王鑫，姜挺

（信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，鄭州 450052）

1 引言

隨著數(shù)字傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字航空攝影取代膠片式航空攝影已成為大勢(shì)所趨，數(shù)字傳感器面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇。2000年在ISPRS阿姆斯特丹大會(huì)上，數(shù)字航空攝影傳感器開(kāi)始出現(xiàn)，2004年的伊斯坦布爾大會(huì)上傳感器成為一個(gè)熱點(diǎn)［1］。2008年北京大會(huì)上，各廠家更是紛紛推出換代產(chǎn)品。

大幅面的數(shù)字航空攝影傳感器主要以兩種方式發(fā)展，一種是基于三線陣的CCD推掃式傳感器（例如ADS40/80）；另一種是基于多鏡頭系統(tǒng)的面陣式傳感器（例如DMC、UCX、SWDC），利用影像拼接鑲嵌技術(shù)獲取大幅面影像數(shù)據(jù)。

與線陣式相比，面陣式航空攝影傳感器繼承了傳統(tǒng)膠片式航攝儀的成像方式和作業(yè)習(xí)慣，目前的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)都能夠兼容其工作方式，具體作業(yè)流程與傳統(tǒng)航攝儀相比基本沒(méi)有改變。因此，在目前引進(jìn)的數(shù)字航空攝影傳感器中，仍以面陣式成像方式為主流。

2 常用大面陣數(shù)字航空攝影傳感器成像特點(diǎn)與性能分析

數(shù)字航空攝影傳感器的核心元件是光敏成像元件CCD，面陣式傳感器中的電荷耦合元件是以平面陣列的方式排列的，成像方式與傳統(tǒng)的膠片方式類似。

現(xiàn)階段攝影測(cè)量中所采用的大面陣數(shù)字航空攝影傳感器有多種，代表性的有Z/I Imaging公司的DMC(Digital Modular Camera)、Vexcel公 司 的 UltraCamD(UCD)、UltraCamX(UCX)、UltraCamXp(UCXp)，以及四維公司的SWDC等。

由于單一大面陣CCD的制造技術(shù)還不夠成熟，且造價(jià)昂貴，目前大面陣航空攝影傳感器主要利用多鏡頭、多影像拼接鑲嵌技術(shù)來(lái)獲取大幅面影像數(shù)據(jù)。如DMC、UCD/UCX/UCXp、SWDC均為多面陣傳感器，由多個(gè)小面陣及鏡頭合成成像，在像方拼接成統(tǒng)一中心投影的大幅面影像。

2.1 DMC

卡爾蔡司公司（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年推出了數(shù)字航空攝影傳感器DMC。

DMC的鏡頭部分由8個(gè)鏡頭組成，具體排列方式如圖1所示。4個(gè)全色鏡頭沿飛行方向按2×2矩陣排列，鏡頭與中心軸線方向均偏離一定角度，每個(gè)鏡頭對(duì)應(yīng)一個(gè)大小為4096×7168像素的面陣CCD。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(guò)后處理和拼接之后生成模擬中心投影的虛擬影像［2］。4個(gè)多光譜鏡頭在全色鏡頭周圍環(huán)繞排列，主光軸與中心軸線方向平行，多光譜影像與全色影像的覆蓋范圍相同，但分辨率較低。

圖1 DMC鏡頭排列方式

DMC的部分技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 DMC主要技術(shù)參數(shù)

2.2 UCXp

在北京召開(kāi)的第21屆國(guó)際攝影測(cè)量與遙感大會(huì)（ISPRS 2008 Beijing）上，微軟威克勝公司（Microsoft/Vexcel）繼UCD/UCX后又推出升級(jí)產(chǎn)品——UCXp。

UCXp共由13個(gè)面陣CCD構(gòu)成，其大小均為5770×3770像素，其中由9個(gè)CCD的影像數(shù)據(jù)構(gòu)成全色影像。UCXp的鏡頭部分由8個(gè)光學(xué)鏡頭組成，分三排排列，同時(shí)生成全色、RGB和NIR影像。圖2為UCXp的成像過(guò)程示意圖。4個(gè)全色波段鏡頭的排列方向與飛行方向一致。曝光時(shí)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)鏡頭到達(dá)指定曝光地點(diǎn)，即對(duì)位于中心位置的面陣CCD曝光；第二個(gè)鏡頭到達(dá)相同位置時(shí)，對(duì)四角的4個(gè)面陣CCD曝光，同時(shí)R、B的波段鏡頭對(duì)其相應(yīng)的2個(gè)面陣CCD曝光；第三個(gè)鏡頭到達(dá)時(shí)，對(duì)上下2個(gè)面陣CCD曝光，同時(shí)G波段和NIR波段鏡頭對(duì)其相應(yīng)的2個(gè)面陣CCD曝光；第四個(gè)鏡頭到達(dá)時(shí)，對(duì)左右2個(gè)面陣CCD曝光。至此，所有13個(gè)面陣CCD的曝光全部完成［3］。

圖2 UCXp的成像過(guò)程

UCXp全色鏡頭獲取的9幅影像數(shù)據(jù)存在不同程度的重疊，經(jīng)過(guò)后期的精確配準(zhǔn)，可以合成為一幅中心投影影像。其詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 UCXp主要技術(shù)參數(shù)

