几款数字航摄相机的应用与比较_韩磊

第 5期 文章编号: 1672- 8262(2006)05 -21- 03 中图分类号 : P231 文献标识码: B 几款数字航摄相机的应用与比较 韩磊 1* ,蒋旭惠 2 * 收稿日期: 2006 02 20 作者简介: 韩磊(1981 ), 男, 工程师, 主要从事 GPS工程测量方面的工作。 (1.青岛市勘察测绘研究院, 山东 青岛 266300;2.中国地质大学( 武汉), 湖北 武汉 430074) Application and Co mparison Among SeveralK i nds ofD igital PhotographicCameras Han Lei,Jiang Xuhui 摘 要: 本世纪自从 ADS40与 D MC、U ltraCam D3种数字航摄相机问世之后, 关于三者的性能及应用方面的比较和评 论一直都没停止过, 甚至有愈演愈烈之势。 在本文中, 通过对三者的结构与成像原理 , 主要是其传感器的原理和应用 现状进行分析, 并提出自己的观点。 关键词: 传感器; 线阵扫描; 多面阵 CCD; 数字城市 1 引 言 自 2000年 7月, LHSystem ( 现在的 Leica Geosys- te m) 的 ADS40和 Z /I I m aging的 DMC(DigitalMapping Camera) 正式发布以来, 传统的胶片航摄相机开始明显 地被数字相机取代。 2003年 5月, Vexcel公司的 Ult- raCam D诞生 。它们在航空摄影测量领域各占一席之 地 ,然而关于三者的性能比较一直都是业内的热门话 题 ,到最后演变成为三线阵 CCD 和多面阵 CCD的对 比 , Leica和 Vexcel公司也就此发表了公开的陈述。下 面针对这些问题及讨论做出分析总结 。 2 ADS40 图 1 ADS40 ADS40机载航空数字传感器( 见图 1),全球第一台 空间数字传感器 ,代表了目前信息获取技术的最新发 展,该产品是美国 LH 公司和德国宇航中心合作设计的 创新的多光谱 、 高分辨率设备, 拥有 13项国际专利技 术,已广泛应用于资源、 农业、 森林 、 国防 、 环境、城市、交 通、 地形图测图等多个领域。其通过自动成像控制获得 高质量数字影像,广角大,覆盖面宽,适应各种天气条件 ( 云下飞行 ) 和不同飞行高度,可提供0.1 0.8m各种分 辨率的立体影像, 极大地改善了传统方式下的固定轨 道、 受天气影响、 固定分辨率等不利影响。 2.1 系统构成 ADS40由传感器头 SH40、 控制单元 CU40、 大容量 存储系统 MM40、操作界 面 OI40、导航界 面 PI40、 PAV30陀螺稳定平台等部件组成 1 。 ADS40是单镜 头三线阵 CCD 传感器, 所有 CCD线阵列均位于同一 焦平面上 ,其前视 、 后视阵列不同于多镜头三线阵 CCD 传感器通过沿飞行方向向前或向后倾斜镜头完成前 视、后视影像带采样的成像方式, ADS40图像是由各线 阵列传感器沿飞行方向推扫而成的。 2.2 ADS40的主要特点 (1) 传感器三合一, 黑白 、 彩色 、 假彩色; (2) 宽覆盖 ,节省航线、 飞行时间; (3) 简单而精确的多光谱数据纠正 ; (4) 分光器可提供完美的 RGB校正; (5) 从三线立体数据得到高质量的 DTM 数据 ; (6) 充分利用聚焦面、 I MU 和 GPS数据, 减少错 误、减少地面控制 ; (7) 全数字化流程, 无须相片处理和扫描 。 21 韩磊等 .