宮 照

(武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,湖北 武漢 430079)

幾種常見數(shù)字航攝儀的分析與比較

宮 照

(武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,湖北 武漢 430079)

數(shù)字航攝儀是直接獲取高精度數(shù)字影像的重要手段之一。文中介紹當(dāng)前國(guó)際上3種主流數(shù)字航攝儀ADS40(Airborne Digital Sensor 40)、DMC(Digital Mapping Camera)及U ltraCamD(UCD),并分析三者的成像原理及關(guān)鍵技術(shù),同時(shí)從多個(gè)方面對(duì)三者進(jìn)行評(píng)估和比較。

數(shù)字航攝儀;DMC;U ltraCamD;ADS40;性能對(duì)比

數(shù)字影像的獲取是全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的第一道工序,數(shù)字影像質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響后續(xù)各工序及最后成品[1]。如何更有效、更經(jīng)濟(jì)、更方便且高精度地獲取數(shù)字影像,是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一,為此,數(shù)碼航攝像機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)碼航攝像機(jī)的推出與成功應(yīng)用,已成為航空攝影測(cè)量的又一個(gè)里程碑。

1 數(shù)字航攝儀技術(shù)原理及其發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)字航攝儀是利用一種電荷耦合器件(CCD),將鏡頭所成影像的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào),再把這種電信號(hào)轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的“數(shù)字信號(hào)”記錄下來,最后轉(zhuǎn)換成影像。在數(shù)字航攝儀中,CCD傳感器相當(dāng)于航空膠片,其實(shí)質(zhì)是按某種規(guī)律排列的MOS(金屬—氧化物—半導(dǎo)體)電容器構(gòu)成的移位存貯器,如圖 1所示。MOS是 CCD的基礎(chǔ),CCD感光的過程就是光子沖擊感光元件產(chǎn)生信號(hào)電荷,并通過 CCD上 MOS進(jìn)行電荷存儲(chǔ)傳輸?shù)倪^程。

圖1 MOS結(jié)構(gòu)示意圖

CCD傳感器是數(shù)字航攝儀的核心元件,是由為數(shù)眾多的微小光電二極管構(gòu)成的固態(tài)電子感光部件。光電二極管的排列方式有2種,一種是平面陣列,眾多光電二極管排列成一個(gè)平面,同時(shí)感受光信號(hào);另一種是線狀陣列,多個(gè)光電二極管排列成一條直線,逐行進(jìn)行感光成像。

面陣CCD傳感器獲取圖像的方式如圖2所示,它與框幅式攝影機(jī)相似,某一瞬間獲得一幅完整的影像,是一個(gè)單中心投影。線陣傳感器獲取圖像的方式如圖3所示,線陣列方向與飛行方向垂直,在某一瞬間得到的是一條線影像,一幅影像由若干條線影像拼接而成,又稱為推掃式掃描成像。

圖2 面陣傳感器成像方式

圖3 線陣傳感器成像方式

目前,國(guó)際上主流的數(shù)碼航攝像機(jī)的生產(chǎn)廠商及其產(chǎn)品主要包括VEXCEL Imaging公司生產(chǎn)的U ltraCamD大像幅數(shù)碼航攝像機(jī)、Z/I Imaging公司生產(chǎn)的DMC大像幅數(shù)碼航攝像機(jī)、Leica公司生產(chǎn)的ADS40推掃式數(shù)碼航攝像機(jī),除此之外,還包括IGI公司生產(chǎn)的DigiCAM 14K小像幅數(shù)碼航攝像機(jī),以及DiM AC小像幅數(shù)碼航攝像機(jī)等[2]。

2 數(shù)字航攝儀與傳統(tǒng)航攝儀的比較

目前,數(shù)字影像主要是通過傳統(tǒng)的膠片掃描數(shù)字化來獲取。傳統(tǒng)的膠片航攝儀體積大、價(jià)格高、周期長(zhǎng)、效率低,而基于數(shù)碼相機(jī)的數(shù)字?jǐn)z影儀體積小、價(jià)格低、周期短、效率高,這種數(shù)字?jǐn)z影儀已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[3],二者的能力對(duì)比分析見表1。

