论文专区▏A3航摄仪在海岛海岸带测绘中的应用研究 - 海洋测绘论文

【编者按】基于广州及深圳海岛海岸带区域的1:2000航空摄影测量项目，对比分析A3航摄仪在有、无地面像控点情况下的空中三角测量精度，结果表明，在无地面像控点的情况下，A3仍可满足海岛海岸带区域大比例尺成图的精度要求，且航摄效率高、成图周期短。本研究可为A3在海岛海岸带区域的应用提供参考。本文发表在《海洋测绘》2016年第5期上，现编发给朋友们阅读了解。黄瑶，女，1982年出生，湖北襄阳人，中科遥感科技集团有限公司，工程师，硕士，主要从事遥感与地理信息系统的应用研究。文/黄瑶 张彩霞 奚歌 姜建 一、引言 精确测绘海岛海岸带地理空间信息是海洋管理和经济开发的重要基础[1]。我国海岸带范围广阔，及时获取海岸带、海岛(礁)区域大比例尺测绘产品具有重要意义。航空摄影测量是海岛海岸带地形测绘的有效技术手段[2-3]。传统框幅式相机航空摄影应用于海岛海岸带区域，存在无法按规范要求合理布测像控点和大面积水域影像匹配精度低[4]等问题。国内有关单位及学者开展了海岛海岸带航空摄影测量的应用研究，国家测绘地理信息局应用UCXP、SWDC等相机，在检校场和少量地面控制点支撑下开展了海岛礁测绘作业；杨天克[5]、郭忠磊[6]等开展ADS40相机应用于海岛(礁)大比例尺成图的研究， 随着航空摄影测量技术的发展，航摄领域呈现出一批数码航摄仪，常见的有DMC，ADS80，UCXP、SWDC，A3等。按照成像方式的不同可分为三类：①以面阵CCD作为成像器件的面阵传感器，如DMC、UCXP、SWDC等，②以线阵CCD作为成像器件的线阵推扫式传感器，如ADS40/80/100等, ③ 以面阵CCD作为成像器件，以扫摆拍摄成像的扫拍式传感器，如A3航摄仪。其中，A3以其独特的成像方式，突破面阵相机受框幅大小的限制，线阵相机作业效率偏低、数据处理复杂等问题，不仅测量快速、准确、经济，而且不受地理条件的限制，能够有效减少野外作业量，降低劳动强度，代表了大面积数字成图的发展方向。国内研究中，周树旺[7]、苏永奇[8]、蒋春华[9]等对A3航摄仪在实际项目中的应用进行了初步研究。 二、A3航摄系统 ⒈ 系统组成A3是以色列VisionMap公司推出的航空摄影测量系统，包括宽幅航空摄影相机(A3 DigitalCamera)与“光速”全自动地面数据处理系统(LightSpeed)。A3相机是当今航测仪史上拥有最大幅面的摄影仪，由存储器、小型计算机、GPS、电源、控制终端接口及旋转双镜头组成，见图1。相机采用焦距300mm的镜头，拥有极高的数据获取能力和影像分辨率。LightSpeed系统由若干个高性能刀片服务器和1个磁盘阵列组成，其中一个服务器用于DataViewer/Downloda Station，一个服务器进行总体管理，一个管理存储，剩余的服务器用作工作站：磁盘阵列用于数据存储。它们之间通过10GB的网络交换机进行连接，并通过切换器进行切换。系统可在无地面控制点条件下对数据进行全自动化处理，在2～5 天的时间里可处理约5000km2、空间分辨率优于15cm的航测数据。图1 A3航摄仪组成实物图⒉ 工作原理⑴扫摆拍摄A3相机由两个2000像素×8000像素的镜头组成，安装角与航行方向可设为0°、45°和135°，并围绕中心轴做最高109°的高速旋转和拍照，在一次飞行中同时获取正射和倾斜的图像。在飞行过程中，A3相机单方向匀速摆动扫拍后快速回摆，每台相机每秒可获取3～4幅子影像。一个扫视周期内单个相机最多可获取33幅子影像。两台相机同时获取的子影像之间重叠度不少于2％，扫视方向上相邻子影像重叠度不少于15％。见图2。图2　扫视周期内子影像拼接重叠范围示意图单次摆动扫视后的影像通过纠正后可合成幅面达到62000像素×8000像素的超宽幅影像图。见图3。 图3　A3 SLF合成大幅面中心投影影像图⑵作业效率分析由航空测量摄影原理可知影像分辨率与航高关系：h＝f×GSD/a                ⑴式中，h为飞行高度；f为镜头焦距，a为像元尺寸；GSD为地面分辨率。表1　主流相机参数信息及飞行高度对照表相机类型A3DMCADS80UCX焦距(mm)30012062.77100像元尺寸(μm)9.012.06.57.2GSD(cm)飞行高度(m)310003002904175166750048369410333310009661389155000150014492083206667200019312778258333250024143472参考表1中各航摄相机的参数信息及GSD实际需求，根据公式⑴可推算出飞行高度。