几款数字航摄相机的应用与比较 2006年 2.3 ADS40在中国的应用 早在 2001年, ADS40航空数字传感器就被引进中国, 并被设计用来作为获得数字城市建设的理想数据源。 ADS40引进中国后 ,为测试其各方面的性能 ,由中 国测绘科学研究院牵头分别在上海、浙江、河北、北京 和太原进行了航摄测试 。飞行高度如表 1所示 ; 飞行 时间一般选在 9: 00 15: 00; 飞行速度根据不同的地 区和机型取为 140 190 km /h, 230 260 km /h和 400 550 km /h 等 ,总飞行时间达 45 h。 表 1 地点上海浙江河北北京太原 飞行高度 /m3000 1000 3000 50003000 500 1000 3000 实验的最终体会是: 系统可全自动化控制, 操作简 便; 可航测天气要求放宽; 影像上的锯齿现象可被自动纠 正; 气流等对影像的质量几乎无影响。当然也存在一定 的问题,如: 触摸屏如果操作速度过快的话,会出现死机现 象,这也说明系统的高效运行能力需要进一步的提高。 3 DMC 在数码相机成像率还处在 20M像素的时代,卡尔蔡 司( CarlZeiss) 和德国鹰图(Intergraph) 交互计算机图形系 统的子公司 Z /I I maging合作,在 2000年成功推出数字航 摄相机( DigitalMapping Ca mera,简称 DMC) ( 见图 2) 。该 系统是一种完善的可用于高精度、 高分辨率的航空摄影 测量任务的数字相机系统,也是无人值守数字航空相机 系统。基于完全替代胶片相机的设计思想, DMC技术上 突破的标志在于从完成小比例尺摄影项目到能够完成高 精度、 高分辨率的大比例尺航摄工程项目。 图 2 DMC 3.1 系统组成 DMC系统包括下列部件: DMC 相机主体、4个高 分辨率 7 k 4 k全色镜头 、4个多光谱 3 k 2 k镜头 、 相机电子控制单元、3个数据记录仪, 每个具有 280GB 磁盘空间 ( 共 840GB)。 DMC数码航摄相机的镜头部分, 全色镜头沿飞行 方向呈 2 2矩阵排列, 各镜头均沿正中心轴线方向偏 离一定的角度 ,每个镜头对应一个尺寸为4 096 7 168 像素的 CCD阵列 。全色镜头所获取的子影像间存在 一定程度的重叠, 子影像通过后处理和拼接之后生成 模拟中心投影的虚拟影像。多光谱镜头环绕全色镜头 排列 ,获取竖直影像,多光谱影像与全色影像的覆盖范 围相同 ,但分辨率较低。因此, DMC 影像是面阵 CCD 成像方式 ,但不是严格的中心投影 。 3.2 主要特点 (1) 光学性能 DMC相机里安装的 8个镜头, 是由 Carl Zeiss公 司设计并生产的, 具有畸变小、光圈大 (f /4)、分辨率 高、匀质响应等特点。独立设计的镜头具有优化全色 和彩色感光性能。这种独立小镜头的成像质量大大优 于只使用一个大口径镜头的效果 。 (2) 几何特性 DMC采用面阵 CCD感光器件以确保影像的几何 特性 ,类似传统胶片相机的高精度压平系统 。即使在 完全没有 GPS信号、飞行条件恶劣 、光线极差的情况 下, 依然可以得到高质量的中心投影影像 。它的全电 子前移补偿(FMC) 和 12位像元分辨率使得影像质量 远远超过了扫描的航摄胶片 。 3.3 应用 从 2003年开始 , Z /I Imaging公司已经给天津金宇 信息技术有限公司、北京星天地信息技术有限公司和 中国煤田航测遥感局安装了 6台 DMC大型数字航摄 相机 ,而且成功地投入使用 。随后 , 天津、无锡、常州 、 济南等城市勘察测绘研究院均利用该 DMC 相机在中 国大约已经拍摄了十万张航空图片 。