表1 數(shù)字航攝儀與膠片式航攝儀的能力對(duì)比分析

3 數(shù)字航攝儀的結(jié)構(gòu)與工作原理

數(shù)字航攝儀雖然都是獲取數(shù)字影像,但是各類像機(jī)在成像原理和工作流程上有所不同,下面介紹3種主流的數(shù)碼航攝像機(jī)(U ltraCamD,ADS40,DMC)的工作原理。

3.1 DMC

卡爾蔡司(CarlZeiss)和德國(guó)鷹圖交互計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)的子公司Z/I Imaging合作,在2000年推出數(shù)字航攝儀(Digital M apping Camera,DMC)。該系統(tǒng)是一種可用于高精度高分辨率的航空攝影測(cè)量任務(wù)的系統(tǒng)。DMC鏡頭系統(tǒng)由8個(gè)鏡頭組合而成(見圖4)。其中4個(gè)全色鏡頭,4個(gè)多光譜鏡頭(紅、綠、藍(lán)以及近紅外)。每個(gè)單獨(dú)鏡頭配有大面陣的CCD傳感器,4個(gè)全色鏡頭的CCD傳感器為7K×4K,4個(gè)多光譜鏡頭的CCD傳感器為3K×2K[4]。

圖4 DMC的鏡頭系統(tǒng)

DMC數(shù)碼航攝相機(jī)的鏡頭部分,全色鏡頭沿飛行方向呈2×2矩陣排列,每個(gè)鏡頭對(duì)應(yīng)一個(gè)尺寸為4 096×7 168像素的CCD陣列。全色鏡頭所獲取的子影像間存在一定程度的重疊,子影像通過后處理和拼接之后生成模擬中心投影的虛擬影像。多光譜鏡頭環(huán)繞全色鏡頭排列,獲取豎直影像,多光譜影像與全色影像的覆蓋范圍相同,但分辨率較低。因此,DMC影像是面陣CCD成像方式,但不是嚴(yán)格的中心投影。

3.2 U ltraCamD

U ltraCamD數(shù)字航攝儀,由Vexcel公司出品,也是采用多鏡頭組成的框幅式數(shù)字航攝儀,一次攝影可同時(shí)獲取黑白、彩色和彩紅外影像。U ltra-CamD數(shù)字航攝儀的成像原理基于傳統(tǒng)航攝儀的中心投影,采用了8個(gè)小型鏡頭,相機(jī)底部中央由4個(gè)鏡頭組成全色波段鏡頭組,周圍布置了4個(gè)焦距為28mm的鏡頭,負(fù)責(zé)對(duì)R、G、B和近紅外波段感光。

U ltraCamD的4個(gè)全色鏡頭沿飛行方向排列,對(duì)應(yīng)的9個(gè)面陣CCD呈3×3排列。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)鏡頭到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)時(shí),正中心1個(gè)CCD被曝光;隨飛機(jī)的飛行第2個(gè)鏡頭到達(dá)相同位置,四角的CCD以及R和B鏡頭對(duì)應(yīng)CCD曝光;第3個(gè)鏡頭到達(dá)時(shí)上下2個(gè)CCD以及 G和N IR鏡頭對(duì)應(yīng)CCD曝光,第4個(gè)鏡頭到達(dá)時(shí)左右2個(gè) CCD曝光(見圖5)。各CCD所獲取的影像根據(jù)重疊部分精確配準(zhǔn),消除曝光時(shí)間誤差造成的影響,生成一個(gè)完整的中心投影影像。

