航空摄影测量的技术流程汇总教学内容.doc

嘉鱼市国土资源局航空摄影测量及DEM、DOM、DLG生产项目
技术文件
[航空摄影部分]

武大吉奥信息技术有限公司
2009年10月
目 录

1 航摄技术文件 3
1.1 技术说明 3
1.1.1 含惯导的ADS40技术路线 3
1.1.2 不含惯导的DMC技术路线 5
1.1.3 传统彩色胶片相机技术路线 6
1.1.4 作业流程 7
1.2 技术方案 8
1.2.1 主要工作内容 8
1.2.2 技术依据 8
1.2.3 测区概况 9
1.2.4 成图规格 10
1.2.5 航空摄影 11

1 航摄技术文件
11 技术说明
1.1.1 含惯导的ADS40技术路线
ADS40是由全球著名的摄影测量公司徕卡公司开发的线阵列推扫式摄影系统，它高度集成了高精度全球定位系统（GPS）和惯性测量单元（IMU），其中高精度全球定位系统与地面基站GPS或精密星历数据联合解算后能够以2HZ频率提供高精度绝对坐标，具有长时低频高精度特点；惯性测量单元能够以200HZ频率记录航摄仪相对位置和高精度姿态数据，具有短时高频高精度的特点，两者紧密集成能够有效补偿彼此的系统误差，利用ADS40进行航空摄影，可以为每条扫描线产生准确的外方位元素。而利用摄影测量技术成图的关键技术是如何获取精确的影像外方位元素以恢复摄影时的立体状态，使用ADS40航摄系统进行航摄，一方面可以直接获取高清晰、高品质、高分辨率、多光谱数字航摄影像，另一方面能够获取每一条扫描影像的外方位元素，这样在影像后处理过程中只需结合精密卫星星历或GPS同步观测数据就能够得到准确的外方位元素，从而恢复整条航带摄影时的立体构像；空三加密处理时只需要在加密分区四角和中心加测像片控制点就可以保证影像空三加密精度，大大减少外业像控点数量，同时ADS40基高比较大，高程量测精度高，也可以成倍地减少外业高程控制点测量工作，有效缩短成图周期。4
采用ADS40实施航摄的总体技术步骤包括资料收集和空域申请、POS辅助航空摄影、像片控制测量、航摄内业四个部分。
首先，根据合同要求收集测区必要的控制，地形图分幅图名，市行政划分，主要交通干线等资料以及航空摄影空域申请资料，再根据空域申请资料办理航空摄影批文及调机手续；
其次，按甲方确定的重叠度要求，采用ADS40数码航空摄影系统对嘉鱼市全境实施影像地面分辨率为15厘米的航空摄影。在摄影同时POS按不同频率记录航摄仪的位置和姿态数据，将此数据与两个以上GPS基站同步观测数据或同步精密星历数据联合解算来获得每张像片精确外方位元素数据。
再次，在完成测区航空摄影及后处理解算后，根据POS辅助空三的像控要求，对加密分区实施像片控制测量。
在进行像片控制测量的同时，利用ADS40配套的GPro系统构建项目工程下载数据，联合GPS同步观测记录或精密星历数据对POS数据进行联合解算，获取每套扫描线准确的外方位元素，再进行自动点匹配工作，纠正影像得到L1级影像，划分加密分区，制作像控片实施像控测量，利用Orima软件完成空三加密，在空三加密精度满足规范要求后利用LPS或我公司自主开发的全数字摄影测量工作站采集和编辑地形特征点、特征线和高程数据，构TIN和质检，生成DEM数据；同时利用自主研发的匀光软件Geodoging对L1级像片进行匀光；利用DEM数据对匀光后的影像进行正射纠正，勾绘航带拼接线完成影像拼接，按成果分幅和挂图要求完成裁图，再次利用LPS或公司自主开发的全数字摄影测量工作站进行数据生产，制作数字线划图。