已有研究显示 , 用1 2.5万的 DMC影像生产 1 2 000地形图 4 , 用 1 5 000 1 6 000的 DMC 影像生产 1 1 000地形 图 5 ,所得平面和高程精度均完全符合规范, 从而证明 了 DMC完全能满足大比例尺航摄项目的工作要求 。 4 U ltraCam D 2003年 5月, UltraCa mD诞生 。这款由 Vexcel公 司推出的大幅面数字航摄相机得到的数字影像的辐射 分辨率和几何精度都比同类产品要高出许多。 4.1 系统构成 系统由传感器单元 SU、 数据存储与处理单元 SCU 和操作界面 IP以及 SCU适配器等组成 。 22 城 市 勘 测 第 5期 UltraCam D的传感器部分由 8个独立的光学镜头构 成,如图 3所示。通过 13个面阵 CCD采集影像数据,同 时生成全色影像、 彩色 RGB影像和近红外 NIR影像。其 中形成全色影像的 9个 CCD的影像数据存在不同程度的 重叠,航向为 258像素,旁向为 262像素,各 CCD所获取 的影像数据根据重叠部分影像精确配准, 消除曝光时间 误差造成的影响,生成一个完整的中心投影影像。 图 3 U ltraCam D 4.2 U ltraCa m D的特点 除了阴影问题的解决 ,同一时间全色、彩色 、近红 外影像的快速摄取 ,以及花费不菲的传统胶片处理和 扫描的避免之外 , UltraCam D还有以下特点 : (1) 适合作业的天气限制降低, 图像的判别性更 强 ,立体效果更好 ; (2) UltraCam D的传感器的平行设计使其取景幅 面变大 ,从而使图像的航向重叠度从传统的 60%增加 到 90%。而且 ,该设计也将数据的高效传输和存储考 虑在内 。由于采取这种图像获取方式, 航摄生产过程 的自动化和高效化也得到进一步的提高。 大幅面数码航摄相机 UltraCam D兼有内部关系 稳定和辐射性能优异等优点 , 同时采用 TDI技术进行 像移补偿, 地面分辨率高 , 影像数据的后处理时间适 中 ,可以直接替换传统大像幅相机,应用于各种比例尺 和高精度航空摄影测量工程 。也是目前接近于传统光 学相机的一种数码航摄相机。 4.3 应用 由于大面阵航空数码相机影像要比常规航空相机 胶片的影像清晰 ,而且无需扫描直接获得数字影像, 深 受我国摄影测量工作者的关注 , 并且已应用于我国摄 影测量的生产实践。有关其几何结构与成图精度等均 已被严格分析过 。 5 线阵与面阵 CCD的对比 对各种航空数字摄影相机的争论最后归结到对线 阵推扫与面阵 CCD成像质量及解算精度的优劣的讨 论上。对此 , Leica和 Vexcel分别发表了各自的观点 。 Leica曾经列举出线阵扫描方式的 19个优点 , 主 要有如下几个方面 : 线阵 CCD的镜头只有一个 ,从而 保证了严格的中心投影 ,且像素显示是连续的 ,无须进 行图像的拼接; 没有快门, 相机更加稳定, 能生成质量 更加统一的图像; 线阵 CCD生成的光谱文件数量少 , 占用空间少; 最后还强调了 ADS40的线阵 CCD的所有 部件都是 Leica公司出品的 ,是系统的 3 。 针对 Leica公司的陈述 , Vexcel也对每个方面做出 了相应的回答 ,并着重指出其采用的面阵 CCD的 4大 优点 : 像素更小, 精度更高 ,完全满足大比例尺作业的 要求 ; 面阵成像更适合目前的工作流程 ; 面阵成像提供 了更好更多的冗余观测值供解算选择; 面阵成像采用 的解析空中三角测量方法比线阵成像采用的 GPS / I MU测量方法的几何解算精度更高 3 。 当然每种产品的开发者对各自的产品性能最有发 言权 ,然而由于不同的设计思想必然导致产品存在这 样或那样的差别 。作为使用者, 我们应该做的是认清 自己的工作目的, 权衡每种产品的利弊 ,选择最能满足 自己工作任务的仪器。 