圖5 UltraCamD的成像過程

3.3 ADS40

ADS40(Airborne Digital Sensor)由瑞士LH公司與德國(guó)宇航中心DLR聯(lián)合研制,相機(jī)上集成了GPS和慣性測(cè)量裝置(IMU),可以在無地面控制的情況下完成對(duì)地面目標(biāo)的三維定位[5]。ADS40相機(jī)采用單個(gè)鏡頭成像,其鏡頭口徑更大,采用的CCD成像器件是線陣式排列。ADS40的成像方式不同于傳統(tǒng)航攝儀,它得到的是多中心投影影像,每個(gè)掃描線對(duì)應(yīng)單獨(dú)的投影中心,拍攝到的是一整條帶狀無縫隙的影像,同一條航線的影像不存在拼接問題。

ADS40成像的最大特點(diǎn)就在于它的全色波段采用了前視、下視和后視3個(gè)方向同時(shí)獲取影像的辦法(見圖6)。其中,前視方向與下視方向的夾角為28.4°,后視方向與下視方向的夾角為14.2°,加上RGB和近紅外4個(gè)波段,這樣使得ADS40可以利用一次飛行獲得豐富的影像信息[6]。

圖6 ADS40成像條帶示意圖

4 幾種航攝儀的比較

4.1 基本參數(shù)的比較

隨著數(shù)字成像技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字?jǐn)z影儀必將取代膠片攝影儀,在膠片攝影中的一些技術(shù)參數(shù)將不再適用于數(shù)字?jǐn)z影。幾種數(shù)字航攝儀的基本參數(shù)比較如表2所示。

表2 目前常用的航攝相機(jī)及有關(guān)基本參數(shù)[6]

4.2 成像原理的比較

ADS40采用的是線陣式CCD推掃成像,通過在焦平面安置分光鏡組件和多條CCD線陣,一次飛行可以同時(shí)獲取全色前視、下視、后視,R、G、B和近紅外波段的影像。ADS40的影像質(zhì)量必須依賴于IM U/DGPS技術(shù)。DMC和 U ltraCamD的成像方式類似于傳統(tǒng)的框幅式成像,所不同的是DMC和U ltraCamD拍攝到的每張影像是使用拼合或者融合方式獲取的。

成像原理如下:

ADS40:推掃成像,依賴于 IM U/DGPS技術(shù)。

DMC:多鏡頭框幅式成像,不同像主點(diǎn)拼合。

U ltraCamD:多鏡頭框幅式成像,實(shí)現(xiàn)同一像主點(diǎn)的多幅影像拼合。

4.3 后處理系統(tǒng)的比較

DMC的后處理系統(tǒng)包括地面讀取航攝數(shù)據(jù)系統(tǒng)、RA ID陣列、UPS電源、光纖數(shù)據(jù)線集線器、數(shù)據(jù)后處理工作站以及可將DMC原始影像轉(zhuǎn)換為其它影像格式的后處理應(yīng)用軟件PPS。地面后處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)下載數(shù)據(jù)、光譜校正、幾何校正及數(shù)據(jù)處理。

U ltraCamD在后處理階段采用Vexcel數(shù)據(jù)后處理軟件,進(jìn)行數(shù)據(jù)下載,并鑲嵌融合。

ADS40的地面數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)包括飛行任務(wù)結(jié)束后處理所有數(shù)據(jù)的工作站以及各種數(shù)據(jù)后處理軟件。主要有:Gp ro、Leica公司的軟件,貫穿整個(gè)ADS40后處理過程;POSPac-App lanix公司的軟件,主要負(fù)責(zé)處理 IM U/DGPS數(shù)據(jù);ORIM A軟件進(jìn)行空三加密。

在數(shù)據(jù)后處理階段,由于ADS40采用推掃式成像,對(duì)原始影像的后處理計(jì)算更為復(fù)雜,原有的航片后處理軟件都是為處理中心投影的框幅式相片開發(fā)的,所以適用于ADS40的商業(yè)后處理軟件種類比DMC和U ltraCamD少。

