全数字航测影像质量探讨

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摘要：文章介绍了CCD成像原理；通过介绍Z/I公司全数字航空摄影（DMC）影像及其与中心投影的关系并与传统的航空影像相比，分析了数码航空影像与常规的航空摄影影像的不同的特征，并对这些差异所造成的问题提出了一些建议。

关键词：DMC；影像质量；数码航空影像

随着科学技术发展，测绘手段逐步实现从模拟测绘到数字化测绘和信息化测绘的过渡，数码航摄仪的产生，真正意义上实现了全数字摄影测量的“全数字”。目前基于光学影像为基础的“4D”数字产品的生产，已形成了一整套科学的生产模式。与传统的航空影像相比，对数字航空影像质量的分析与研究还有待完善。本文分析了数码航空影像除了在覆盖范围、测图精度等方面与常规航空影像的差别外，在影像的色彩、亮度、饱和度等方面也与常规的航空摄影影像有着不同的特征。

一、CCD数字成像技术

自1970年提出利用CCD作为模拟移位寄存器构成固体成像系统新概念以来，随着新型半导体材料的出现和微加工技术的日益完善，CCD器件在成像领域得到了广泛的应用。CCD（Charge Coupled Devices），即电荷藕和器件，使一种高性能微型图像传感器。这种新型光电成像器件具有灵敏度高、光谱响应宽、集成度高、维护方便、成本低廉等一系列优点，在国防、公安、医学、工业、生物、天文、地质、宇航等科学和技术各领域有着广泛的应用，是现代最重要的图像传感器之一。

数字成像是基于电子技术，瞬间捕获并再现人眼可视的全息光信息的电子装置。显然，人眼对于静态图片分辨率的灵敏度远远高于视频动态图像分辨率的灵敏度，这是由于人眼对动态图像的视觉暂留现象作用。从技术上，数字相机注重瞬间捕获图像的绝对分辨率，即图像静态指标高；而数字摄像机在保证瞬间捕获图像的分辨率达到视频要求的条件下，更注重各帧图像之间的动态链连。因此，两种系统在技术上各有侧重，不能简单取代。

二、DMC的几何结构与中心投影的关系

从理论上而言，用户使用的有效影像不是一个严格的中心投影。纵然，传统的航空摄影机，由于压平误差、畸变差等因素，也不可能是严格的中心投影，最重要的是研究它是否是一个实际的中心投影，即考虑它所产生的误差是否小于量测误差。为了便于理解，先将纠正分为两步：

1、保持摄影中心不动，将倾斜摄影纠正成水平影像如图1所示。由于摄影中心不动，将倾斜像片（图中用虚线表示）纠正为水平像片（图中用实线表示），它（水平影像）与直接摄取的“水平像片”完全一样，因此，这一过程在理论上不会产生纠正误差。但是，由于将倾斜影像（倾角分别为10°/20°）上的影像段（图中用l表示）纠正为水平影像上的影像段（图中用l0表示），即在影像边缘l0＞l，说明它将降低影像分辨率（即采用高次多项式进行重采样）。

2、将纠正的水平影像平移到有效影像，由于有效影像位于4个相机的中心，因此，平移距离为40/85mm。这一纠正过程将产生中心投影误差。而且，它与地面高差有关，若将S与S0视为两个摄影中心，dX视为摄影基线B，则平移产生的中心投影误差，事实上就是由高差产生的左右视差

三、DMC的影像质量分析

由于CCD的感光度不高，DMC的原始影像在肉眼看来是极暗的，要经过图像处理才能用于生产。DMC有自带的软件用于影像的处理，也可以用其他的图像处理软件来处理。DMC的影像是由四张相片拼接而成，尽管我们最后得到的原始影像是拼接后且经过匀光、匀色处理的一幅大幅面CCD影像，但是也会因地物、天气等条件的不同而使影像出现不同的质量问题。

1、由于地物的原因使得拼接后影像的匀光、匀色效果不好，四张影像的过渡区域有明显的色彩、色调不统一，特别是在有大面积水域的时候，这种时候就需要挑出这种影像，进行后期处理。

2、DMC的影像与传统的航摄影像一样，伸入水域的陆地部分（形似半岛）也会出现曝光过度的现象，影像的信息会有严重的丢失。

3、由于CCD采用的彩色还原能力较好的原色滤镜，每一种滤镜都是4个一组，覆盖在像素上。RGB原色分色法滤镜每组包括1个红（R）、2个绿（G）和1个蓝（B）。其中绿色素多一点，是因为人类眼睛对绿色的敏感性和对其他颜色不一样。最后在记录图像时，每个像素的真实色彩就是它与周围像素相混合的平均值。因此DMC的影像普遍偏绿，虽然颜色锐利但是对于有些地物则有失真实，在后期的处理中要适当的减少绿色分量的比例。

4、在制作大比例尺地形图时，DMC影像较常规航空影像更容易受到云层的影响。

5、DMC影像的色彩饱和度比较大，在制作正摄影像图时，要对影像做适当调整，否则不利于反映地物的真实信息。

6、DMC影像的像幅是95mm×168mm，不像常规的航摄影像是正方形，而是旁向为长边的矩形，因此在航飞时要加大旁向重叠度以弥补悬偏角对相邻影像重叠度的影响。如图2所示，传统航片的幅面是230×230mm的，按照航向60%的重叠度，重叠面积比较大，并且因为是正方形的缘故，存在较小的航偏角时对重叠度的影响也不是很大。但是DMC影像的幅面是长方形的，并且短边与航向平行，这就使得即使存在很小的航偏角也会对航向重叠度造成比较大的影响。同时，由于每幅DMC影像的绝对面积小于传统的航空影像，这使得对于同样大的作业区，所需要的影像数量增加，增加了接边的工作量。

四、结论

1、在理论上DMC不是中心投影，但是在一定条件下两者是等价的；

2、在考虑数码相机优点的同时，要充分理解数码相机存在的明显问题：模型接边工作量增加、受云层影响几率增加，影像的饱和度难以控制等。

总之数码相机较之传统的航空摄影机有其优点，但是也存在很多传统相机所没有的问题，因此要对这些新的问题进行深入研究，使数码航空相机能更好的发挥其作用。

参考文献：

1、晏磊,张伯旭,常炳国.CCD图像传感器及其数字相机技术.信息记录材料,200(21).

2、黄萍莉,岳军.图像传感器CCD技术.信息记录材料,2005(1).

3、张祖勋.航空数码相机及其有关问题.测绘工程,2004(4).

4、何昕,王军.多CCD拼接相机系统中畸变误差的研究.半导体光电,2005(2).

5、王辛之,李双林.武汉市基础航空摄影及其质量检验与评定中的若干问题.城市勘测,2002(2).

（作者单位：速云中，广东工贸职业技术学院；白建国，襄樊城市规划地理信息中心；李冀，广东工贸职业技术学院）

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