏元件(探測器)轉(zhuǎn)變成電能后再記錄下來。電能的變化可對應(yīng)數(shù)字的變化,因而可得到數(shù)字影像。

相對光學(xué)攝影類型傳感器而言,光電成像類型傳感器的優(yōu)點在于擴大了探測的波段范圍,便于數(shù)據(jù)的存儲與傳輸。

2 構(gòu)像方程

2.1 面中心投影框幅影像

框幅式航空攝影機是最常見的一種傳感器,可根據(jù)框標建立像平面坐標系(如圖1、圖2)，傳統(tǒng)的光學(xué)模擬型航空攝影機像幅可達到30 cm×30 cm,目前使用的面陣列數(shù)碼航空攝影機像幅較小?？蚍胶娇諗z影機成像瞬間為一個面,因而稱為框幅式。物點A、構(gòu)像點a和投影中心S按光(電磁波)的直線傳播原理3點共線,設(shè)描述該航攝像片在空間攝影瞬間的傾斜狀態(tài)姿態(tài)角為φωκ,可以寫出描述物點A、像點a和投影中心S共線的數(shù)學(xué)表達式,即中心投影構(gòu)像方程式——共線方程

(1)

圖1 8個光學(xué)框標影像

圖2 框幅式攝影機成像

框幅式航空攝影機有光學(xué)攝影類型航攝儀和光電成像類型數(shù)碼航攝儀。工作波段為可見光0.38～0.76μ m。

在近景攝影測量中,一般使用無框標的框幅式攝影機,有光學(xué)攝影類型的普通照相機、醫(yī)學(xué)X光照相機、軍事上的紅外照相機,光電成像類型的普通數(shù)碼相機。

2.2 線中心投影縫隙影像

線中心投影,指攝影瞬間中心投影獲得的影像為一縫隙(如圖3、圖4)。

圖3 縫隙攝影機成像

圖4 線陣列推掃式掃描成像

縫隙攝影機和線陣列數(shù)碼攝影機都是線中心投影。設(shè)飛行方向為x軸,縫隙保持水平并且垂直飛行方向沿航線方向推掃。進入縫隙的影像每個瞬間是線中心投影,某物點A的構(gòu)像點坐標a(0,y),設(shè)描述該縫隙在空間的攝影瞬間姿態(tài)角為φωκ,對照(1)式,可以寫出描述物點A、像點a和投影中心S共線的數(shù)學(xué)表達式,即縫隙攝影機和線陣列傳感器構(gòu)像方程式

(2)

以多路、連續(xù)并具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息的儀器稱為成像光譜儀(如圖5)。該類型的成像光譜儀是面陣探測器加線陣推掃式掃描儀,工作過程是利用線陣列探測器及其沿軌道方向的運動完成對地物的空間掃描(在成像的幾何關(guān)系上與CCD線陣列傳感器相似,故幾何處理時可沿用相應(yīng)的共線方程式),利用色散元件將收集到的光譜信息分散成若干個波段后,分別成像于面陣列的不同行,對同一目標可獲得多個波段的圖像。

圖5 帶面陣的成像光譜儀

獲得線中心投影縫隙影像的傳感器有：光學(xué)攝影類型縫隙攝影機和光電成像類型線陣列CCD傳感器,工作波段為可見光0.38～0.76 μm。帶面陣的成像光譜儀,具有通道(一個通道對應(yīng)一個波段)數(shù)多且各通道的波段寬度很窄的特點,工作波段為可見光、近紅外和短波紅外。

2.3 線中心投影縫隙周期搖擺柱面影像

全景攝影機又稱搖頭攝影機、掃描攝影機(如圖6)。這種攝影機的底片呈弧狀放置,當(dāng)物鏡掃描一次后,底片旋進一幅,得到一幅柱面影像。全景攝影機成像,其每一幅圖像是由一條曝光縫隙沿旁向掃描形成的。對于每條縫隙影像的形成其幾何關(guān)系等效于框幅攝影機沿旁向傾斜一個掃描角θ后,以中心線(y=0)成像的情況。因此,在任意時刻t獲得的縫隙影像是中心投影。

圖6 全景攝影機成像

過像幅中心的主距作一平面與柱面相切,按中心投影把柱面上的點投影到平面上,地面物點A在柱面上的構(gòu)像坐標a′(x,0),平面上的相應(yīng)點坐標a(x/cosθ,ftanθ),對照(1)式,可以寫出描述物點A、像點a和投影中心S共線的數(shù)學(xué)表達式