1.1.2 不含惯导的DMC技术路线
航摄外业采用数码相机DMC对全摄区进行数码航空摄影。
除航空摄影工作外，成图部分采用航测法与全野外实测相结合的作业方法进行。
航测法是指先航摄并采用先进的全数字摄影测量系统进行DLG数据生产；再通过全野外实测法利用先进的实时RTK GPS测量定位以及全站仪对新增地物和立体模型不清晰地物以及高程注记点等进行全野外实测形成DLG数据。即航空摄影、基础控制测量、像片控制测量、空三加密工作结束后在MicroStation制图软件平台上利用美国Intergraph公司的SSK全数字摄影测量工作站进行全要素数据采集，并按制定好的线型库、符号库对全要素地形图进行初编、回放。全野外实测隐蔽地物工作底图，外业利用初编回放的全要素工作底图（DLG线划图）进行全要素野外调绘，并对隐蔽和新增地物如房屋、地名、城市设施等进行全野外采集，同时为了保证高程精度应全野外实测铺装路面和平坦区域内的高程注记点，然后依此为基础在MicroStation制图软件平台或对采集获取的DGN数据进行数据转换，在AutoCAD2000软件平台上进行DLG数据精编，并按本工程执行的相关技术标准对1：2000矢量地形图数据标准要求进行分层、分色、附加相应属性代码等。编辑结束后再回放线划地形图进行野外全面巡视检查与精度检测并进行修改，以确保DLG图形数据的正确性和数学精度。

1.1.3 传统彩色胶片相机技术路线
航摄外业采用常规相机RC30使用彩色胶片对全摄区进行航空摄影。
除航空摄影工作外，成图部分采用航测法与全野外实测相结合的作业方法进行。（有关航测法的说明见1.1.2）
1.1.4 作业流程

说明：蓝色虚线框内为ADS40航摄方案所需的流程。
1.2 技术方案
1.2.1 主要工作内容
1、获取嘉鱼市市域范围内约1000平方公里（预计约1300平方公里）真彩色数码航片。
2、嘉鱼市市域范围内约1000平方公里1：2000数字高程模型（DEM）生产。
3、嘉鱼市市域范围内约1000平方公里1：2000数字正射影像图（DOM）生产。
4、嘉鱼市市域范围内约1000平方公里1:2000数字线划图（DLG）生产。
1.2.2 技术依据
序号
标准名称
标准代号
1
《全球定位系统城市测量技术规程》
CJJ73-97
2
《航空摄影技术设计规范》
GB/T19294-2003
3
《城市测量规范》
CJJ8-99
4
《数字测绘产品检查验收规定和质量评定标准》
GB/T18316-2001
5
地球空间数据交换格式
GB/T 17798—1999
6
1：500、1：1000、1：2000地形图航空摄影测量数字化测图规范
GB1596—1995
7
国家测绘局《GPS辅助航空摄影技术规定(试行)》

8
国家三、四等水准测量规范
GB 12898—91
9
数字测绘产品质量要求第1部分:数字线划地形图，数字高程模型质量要求
GB/T17941.1—2000
10
《1：500、1：1000、1：2000地形图航空测量外业规范》
GB7931-87
11
《1：500，1：1000，1：2000比例尺地形图航空摄影规范》
GB6962-2005
12
《1:500 1:1000 1:2000地形图图式》
GB/T7929-1995
13
《1：500、1：1000：1：500地形图航空摄影测量内业规范》
GB7930—87
14
《测绘产品检查验收规定》
CH1002-95
15
《测绘产品质量评定标准》
CH1003-95

1.2.3 测区概况
1.2.3.1 地理位置及地貌气候特征
嘉鱼市位于东经113°39’-114°22’，北纬29°48’-30°19’，地处长江中游南岸，北与武汉接壤，离武汉仅80公里，南近洞庭岳阳，东邻京广铁路、京珠高速公路和107国道，西与荆州洪湖隔江相望。县境地形狭长，全境长85公里，宽5.7—17.9公里，总面积1017平方公里，其中陆地面积712平方公里，水域面积305平方公里。
嘉鱼市属亚热带湿润型季风气候。具有四季分明、气候温和、湿度较大、日照充足、雨热同季、无霜期长等特点。境内平原与丘岗气候亦无明显区别。全县年平均气温17.0℃。最冷月为一月，平均气温4.5℃，极端最低气温-12℃；最热月为七月，平均气温29.2℃，极端最高气温40.2℃。无霜期初日3月13—16日，终日11月16—28日，全年无霜期249-262天。因受幕阜山脉的阻隔，冬、春季冷暖气流交汇于长江流域，冬季气温下降慢、早春回温快，农业界限温度（稳定通过5℃的持续期）平均初日在2月27日，终日在12月10日，具有一些既不同于南方，也不同于北方的气候特点。全市年均降水量为1370mm，主要特点是时空不匀，年际变化大，旱涝变幻异常。量大时达1812mm，量小时849mm，相差963mm。2-6月属偏涝季节，7-10月属偏旱季节。
1.2.3.2 测区范围
测区范围示意图如下：

