AMC5100傾斜航空相機(jī)應(yīng)用研究

張森

(大連市勘察測繪研究院有限公司，遼寧 大連 116021)

1 引 言

近年來，隨著傾斜攝影發(fā)展，各種獲取傾斜攝影的傳感器大量推出。除了無人機(jī)搭載的小型傾斜攝影設(shè)備外，搭載在有人機(jī)上的大型傾斜攝影航空相機(jī)也紛紛推出。如天寶公司的AOS系統(tǒng)、德國IGI公司的Penta-DigiCam系統(tǒng)、以色列VisionMap公司的A3系統(tǒng)等，尤以徠卡公司的RCD30和微軟的UCO為代表，更是為國內(nèi)用戶熟悉[1]。這其中，A3相機(jī)為掃擺式成像[2]，其他為框幅式成像。劉先林院士領(lǐng)銜研發(fā)的SWDC-5是國內(nèi)較早推出的大型傾斜航空相機(jī)，于2010年12月試飛[3]，之后上海航遙和中測新圖推出同類產(chǎn)品[4]。

AMC5100傾斜航空相機(jī)是上海航遙推出的代表性產(chǎn)品，該相機(jī)于2016年5月28日在煙臺首次試飛，目前國內(nèi)已有5臺該款相機(jī)使用，成為大型傾斜航空相機(jī)主流產(chǎn)品之一。

2 AMC5100傾斜航空相機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)由AMC5100傾斜航空相機(jī)、Applanix POS AP20慣導(dǎo)系統(tǒng)、GSM4000陀螺穩(wěn)定平臺、FANS飛行管理系統(tǒng)主機(jī)等幾個(gè)模塊構(gòu)成。

其中AMC5100傾斜航空相機(jī)由PhaseOneiXU 1000航空相機(jī)組成，PhaseOneiXU 1000相機(jī)一億像素(11 608×8 708)，CMOS傳感器，0.85 s存儲(chǔ)間隔，ISO 50-6400，像元尺寸 4.6 μm。5臺相機(jī)1臺垂直，另外四臺呈45°傾斜角度設(shè)計(jì)。為方便相機(jī)在不同型號飛機(jī)上搭載，傳感器頭部設(shè)計(jì)為可升降式，升降幅度 17 cm，Amc5100傾斜航空相機(jī)全貌及鏡頭細(xì)節(jié)如圖1所示。

鏡頭采用施耐德80 mm/110 mm標(biāo)準(zhǔn)鏡頭組合(可調(diào)為50 mm/80 mm、110 mm/150 mm)。

圖1 Amc5100傾斜航空相機(jī)全貌及鏡頭細(xì)節(jié)

相機(jī)內(nèi)集成Applanix POS AP20慣導(dǎo)系統(tǒng)，具有飛行管理系統(tǒng)控制功能模塊和YDC飛行偏流修正功能模塊。

GSM4000陀螺穩(wěn)定平臺29 kg的自重，可承載 10 kg～120 kg的航攝儀器，俯仰方向高達(dá)8.8°，橫滾方向高達(dá)7.0°。

FANS飛行管理系統(tǒng)主機(jī)由中科院遙感所自主研發(fā)，進(jìn)行飛行計(jì)劃的制定，飛行執(zhí)行時(shí)段的導(dǎo)航管理，航攝儀的曝光控制，后期飛行質(zhì)量檢查。

3 搭載不同平臺對航空攝影質(zhì)量影響差異性分析

2016年4月，大連市勘察測繪研究院有限公司采購AMC5100傾斜航空相機(jī)。該公司也成為該款傾斜航空相機(jī)首位客戶。該公司利用AMC5100傾斜航空相機(jī)計(jì)劃進(jìn)行大連市域1.37萬平方千米傾斜航空攝影工作。航飛計(jì)劃是大連市核心區(qū)域 5 cm分辨率傾斜航空攝影(面積約 300 km2)，建制區(qū) 8 cm分辨率傾斜航空攝影(面積約 4 500 km2)，其他區(qū)市縣 15 cm分辨率傾斜航空攝影(面積約 9 000 km2)。

由于大連地區(qū)特殊的地理位置，攝區(qū)機(jī)場密度較大，再加上大連國際機(jī)場地處主城區(qū)，因此航空攝影空域是個(gè)不得不面對的問題。