同样的飞行高度下，A3相机采集影像的分辨率更高。在相同地面分辨率要求下，A3飞行高度一般是其他数码航摄相机的3～4倍。当作业面积一定时可减少航线数量，提高数据采集效率，这对于海岛海岸带地区适飞天气少的情况尤为重要，可以在短暂的适飞天气里迅速完成作业，极大地缩短作业时间，减少飞行次数，降低作业成本，提高了适应能力。⒊ 优势A3航摄仪的优势在于：①影像分辨率高，A3相机搭载300mm的镜头，采用长焦距光学镜头获取高分辨率影像；②数据精度高，影像的高重叠度使得其点位精度较常规数码航摄仪更高；③生产作业效率高，A3最大可获取约62000像素×8000像素的超宽幅影像图，同时地面处理系统对数据进行全自动化处理；④产品类型多样，A3航摄系统一方面可以用于生产DSM、DEM、DOM和DLG等基础测绘产品，另一方面获取的多角度高分辨率影像可用于生产三维mesh模型等产品。 三、A3航摄数据分析 ⒈ 试验区航摄概况本次研究包括广州市南沙区及部分番禺区、深圳市海岸带及部分海岛区域共2个试验区，对于海岛海岸带地形而言，这两个测区具有一定的代表性。航摄作业采用A3航摄仪，成图比例尺为1:2000。航摄时，地面基站使用当地CORS基站数据。图4　航摄原始影像图试验区1为广州市南沙区及部分番禺区，总面积约1214km2，影像地面分辨率为0.2m。该区域主要位于珠江入海口，最高点海拔160m，最低点海拔1m，高差为159m，地形特征以山地、海岸带滩涂、围填海以及部分岛屿为主。试验区2为深圳市海岸带及部分海岛区域，总面积约2500km2，影像地面分辨率优于0.16m。该区最高海拔943m，最低点海拔1m，高差为942m，地形特征以山地、海岛、海岸带、港口等为主。由于试验区2面积大，高差大，分3个航摄分区进行航空摄影。航摄原始影像见图4。⒉ 数据处理流程⑴空中三角测量数据处理A3 LightSpeed系统数据处理流程具体有：①数据下载，将拍摄影像及相关原始数据拷贝到数据处理工作站，并创建工程；②预处理，对数据进行预处理，利用LightSpeed地面处理系统解算飞机获取的数据，得出航迹文件；③GPS数据处理，基于地面CORS系统接收的GPS数据与飞行中采集的GPS数据进行差分处理，计算精确的GPS坐标文件，导入A3地面处理系统；④航线排序，为确保相邻的两条航线是连续的，需要对飞行时不连续的航迹进行重新排列；⑤色彩调整均衡，包括对每个单幅相片的修正以及相片间、航带间的色彩平衡，确保每幅图像的最佳显示效果；⑥空中三角测量，采用基础的航带内部及航带间的地理连接解决方案，利用稀疏矩阵进行整个区域的平差；⑦导入地面控制点数据，为追求更高的成果质量，可以添加地面控制点，完成空中三角测量处理后的数据纠正，提高成果精度。本研究中试验区1为一个航摄分区，试验区2由3个相邻的航摄分区构成，利用LightSpeed系统进行空中三角测量过程中，分别以试验区1、试验区2建立工程文件进行区域空中三角测量处理，其中试验区2将3个相邻航摄分区作为一个整体进行平差计算。⑵4D产品生产①DSM数据生产，根据摄影测量原理，由光线交汇位置精确获得地物点的空间位置，即完成高精度DSM产品生产；②DEM生产，采用人工与自动处理相结合，对DSM点云进行滤波分割，提取地面点数据，完成DEM生产；③DOM制作，利用LightSpeed系统进行DOM的数据处理、自动镶嵌及分幅裁切等产品制作；④DLG采集需借助第三方数字摄影测量工作站进行立体采集。见图5。图5　4D产品示意图⑶三维模型数据制作采用Smart3D或者街景工场(StreetFactoryTM)等软件对A3倾斜影像数据进行自动建模。通过对航空影像数据进行预处理，导入自动建模系统进行自动化空中三角测量加密，恢复地物间的空间位置关系，构成三角TINꎬ再由三角TIN构成白膜，并自动将纹理映射到对应的白膜上，最终形成真实三维场景mesh模型。见图6。 图６　三维mesh模型产品示意图⒊ 结果分析⑴空中三角测量精度分析基于CORS基准站GPS差分数据获取像片的外方位线元素精确坐标，在空中三角测量中，方案1平差计算采用无控制POS辅助空中三角测量，方案2平差计算采用地面控制点和POS辅助空中三角测量，结果见表2。