备注：测区面积约1000平方公里。 （图中红色阴影部分）
1.2.3.3 困难等级
从气候条件、空域条件、地形地貌条件等综合分析，该地区属航空摄影二类区域。
1.2.4 成图规格
1) 平面坐标系：采用1980年西安坐标系，3度分带，中央子午线为东经114度；
2) 高程基准：采用1985年国家高程基准；
3) DOM成图比例尺1:2000；
4) 图幅分幅、图名及编号：影像图采用50cmX50cm正方形标准分幅，图幅号按西南角坐标编号；以图内显著地理或单位名称做该图图名。
5) 正射影像图整饰：正射影像图整饰均按相应图式执行，图幅的右上角加注“秘密”字样、东图廓下边加注“嘉鱼市国土资源局”字样、西图廓下边加注生产单位名称；
1.2.5 航空摄影
1.2.5.1 使用设备
1）航摄飞机：Y-5飞机
该机是小型涡轮单螺旋桨双翼飞机，最高升限 3800 米，最大巡航速度180公里/小时，最小地速可低于100公里/小时，飞机姿态保持由先进的GPS全球定位系统与相机陀螺平台共同承担，在航迹修正，飞机的俯仰、横滚与侧滚的控制方面均能达到较满意的效果。
2）航摄仪：
Intergraph的DMC
该相机是美国Intergraph公司生产的全波段数字航摄仪，该相机基于CCD面阵的模块化设计，具有非常高的内部稳定性，以达到在几何和辐射两方面的高分辨率和用户化最佳系统性能。
该相机共由八个探测器（镜头）组成，中间四个7K×4K的面阵全色组合镜头构成一个13.5K×8K的大面阵，获得全色影像；四个角镜头构成RGB（红绿蓝）和彩红外四个波段影像，以与全色影像进行彩色合成，多光谱彩色合成影像的地面覆盖范围与全色影像覆盖范围完全相同。数据处理后可以得到几种不同类型的文件格式，即全色、彩色（RGB模式）和彩红外格式，这三种文件格式都是高分辨率（7860×13824）输出的。由于其结构采用了13.5K×8K面阵形式的中心投影，其摄影成果与光学航摄成果在应用上完全相同。
该相机还具有自动像移补偿装置（FMC），这种全电子FMC和每像素12比特的辐射分辨率设计获得的影像质量大大优于胶片扫描影像，先进的全电子FMC技术、高精密度光学系统的结合，使得DMC最高可以达到4厘米的地面分辨率。同时该相机还配备了稳定的T-AS陀螺平台，它可以将飞机的俯仰、侧滚和旋偏等情况进行校正，先进的陀螺仪技术、动态控制组件技术、防震技术以及改良的垂直稳定技术都确保了DMC能够拍摄出高品质的图像。
该相机的数据在线存储性能尤为优越，当相机在高辐射分辨率（12bit）、四频段彩色模型工作状况下，DMC相机系统每2.3秒得到一幅260M原始RAW图像。因此，控制电路需要一个特殊的高速数据传输和存储设计，它由三个基于PC完整的PCI总线并行操作，相机模块得到的图像数据，通过各自独立的光纤从CPU传送到可插拔的移动硬盘，每个硬盘的容量为280G，能提供带有三个并行的光纤通道的总容量为840G的存储能力。DMC一次运行能拍摄并存储2000张以上照片，这相当于传统相机3桶120米胶卷。另外，可移动硬盘在运行中可更换，这样又进一步提高了图像存储空间。
该相机光学性能也很突出。光学镜头由世界著名的光学仪器公司卡尔蔡司为DMC量身定做的，它具有最小的畸变、较大的光圈（f/4）、高分辨率，同质的视场响应等特点。由于相机使用各自的镜头，全色波段和彩色波段镜头特性尽可能一致，这种设计使得多个较小的相机拍摄的带有重叠的图像的光学特性要比大孔径的单个镜头还要高。
DMC选用的面阵CCD成像器件，具有高光学感受品质，它的像元尺寸是12 um*12 um，并提供高线性动态范围的辐射分辨率(12bit)。该CCD具有四个角并行输出信号的能力，这种输出能力对提高信噪比和每2.3秒完成一幅图像的重复输出能力是非常重要的。
Leica的ADS40
ADS40采用高分辨率线阵列 CCD元件为探测器件,镜头采用中心垂直投影设计,焦平面的2个全色波段和1个绿色波段阵列构成了对地面的前视、下视和后视成像格局,所有目标在3个扫描条带分别记录，能直接生成3对立体像对；Ｒ、Ｂ和近红外波段阵列安置在下视和后视位置，通过三色分色镜记录目标的多光谱信息，能够通过Gpro软件融合生成真彩色影像。航空摄影时,传感器采用推扫式成像原理,8个通道同时对地面连续采样,同时获取目标的多波段影像，飞行期间影像数据、GPS 接收机产生的2Hz定位数据、IMU产生的200Hz定位和姿态数据以及其它管理数据以特定的格式记录在MMS中,整个系统呈现高度自动化、智能化和专业化特性。