經(jīng)過多次研究，決定采取雙平臺搭載方案：在大連市核心區(qū)域和建制區(qū)采用直升機(jī)作為航空攝影搭載平臺，其搭載方式為外掛；其他區(qū)市縣采用固定翼飛機(jī)，其搭載方式為艙內(nèi)開口搭載。AMC5100掛載直升機(jī)與AMC5100掛載固定翼分別如圖2、圖3所示。

圖2 AMC5100掛載直升機(jī)(型號：海豚EC155B1)

圖3 AMC5100掛載固定翼(賽斯納208)

直升機(jī)搭載其優(yōu)點(diǎn)能夠有效獲取極其有效的空域資源，其缺點(diǎn)是無法搭載陀螺座架，相機(jī)與飛機(jī)為硬連接，攝影姿態(tài)受直升機(jī)姿態(tài)影響較大，直升機(jī)續(xù)航里程短，作業(yè)效率低。搭載固定翼艙內(nèi)，能夠?qū)⑾鄼C(jī)搭載在陀螺座架上，在攝影時(shí)能保證航空相機(jī)穩(wěn)定，能夠根據(jù)飛行姿態(tài)技術(shù)對俯仰角、側(cè)滾角航偏角進(jìn)行快速的自動(dòng)修正，確保航空相機(jī)自動(dòng)保證垂直，保證攝影質(zhì)量[5]。

為了確保攝影質(zhì)量，搭載直升機(jī)平臺進(jìn)行航空攝影時(shí)，應(yīng)盡量避開大風(fēng)天氣，并與飛機(jī)駕駛?cè)藛T及時(shí)溝通，當(dāng)飛機(jī)姿態(tài)變化太大時(shí)，實(shí)時(shí)中止航空攝影。

4 航空攝影參數(shù)相關(guān)分析

由于該相機(jī)主要用于傾斜攝影，而傾斜攝影質(zhì)量成果主要特點(diǎn)是大重疊和高分辨率。因此兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)就是像移偏量和曝光間隔。

像移偏量指因飛機(jī)地速影響，在曝光瞬間造成的像點(diǎn)位移。在直升機(jī)和固定翼這兩種飛行平臺中，前者為硬鏈接，沒有補(bǔ)償裝置，像偏移量較明顯，后者由于配有像移補(bǔ)償裝置，同等條件下，像偏移量較小。

(1)像偏移量影響因素分析

像偏移量主要受分辨率、飛機(jī)對地速度、快門速度等幾個(gè)因素。主要有依據(jù)GB/T 27920.1-2011《數(shù)字航空攝影規(guī)范第1部分：框幅式數(shù)字航空攝影》要求，一般像點(diǎn)位移不應(yīng)大于1個(gè)像素，最大不應(yīng)大于1.5個(gè)像素。按照AMC5100參數(shù)，其不同分辨率航空攝影像點(diǎn)位移參數(shù)如表1所示：

AMC5100航空攝影像點(diǎn)位移參數(shù)表 表1

曝光間隔是指兩次曝光的時(shí)間間隔。實(shí)際上就是相機(jī)成像最短時(shí)間。AMC5100傾斜航空相機(jī)由PhaseOneiXU 1000集成，其中PhaseOneiXU 1000標(biāo)稱成像時(shí)間 0.95 s，AMC5100集成后標(biāo)稱成像時(shí)間 1 s，考慮到影像從成像到向存儲(chǔ)設(shè)備有一個(gè)傳輸時(shí)間，在實(shí)際攝影過程中，一般曝光間隔不低于 1.5 s。

(2)飛行地速、分辨率與重疊度分析

在AMC5100傾斜航空攝影中，必須考慮重疊度與飛機(jī)地速及曝光間隔直接的關(guān)系。表2是AMC5100傾斜航空相機(jī)不同地速、不同分辨率下對應(yīng)的極限旁向重疊度表格。從表格中看出，如果要獲取 3 cm分辨率傾斜攝影，飛行地速90節(jié)(166 km/h)，重疊度只能達(dá)到73%。按照通常高分辨率傾斜攝影80%重疊度要求，飛行地速67節(jié)(124 km/h)。因此當(dāng)需要高分辨率傾斜航空攝影時(shí)，必須考慮飛機(jī)平臺，其速度是否能夠滿足要求(低速度)。