表2　定位精度评价试验区方案定向点中误差(m)检查点中误差(m)点数MxyMz点数MxyMz试验区1(平地)(1)DGPS0——110.4110.510(2)DGPS+GCPS70.0310.073110.2360.136试验区2(丘陵地)(1)DGPS0——330.3810.619(2)DGPS+GCPS130.0540.072330.1280.225通过比较分析可以看出，在空中三角测量中，添加像控点参与平差计算后，平面和高程精度显著提高。根据航空摄影测量内业规范[10]可知，1:2000空中三角测量加密点及地物点(平地、丘陵地)的平面位置中误差要求分别0.8m和1.2m；根据城市测量规范[11]可知，定向点高程残差要求：平地、丘陵地分别为0.36m和0.5m，对多余野外控制点高程不符值的要求：平地、丘陵地分别为0.6m和1.0m。由此可见，在无控制点参与平差的情况下，其平面位置及高程精度均能够满足规范要求。⑵DOM及DEM精度评价基础地理信息数字成果规范[12-13]要求DOM平面位置中误差平地、丘陵地为1.2m，DEM高程中误差(二级)平地为0.5m，丘陵地为0.7m。利用检查点对DEM及DOM精度进行质量评价，结果见表3，DOM及DEM精度均满足基础地理信息数字成果规范要求，精度合格。 表3　DOM及DEM精度评价试验区检查点DOM精度DEM精度个数(个)(m)(m)试验区145±0.328±0.410试验区252±0.262±0.190 四、结束语 ⑴采用A3对海岛海岸带区域进行航空摄影，使用CORS站作为基准站的情况下，无控空中三角测量平差及DOM精度能满足1:2000航摄的内业规范要求。并且通过一次数据采集，可同时获取正射影像和倾斜影像，用于制作三维mesh模型。⑵A3 LightSpeed系统的空中三角测量过程为全自动处理，并可对多个航摄分区的数据进行整体平差。辅以少量的像控点即可提高成果精度，从而节约成本，提高工作效率。⑶本研究为航空摄影在海岛海岸带区域的应用提供全面、可靠的解决方案。参考文献:[1]黄文骞.海岛礁测绘的主要技术及方法[J].测绘通报,2014(5):123-126.[2]滕惠忠,申家双,刘敏,等.海洋测绘航空摄影测量体系建设思考[J].海洋测绘,2015,35(4):11-15.[3]王海云,余如松,缪世伟,等.航空摄影测量技术在海岛礁测绘的应用[J].海洋测绘,2011,31(2):45-48. [4]党亚民,程鹏飞,章传银,等.海岛礁测绘技术与方法[M].北京:测绘出版社,2012.[5]杨天克,耿讯,汪建峰,等.ADS40相机用于海岛(礁)大比例尺成图的试验[J].测绘科学,2013,38(2):67-68,89.[6]郭忠磊,翟京生,滕惠忠,等.基于ADS40无控条件的海岛礁地形测量方法研究[J].海洋测绘,2014,34(2):31-33.[7]周树旺.A数码航空摄影测量系统在土地整理项目中的应用研究[J].科技资讯,2015(19):39-40.[8]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.[9]蒋春华.利用A3数码航摄仪进行复杂地形控制点布设的研究[J].测绘通报,2015(5):84-86.[10]GB7930-2008.1:500、1:1000、1:2000地形图航空摄影测量内业规范[S].北京:中国标准出版社,2008.[11]CJJ/T8-2011.城市测量规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.[12]CH/T9008.2-2010.基础地理信息数字成果1:500、1:1000、1:2000数字高程模型[S].北京:测绘出版社,2010.[13] CH/T9008.3-2010.基础地理信息数字成果1:500、1:1000、1:2000数字正射影像图[S].北京:测绘出版社,2010.[14]李建军,刘晟,代大炉.全站仪无棱镜模式在岛礁地形测量中的应用[J].海洋测绘,2012,32(3):59-61.■论文专区的文章均为在《海洋测绘》上刊发的论文，若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。相关阅读推荐：

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