6 结 论 以上对 3种数字相机分别从其构成 、 原理和优势 等方面进行了讨论 ,应该说它们各有千秋, 单纯从某一 个方面就说某种好或者差都是不可取的 。目前面阵 CCD的传感器能满足大中比例尺作业任务的要求 ,而 随着应用的发展, 相信多中心投影的数据处理方式会 取得一定的进展。线阵扫描传感器由于目前的技术受 到飞行速度以及高度的限制 ,基本上只适合中小比例 尺制图。不过 ,没有什么技术的存在会限制世界的发 展, 不应该将这两种技术看作是绝对对立的 ,只是会形 成更加明显的市场和应用的划分 。综合地利用各种产 品的优势 ,才能更好地推动航空摄影测量的发展 。 2005年 10月 20日至 22日在苏州举办的中国数字 城市发展战略论坛一致通过了 中国数字城市建设建议 书 。建议书中指出: “中国的数字城市建设对于国家现 代化、 信息化水平的提高具有重要战略意义。在数字城 市建设中,要把信息基础设施建设作为数字城市的物质 基础来抓,特别是空间数据基础设施即城市基础地理空 间数据库建设,以此作为城市其他专业数据定位加载和 连续空间化的依据,保证城市各类数据的一体化。 ”而航 摄影像是数字成图的主要来源 ,也就是建设城市空间数 据库的基础。所以, 有理由相信,结合不同航摄项目的 要求和不同作业地区的特点,这 3种相机都会在我国的 ( 下转第 26页) 23 韩磊等 .几款数字航摄相机的应用与比较 2006年 图 4 txttodgn_ s1和 txttodgn_s2实现对库数据平台的转换 (3) 修改内容超过 70% 的图幅就可以直接进行常 规的制图方法,扫描矢量化或者参考 CAD数据改线划 代码、 重新配置符号, 如果 CAD数据的分层效果较好 , 可以把 CAD数据也读入符合格式的文本数据 ,然后用 上述程序一次性进行数据转换 , 进行入库前的修改整 饰并重新进行入库。 4 注意的问题 由于广州市地理信息数据库包含有两个方面 , 即 出图数据和入库数据 ,两者的要求有很大的不同, 出图 数据只需满足出图的要求, 而入库数据要求比较严格 , 不能存在任何的属性和代码问题 ,且两者在点位、接边 上有着一致性, 因而修测过程与常规的矢量化过程有 着本质的区别, 需要考虑到出图数据和入库数据一致 性问题 。 由于要参考外业作业草图, 因而修测草图不能相 互矛盾 ,新测范围与未发生变化区域要严格进行接边 , 不同测量小组相邻图幅也要接边 ,需要外业部门的大 力配合以保证修测到位。 5 结 论 根据 2004年进行修测的 100 km 2中心城区及广州 站测区的情况来看, 目前使用的修测成图及入库方法 基本考虑到了影响修测及入库效率的 3个重要方面 : 原始数据来源的多样性, 外业修测原图的多样性和图 面变化程度的不同 。 (1) 对修测不超过图幅面积 20%, 变化部分很小 , 如只删除一些 C、D房、加一些花圃 、 改变一两间房屋 、 属性项更改不多( 道路属性) 的情况下 ,可直接打开数 据库的图幅, 分别修改 dgn和 carto两份数据 ,并注意 保持 dgn和 carto的一致性。 (2) 对于修测变化部分较多,占图幅面积 30% 60% 左右,建议采用从 dgn数据转 txt,再读入 GzScan扫描数 字化,已有编码和 ID码,采用传统的扫描数字化方法进行 成图;由于属性点内容暂时无法读入,同一图幅有新加入 属性点,很多旧点有需补加道路属性,建议所有属性及注 记全部重新输入。最后入库,符号化、 出图。 (3) 对于 70%以上变化 , 则参考旧图数字化不变 化部分, 其余全部按新图数字化进行。 在实际修测过程中会出现很多预料不到的新