ADS40由传感器头SH41、控制单元CU40、机载大容量存储器MM40、操作界面OI40、界面支架IS40、领航指示器GI40、领航控制器OC50、陀螺稳定平台PAV30、Pos系统、GPS天线等部件组成（实物图如图所示）。

实物图

3）DMC/ADS40数据处理服务器
由于DMC/ADS40数字航摄系统是由多个面阵/线阵的CCD探测器（镜头）组成的，所获取的影像数据容量较大，需要在高档次的服务器中经利用其固有的DPPS（DMC用）/GPRO（ADS40用）软件配合高配置的服务器进行影像数据辐射和几何后处理。辐射处理以补偿由于温度、光圈和其他辐射所造成的缺陷，几何处理以修正镜头畸变和倾斜，最终达到无缺陷的一组合成影像数据。
4）影像数据输出设备
美国HP公司的HP5500彩色喷墨打印机。
1.2.5.2 航线设计
由于国内还没有关于数码航空摄影的技术设计规范，DMC/ADS40的数码相机的具体参数指标和地形特征，参照现行的航空摄影技术规范，按下述原则作技术设计：
1) 根据本项目招标文件划定的摄区范围，依据规范的要求及测区地形特征的实际情况进行摄影分区的划分，然后在分区基准面高程的基础上进行航线设计；
2) 航摄分区：按照现行规范要求划分航摄分区，并尽量使分区内地形、类型基本保持一致；
3) 航线按常规方法敷设，平行于摄区边界线的首末边缘航线应敷设在摄区边界线外，确保摄区边界覆盖不少于50%像幅，极个别的部分不少于30%像幅；
4) 基线保证：航向超出范围不少于2条基线；
5) 航高：摄影时同一航线上相邻像片的航高差不得大于30米同一航线上最大航高与最小航高差不得大于50米；实际航高与设计航高之差不得大于5%；
6) 航线的弯曲度：航线弯曲度不大于3%；
7) 相邻分区之间，航向各自超出分区界限2条基线，旁向确保各自满幅；
8) 航空摄影像片按照5cm的地面分辨率进行技术设计。
9) 航片重叠度：像片航向重叠度设计一般为60%～65%，最大不超过75%，最小不少于56%，像片旁向重叠度设计一般为30%～35%，最小不少于13%；
10) 倾角：航摄仪瞬时曝光的倾角一般不大于2°，个别最大不得超过4°。整个项目的航摄平均倾角不超过1°；
11) 摄影条件：航摄应选择在最有利的气象条件，既要保证足够的光照，又要避免过大的阴影，摄影时间应安排在上午10:00至下午2:00期间，太阳的高度角不小于30度。
1.2.5.2.1 摄区范围
航摄范围示意图如下：

备注：同种红色框线范围，约1300平方公里。
1.2.5.2.2 航摄分区
根据对测区范围的地形的分析，以及Pos系统的实际时间要求，嘉鱼市全测区不需分区。

1.2.5.2.3 分区设计
1 DMC设计：

2 ADS40设计：

3 RC30设计：

1.2.5.2.4 航摄因子表

DMC
ADS40
RC30
最高点高程
80
80
80
暂定基准面
50
50
50
最低点高程
0
0
0
焦距（m）
0.12
0.06277
0.1524
最高点与基准面高差
30
30
30
最低点与基准面高差
50
50
50
航高(m)
1440
1449
1524
基准面Qy
35.0%
35%
35.0%
最高点Qy
33.6%
34%
33.7%
最低点Qy
37.2%
37%
37.1%
基准面Px
65.0%
--
65.0%
最高点Px
64.3%
--
64.3%
最低点Px
66.2%
--
66.1%
基准面m(1:)
12000
--
10000
最高点m(1:)
11750
--
9803
最低点m(1:)
12417
--
10328
照片分辨率
0.000012
0.0000065
--
最低点分辨率
0.149
0.16
--
最高点分辨率
0.141
0.15
--
基准面分辨率
0.144
0.15
--
绝对航高
1490
1499
1574
基线
387
N/A
805
航线间隔
1293
1170
1495
南北覆盖因子
50%
50%
50%
东西覆盖因子
3条基线
1.5公里
3条基线
航线总数:
38
42
34
航线总长度km)
997.1
1261
867.8
总曝光数:
2614