4.4 其它比較

1)3種數(shù)字航攝儀都可以在一次飛行中獲取到全色、RGB和近紅外波段的影像。ADS40多數(shù)基本配置的系統(tǒng)只能獲取全色波段的立體像對(duì)。按獲取的彩色信息原始分辨率從高到低的能力排序分別是:ADS40—U ltraCamD—DMC。

2)大比例尺“真”正射數(shù)字影像圖制作應(yīng)用方面:ADS40可以在垂直方向設(shè)置RGB條帶CCD,在航向方向近乎“真”正射;U ltraCamD的最短曝光時(shí)間間隔為0.75 s,U ltraCamD可以獲得高達(dá)96%的航向重疊度,在獲取“真”正射需要的像片上也有一定的優(yōu)勢(shì);DMC的最短曝光時(shí)間間隔為2 s,從這方面應(yīng)用上要弱。

3)ADS40必須使用IMU/DGPS,DMC和U ltraCamD可以使用也可以不使用 IM U/DGPS。三者都可以實(shí)現(xiàn)無(或少)地面控制航測(cè)成圖。

4)ADS40的 GSD最大為15 cm,適用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)等遙感應(yīng)用和中小比例尺制圖(目前有材料證明ADS40的GSD也可以達(dá)到5 cm);DMC和U ltraCamD為5 cm和3 cm,可用于大比例尺制圖和工程應(yīng)用。

5 結(jié) 論

ADS40、DMC、U ltraCamD這些具有代表性的數(shù)字航測(cè)儀分別具有各自的特點(diǎn)。無論是線陣傳感器相機(jī),還是面陣傳感器相機(jī),由數(shù)字航攝儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)膠片式航攝儀的優(yōu)勢(shì)是非常顯著的。數(shù)字航攝儀主要有以下3個(gè)特點(diǎn):解決大像幅的航空攝影;與定姿、定位傳感器的結(jié)合;與現(xiàn)有攝影測(cè)量系統(tǒng)資源的銜接。

數(shù)字航攝傳感器集精密光學(xué)機(jī)械、高速信號(hào)處理、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理和機(jī)載 POS等技術(shù)為一體,為數(shù)字航空影像的獲取開辟了一條全新的道路。隨著數(shù)字航空影像的產(chǎn)生,其深加工環(huán)境也需要進(jìn)一步完善,尤其是相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、相機(jī)檢定、后續(xù)處理等各個(gè)方面有待全面跟上,只有合理調(diào)整生產(chǎn)結(jié)構(gòu),大膽引進(jìn)軟件和技術(shù),合理修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,全數(shù)字的攝影測(cè)量才能真正實(shí)現(xiàn)。

[1]張祖勛,張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)[M].武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社,1996:2-5.

[2]張祖勛.航空數(shù)碼相機(jī)及其有關(guān)問題[J].測(cè)繪工程,2004,13(4):1-5.

[3]高光星.數(shù)碼航攝與傳統(tǒng)攝影的比較探討[J].地理空間信息,2007,5(1):10-13.

[4]袁桂生,智愛玲.數(shù)字航攝相機(jī)(DMC)在測(cè)繪項(xiàng)目中應(yīng)用的探討[J].現(xiàn)代測(cè)繪,2005,28(4):30-31.

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Analysisand comparison of several common aerial digital cameras

GONG Zhao
(School of Geodesy and Geomatics,Wuhan University,Wuhan 430079,China)

Aerial digital camera isone of the importantmeans to obtain high-p recision digital imaging directly.This paper introduces threemajor aerial digital cameras in the world such as ADS40,DMC and U ltra-CamD;analyzes the main p rincip les and key technologies;at the same time assesses and compares them in several aspects.

aerial digital cameras;DMC;U ltraCamD;ADS40;perfo rmance comparison

P231

A

1006-7949(2010)01-0046-04

2009-06-07

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007AA 12Z154)

宮 照(1985-),女,碩士研究生.

[責(zé)任編輯劉文霞]