航空摄影测量中新技术应用与发展

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摘要：随着测绘技术、信息技术和计算机技术的迅速发展，航空摄影测量技术也有了前所未有的发展和进步，其空间数据获取已从单一的野外测量发展到内外业综合以内业为主的采集方式。本文首先简要论述了航空摄影测绘技术的意义与研究现状，然后详细分析了数字航摄仪DMC、IMU／DGPS新技术、LIDAR激光测高扫描系统等摄影测量新技术的应用与发展。

关键词：航空摄影测量；新技术；DMC；LIDAR

中图分类号：X703文献标识码： A

引言

摄影测量指的是通过影像研究信息的获取、处理、提取和成果表达的一门信息科学。它的主要任务是用于测绘各种比例尺的地形图、建立数字地面模型，为各种地理信息系统和土地信息系统提供基础数据。自20世纪80年代，航空摄影测量技术陆续应用于我国各个大城市测绘城市大比例尺地形图。伴随生产的不断发展，各航测机构都开始增添航空摄影测量业务，在我国个城市测绘单位中，大比例尺航测成图技术得到了广泛应用。

一、数字航空摄影测量的最新进展与应用领域

从本世纪初数字航空相机问世开始，ADS40、DMC、UCD、SWDC等航空摄影仪相继出现，近些年，GPS技术、惯导技术、数码扫描、激光扫描、雷达等高精端技术跟航空摄影联系紧密，产生了很多新的航空摄影技术，比如GPS辅助航空摄影技术、IMLJ（POS）/DGPS辅助航空摄影技术、运用高解像率的CCD阵列将胶片替换，获取地面的地物地貌光谱数字信息的数字航摄仪、SAR合成孔径雷达成像系统、LIDAR激光测高扫描系统等，都在很大程度上促进了数字航空摄影测量的良性发展。

二、数字航摄仪DMC

数字航摄仪(DigitalMappingCamera)简称DMC，是用于高精度、高分辨率航空摄影测量的数字相机系统（如图1）。基于替代胶片相机的设计思想，DMC具有历史意义的技术突破。DMC数字航空相机由8个内部传感器组成：4个全色传感器与4个多波段传感器。4个多波段传感器一个捕获红色数据，一个捕获蓝色数据，一个捕获绿色数据，一个捕获近红外数据。4个全色传感器每个捕获一个影像的某个特定区域，区域之间有少量重叠以便形成大的7680×13824镶嵌的影像。所有传感器的动态辐射分辨率均为12比特。

一次飞行中由4个全色传感器获取的数据产品：全色、真彩色与彩红外。还有由4个多波段传感器获取的分辨率为2048×3072数据产品：真彩色、彩红外、四波段和近红外。通过获取相机影像数据，可利用PPS软件得到各类影像输出。DMC兼顾小比例尺与高分辨率大比例尺航摄业务的具体需求，其地面分辨率为5cm。这一系统可光线不同的条件下，用多种曝光时间来曝光，保证影像的质量。

（一）1：20000比例尺摄影的试验

为了对DMC数字航摄仪1：20000比例尺摄影的成图精度情况进行研究，在某处选取一个Ⅱ地形测段进行航摄，共30个像对。控制点的布设采取双五点法，基线数16条，运用GPS对控制点进行观测。用VirtuoZo进行内业加密，全数字摄影测量系统进行量测，采用PATBNT光束法软件来平差，加密精度统计如表1。

表1 1：20000比例尺摄影的加密精度统计

从统计的加密精度看，完全符合规范要求。运用JX4数字摄影测量工作站恢复立体模型来测图，之后跟该区域GPSRTK实地量测的72个显著地物点进行精度统计，平面误差是0.167m，高程误差是0.15m。

（二）试验主要成果

1、DMC航空摄影分辨率高，影像清晰，加密自动选点成功率较好，连接差小，碎玉提升加密精度十分有利，且测图地物判读精度高。

2、运用DMC相机进行航空摄影，可放宽其摄影比例尺到传统摄影比例尺的115~ 2倍。

3、可在传统布设方法基础上将控制点的布设降一个地形等级。

4、通过现有设备，完全可完成DMC摄影的成图作业。

二、IMU/DGPS辅助航空摄影测量技术

IMU/DGPS辅助航空摄影测量指的是运用装在飞机上的GPS接收机与设在地面上的一个或多个基站上的GPS接收机同步而连续地观测GPS卫星信号，通过GPS载波相位测量差分对技术获取航摄仪的位置参数进行定位，应用和航摄仪联系紧密的高精度惯性测量单元（IMU，InertialMeasurementUnit）对航摄仪的姿态参数直接测定，通过联合IMU，DGPS数据后的处理技术获取测图所需的每张像片高精度外方位元素的航空摄影测量理论、技术与方法。

IMU/DGPS辅助航空摄影测量的主要方法有直接定向法与IMU/DGPS辅助空中三角测量方法。

（一）直接定向法

运用高精度差分GPS与惯性测量单元（IMU），获得航空摄影曝光时刻影像的空间方位，通过校正系统误差，获取每张像片的高精度外方位元素。该方法就是直接定向法。

（二）IMU/DGPS辅助空中三角测量方法

把基于IMU/DGPS技术直接获取的每张像片的外方位元素，作为带权观测值参和摄影测量区域网平差，获取精度更高的像片外方位元素成果。该方法称为IMU/DGPS辅助空中三角测量方法。

四、LIDAR激光测高扫描系统

LiDAR（LightLaserDeteetionandRanging），是激光探测及测距系统的简称。用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是结合了激光技术和雷达技术的产物。主要是发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分构成的。发射机是各种形式的激光器；天线是光学望远镜；接收机通过各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外与可见光多元探测器件等。激光雷达用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测和外差探测。

激光自身的测距能力就非常精确，其测距精度可达几厘米，而LIDAR系统的精确度不仅仅取决于激光自身因素，还由激光、GPS及惯性测量单元（IMU）三者同步等内在因素所决定。伴随商用GPS和IMU的不断发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获取高精度的数据已被广泛应用。

LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，从而被接收器接收。接收器准确地对光脉冲从发射到被反射回的传播时间进行测量。由于光脉冲以光速传播，因此接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。因为光速为已知，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可能够对每一个地面光斑的座标X，Y，Z准确进行计算。激光束发射的频率能够从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例来说，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。通常情况下，LIDAR系统的地面光斑间距为2-4m不等。

激光雷达是一种在从红外到紫外光谱段工作的雷达系统，其原理与构造和激光测距仪非常相似。科学家将利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称作连续波激光雷达。激光雷达的作用是可以对目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状进行精确测量，对目标进行探测、识别、分辨和跟踪。在多年的努力之后，科学家们已经研发出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。

结语

我国航空摄影测量技术起步较晚，它用计算机代替“人眼”，在理论和实践中使数字摄影测量得到了快速发展，在三维可视化、GIS数据更新、数学近景摄影测量等方面它将会被应用的更加广泛。其发展使得胶片摄影被数字摄影所取代成为必然趋势，而新型数字航空摄影机的应用必将为航空摄影测量技术带来一次变革，并把我国航空摄影测量技术推向数字航空摄影时代。

参考文献：

[1]宋会传,张爱娟,耿丽艳,等.航空摄影测量大比例尺地籍图工艺方法的探讨[J].矿山测量,2008.

[2]高伟,王红平.基于MAPGIS的DMC影像直接定向方案[J].GIS时代,2006(2)

[3]李学友．IMU／DGPS辅助航测技术在大比例尺航洲成图中的应用[J]．测绘科学,2006.