1112
1.2.5.3 各相机参数及优缺点对照表

DMC
ADS40
RC30
像元
12 μm
6.5 μm

航摄比例尺/设计GSD
1:12000
15cm
1:10000
飞行高度
1440
1449
1524
曝光方式
GPS定点曝光
GPS定点曝光
GPS定点曝光
影像分辨率
14.4cm
15cm

是否有惯导
否
是
否
成像方式
框幅式
线阵推扫
框幅式
数据介质
硬盘
硬盘
胶片+硬盘
后处理系统要求
和传统相机相同，无特殊要求
LPS系统，或GeoOne
无特殊要求

基线长
387
---
805
像片总数
2614
42*8
1112
模型数量
2576
42
1078
外业控制工作量
按常规方法布设，工作量较大
按加密分区，四角及中间适当布设少量控制点即可，工作量较少。
按常规方法布设，工作量较大

航线总长
997.1
1261
867.8
预计飞行小时
11
12
10
预计架次数量
3
3
3

各相机的优势
1 对于天气质量的要求较宽松，ccd的12bit辐射分辨率及先进的后处理软件可以更清晰真实的还原地物的真实色彩。
2 无需查看星历数据，GPS仅做为参考导航使用，甚至在完全失去GPS信号的情况下，依旧可以使用手动或固定时长的方式触发曝光。
3 全数字摄影测量，用于生产的影像分辨率和实际航摄的一致。
4 和传统相机成像原理一致，后续生产工作无特殊要求，可在现有得大多数后处理平台上进行生产。
1对于天气质量的要求较宽松，ccd的12bit辐射分辨率及先进的后处理软件可以更清晰真实的还原地物的真实色彩。
2 线阵推扫式成像，可以更高效的进行后续生产工作。
3 自带Pos系统，较少外业控制的工作量，更加快速的进行后续生产工作。
4 100%航向重叠，无需考虑航向问题。
1 大像幅可以有效地节约航摄飞行时间，提高航摄效率。减少模型数量，提高数据生产效率。

缺点
1 像幅较小，模型数量较多，增加外业和后续生产工作量。
1 星历质量对飞行时间有一定限制。航摄过程要注意考虑星历预报。
2 对飞行质量要求比较高，要避免坡度、卫星遮挡等问题。
3 单模型数据文件容量较大，多数传统的后处理平台无法支持，需要LPS等的支持。
1 对天气质量要求较高，可飞天气较少。
2 影像受扫描分辨率的影响，实际得到的影像分辨率较低。
1.2.5.4 飞行质量
1) 采用GPS按设计航迹坐标导航、实施定点曝光。
2) 航线按常规方法敷设，利用相机配套任务设计软件ISMP(DMC/RC30使用)、FPES（ADS40/RC30使用）对每个分区进行航线设计，确保摄区边界实际覆盖不少于像幅的50%（个别部分不少于30%）。在便于施测像片控制点及不影响内业正常加密时，旁向超出摄区边界线不少于像幅的13%，可视为合格。
3) 分区边界覆盖应满足分区间各自满幅的要求。
4) 旋偏角一般不大于12°，在确保航向、旁向重叠度仍能符合规范要求的前提下，个别旋偏角允许最大不超过25°。
1.2.5.5 影像质量
1) 影像质量特别强调影像清晰，反差适中，颜色饱和，色彩鲜明，色调一致，能辨别与数字影像分辨率一致的细小地物影像。
2) 采用高精度数字航摄仪DMC/ADS40时，其每个镜头均具有12Bit的辐射分辨率，完全可以保证其影像的灰雾度、反差等。采用常规彩色胶片相机时，必须保证良好的航摄天气，确保在没有云影、雾、霾的碧空天气进行航摄。
1.2.5.6 补摄与重摄
1) 航摄过程中出现的绝对漏洞、相对漏洞、GPS的连续失锁及其它严重缺陷必须及时补摄。
2) 航摄中出现的绝对漏洞和相对漏洞，按照原设计航迹补摄。
3) 漏洞补摄必须按原设计航迹进行。由于本次采用定点曝光，可以只对漏洞处按原定点坐标前后至少连续补摄三张以上相片。应采用同一主距的航摄仪进行补摄。