不同地速、分辨率對應(yīng)的航向重疊度 表2

當(dāng)然，以上計(jì)算是基于極限值計(jì)算的，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，必須考慮到設(shè)備的可持續(xù)工作和可靠性工作。

從計(jì)算數(shù)據(jù)分析，分辨率8 cm以下，這些飛行地速、曝光間隔等對攝影的影響較小，當(dāng)分辨率優(yōu)于 5 cm時(shí)，應(yīng)對這些參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。從我們目前生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)看，5 cm分辨率80%重疊度飛行地速100節(jié)(180 km/h)，3 cm分辨率80%重疊度飛行地速60節(jié)(110 km/h)左右。更高要求的參數(shù)必須做進(jìn)一步的計(jì)算分析。

(3)不同分辨率影像效果比較分析

傾斜航空攝影主要目的之一就是利用傾斜航空影像制作實(shí)景影像三維模型。實(shí)景影像三維模型效果主要取決于攝影分辨率和重疊度，另外，由于在實(shí)景影像三維模型制作過程中，其匹配過程有紋理細(xì)節(jié)損失，因此，如圖4、圖5所示，制作的實(shí)景影像三維模型效果往往較原始影像視角效果差一些，這也是當(dāng)前實(shí)景影像三維模型生產(chǎn)過程中需要解決的一個(gè)問題。

圖4 AMC5100傾斜航空相機(jī)3cm航空攝影原片(左)及影像三維模型(右)比較

圖5 AMC5100傾斜航空相機(jī)5 cm航空攝影原片(左)及影像三維模型(右)比較

5 數(shù)據(jù)成果精度統(tǒng)計(jì)分析

AMC5100傾斜航空相機(jī)目前成果主要應(yīng)用實(shí)景影像三維模型制作、數(shù)字正射影像圖制作以及基于實(shí)景影像三維模型進(jìn)行地形圖采集等。而攝影的下視航片通過抽片，可以通過空三加密，制作立體像對，進(jìn)行立體采集制作數(shù)字線劃圖。

目前，大連市勘察測繪研究院有限公司利用AMC5100傾斜航空相機(jī)成果主要制作實(shí)景影像三維模型和正射影像。

(1)實(shí)景影像三維精度統(tǒng)計(jì)

實(shí)景影像三維主要統(tǒng)計(jì)搭載直升機(jī)平臺分辨率為 5 cm、8 cm傾斜攝影制作的實(shí)景影像三維成果精度。由于直升機(jī)搭載，因此POS數(shù)據(jù)在解算過程中輔助意義不明顯，空三加密主要依靠像控點(diǎn)解算。

其精度統(tǒng)計(jì)如表3所示：

AMC5100傾斜航空攝影實(shí)景影像三維模型精度檢測匯總表(金普新區(qū)8 cm) 表3

AMC5100傾斜航空攝影正射影像精度檢測匯總表 表4

從表3中可以看出，利用AMC5100傾斜航空攝影制作的實(shí)景影像三維模型平面精度是其攝影分辨率的2倍～3倍，高程精度一般在1倍～2倍，高程精度優(yōu)于平面精度。

(2)數(shù)字正射影像精度統(tǒng)計(jì)

數(shù)字正射影像也主要是搭載直升機(jī)平臺分辨率為 5 cm、8 cm下視航空攝影制作。統(tǒng)一制作分辨率 20 cm正射影像，如表4所示。

6 結(jié) 語

通過大連地區(qū)近三年的航空攝影(攝影面積覆蓋范圍約1.37萬平方千米)，AMC5100傾斜航空相機(jī)可靠性較高，根據(jù)空域特點(diǎn)，可以搭載不同飛行平臺進(jìn)行不同分辨率傾斜航空攝影，航空攝影成果完全滿足用于實(shí)景影像三維模型制作和數(shù)字正射影像制作。

當(dāng)然，對于AMC5100傾斜航空攝影過程還有一些問題有待進(jìn)一步驗(yàn)證和解決，如對建筑物高差大的城區(qū)飛高分辨( 3 cm)如何解決飛行漏洞問題、利用下視航片進(jìn)行立體測圖問題、利用直升機(jī)作為搭載平臺如何解決相機(jī)和飛機(jī)剛性連接等一系列問題，以便于讓AMC5100傾斜航相機(jī)更好地服務(wù)測繪生產(chǎn)。