(3)

全景攝影機屬于光學(xué)攝影類型傳感器,工作波段為可見光0.38～0.76 μm。

2.4 點中心投影周期轉(zhuǎn)動圓弧線影像

在航空遙感中常用的紅外行掃描儀是利用光學(xué)系統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)動和飛行器向前飛行的兩個方向相互垂直的運動,形成對地物目標的二維掃描,逐點將不同目標物的紅外輻射功率會集到能將其能量轉(zhuǎn)變成電信號的光電轉(zhuǎn)換器件——紅外探測器上。這里采用的是一種點(像元素)掃描方式,每個投影瞬間是點中心投影,任一像點坐標a′(0,0),如圖7所示。但一個掃描周期的點影像構(gòu)成一弧線,不方便討論其構(gòu)像方程,現(xiàn)過弧線影像中心的等效主距作一直線與弧線相切,按中心投影把弧線上的點投影到直線上,地面物點A在弧線上的構(gòu)像坐標a′(0,0),直線上的相應(yīng)點坐標a(0,ftanθ),對照(1)式,可以寫出描述物點A、像點a和投影中心S共線的數(shù)學(xué)表達式

(4)

圖7 點掃描成像

在2.2中提到的成像光譜儀,還有一種類型是點掃描方式(如圖8)。該類型的成像光譜儀利用點探測器收集光譜信息(共線方程式(4)適用),經(jīng)色散元件后分成不同的波段,分別成像于線陣列探測器的不同元件上,通過點掃描鏡在垂直于軌道方向的面內(nèi)擺動以及沿軌道方向的運動完成空間掃描,而利用線探測器完成光譜掃描。

圖8 帶線陣的成像光譜儀

點掃描成像的各類傳感器(紅外掃描儀、多光譜掃描儀、帶線陣的成像光譜儀)屬于光電成像類型。工作波段包括紫外、可見光和紅外等部分,在宇宙飛船“天空實驗室”上S192多光譜掃描儀采用了13通道(可同時獲取目標物的13個波段圖像)連續(xù)波段,波長0.41～12.55 μm。

3 結(jié) 論

綜上所述,分析成像的幾何關(guān)系可知：

①面中心投影框幅影像,中心投影瞬間為一張像片,像片上各點坐標隨構(gòu)像位置不同而不同,像片的空間姿態(tài)由外方位角元素φωκ確定,一條航線上每張像片的姿態(tài)角φωκ各不相同。

②線中心投影縫隙影像,中心投影瞬間為一條縫隙,縫隙上各點坐標隨構(gòu)像位置不同而不同,但x始終為0,縫隙的空間姿態(tài)由外方位角元素φωκ確定,一條航線上每條縫隙的姿態(tài)角φωκ各不相同。

③線中心投影縫隙周期搖擺柱面影像,中心投影瞬間為一條縫隙,縫隙上各點坐標隨構(gòu)像位置不同而不同,但y始終為0,縫隙的空間姿態(tài)由外方位角元素φωκ確定,在一個擺動周期內(nèi)每條縫隙的姿態(tài)角φωκ各不相同。由于得到的是柱面影像,須展平后才能對照寫出共線方程。

④點中心投影周期轉(zhuǎn)動圓弧線影像,中心投影瞬間為一個像元素影像,在一個擺動周期內(nèi)每個像元素的姿態(tài)角φωκ各不相同。該像元素就是影像坐標系原點,所以x和y都為0,在一個擺動周期內(nèi)影像坐標系原點構(gòu)成一條弧線影像,須展平后才能對照寫出共線方程。所有共線方程式等號左邊的像點坐標隨傳感器類型不同而不同,等號右邊是一樣的,但要注意方向余弦aibici(i=1,2,3)是φωκ的函數(shù),所以在用共線方程解決具體問題時,除了2.1面中心投影框幅式影像之外,其他幾種情況針對不同的傳感器其數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用將復(fù)雜得多。

[1]李德仁,周月琴,金為銑.攝影測量與遙感概論[M].北京：測繪出版社，2001

[2]方子巖,鄭天賜.線陣列傳感器影像三維信息提取技術(shù)[J].測繪通報，2009(增刊)