2.3 SWDC

SWDC數(shù)字航空攝影傳感器是由中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研制的，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傳感器系統(tǒng)。

SWDC最終生成的是模擬中心投影的虛擬影像。在虛擬影像生成過(guò)程中首先將單個(gè)傾斜攝影的子影像糾正為等效垂直攝影像片（水平像片），即水平糾正。水平糾正前后的影像如圖3所示，然后利用水平像片重疊部分的同名像點(diǎn)，建立像片間的微小旋轉(zhuǎn)、平移關(guān)系式，用自由網(wǎng)光束平差法精確求解各像片間的相對(duì)位置關(guān)系，最后將各個(gè)水平像片投影到最終的虛擬影像上。

圖3 SWDC的成像過(guò)程

SWDC除具有一般數(shù)字航空攝影傳感器的特性外，最大的特點(diǎn)是鏡頭可更換，35mm、50mm、80mm焦距正好對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)23cm×23cm膠片式航攝儀的88mm、152mm、300mm焦距。SWDC的影像接近方形，視場(chǎng)角大，基高比大，提高了高程測(cè)量精度，能夠滿足大比例尺的常規(guī)航空攝影需要。其詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 SWDC主要技術(shù)參數(shù)

3 DMCⅡ的性能改進(jìn)

2010年，Intergraph公司在INTERGEO年會(huì)上推出了DMCⅡ數(shù)字航空攝影傳感器。這種基于Intergraph Z/I技術(shù)的全新的數(shù)字航空攝影傳感器包括DMCⅡ140，DMCⅡ230和DMCⅡ250三種產(chǎn)品，提供了數(shù)字傳感器從低成本入門到高端的全部類型［5-7］。

與DMC相比，DMCⅡ具有像幅大、像元小、高顏色解析力、輕便以及寬量程數(shù)字移動(dòng)補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，航攝的效率和質(zhì)量得到明顯提高。

3.1 成像方式的改進(jìn)

由于大面陣CCD的制造技術(shù)還不夠成熟，現(xiàn)有的面陣式數(shù)字航空攝影傳感器一般為多鏡頭系統(tǒng)，采用多個(gè)面陣CCD，利用影像拼接鑲嵌技術(shù)獲取大幅面影像數(shù)據(jù)。由于各子影像是由不同的鏡頭及CCD獲取，因而不同的子影像具有不同的投影中心，理論上也具有不同的系統(tǒng)畸變（例如鏡頭徑向/切向畸變），由這些子影像拼合而成的“虛擬”影像是對(duì)中心投影影像的一種近似模擬，因此可能存在較為明顯的系統(tǒng)誤差［4］。如果對(duì)這些系統(tǒng)誤差不做處理，就有可能在區(qū)域網(wǎng)平差過(guò)程中影響待解算的內(nèi)、外方位元素，從而最終在物方空間造成較大的誤差（特別是在高程方向上）。

DMCⅡ是第一臺(tái)進(jìn)入大批量工業(yè)生產(chǎn)并利用單CCD獲取大幅面全色影像的傳感器，每個(gè)顏色通道擁有獨(dú)立的光學(xué)傳感器CCD芯片，在后續(xù)的作業(yè)工序中無(wú)需進(jìn)行系統(tǒng)誤差的解算和消除，可以進(jìn)行更快、更易、更精確的圖像處理。

DMCⅡ的鏡頭由德國(guó)蔡司公司為其定制設(shè)計(jì)，其獨(dú)立的全色（PAN）鏡頭實(shí)現(xiàn)了多年來(lái)膠片相機(jī)在基本光學(xué)設(shè)計(jì)原理上的單鏡頭大范圍地面覆蓋的最大設(shè)計(jì)視角。通過(guò)消除影響幾何精度和輻射量的可能誤差源，這種新途徑形成的影像達(dá)到了所有測(cè)圖和遙感應(yīng)用的需求?；镜脑O(shè)計(jì)特征包括垂直投影（nadir-looking view）和單鏡頭中心投影（single lens projection center）。因而，DMCⅡ影像數(shù)據(jù)的后處理不需要CCD縫合和影像拼接。

DMCⅡ有五個(gè)正攝鏡頭，其中四個(gè)獲取紅、綠、藍(lán)及近紅外的多光譜影像，一個(gè)第五代高分辨率鏡頭獲取全色影像。每個(gè)鏡頭都定制了一個(gè)特別的機(jī)載壓力驅(qū)動(dòng)快門執(zhí)行自動(dòng)自檢校。這也確保了五個(gè)鏡頭在曝光周期里的動(dòng)作達(dá)到最大的同步。

3.2 影像分辨率的改進(jìn)

單面陣CCD傳感器受物理尺寸的限制，使得影像分辨率較小，從而增加了航攝成本和后期處理的工作量。由于受制造工藝和成本方面的限制，現(xiàn)有的大面陣數(shù)字航空攝影傳感器一般是利用多個(gè)小面陣CCD，采取影像拼接鑲嵌的技術(shù)獲取大幅面影像數(shù)據(jù)。DMC的全色影像獲取采用了2×2矩陣排列的4個(gè)面陣CCD，影像分辨率為7680×13824像素。UCXp則采用3×3矩陣排列的9個(gè)面陣CCD來(lái)獲取全色影像，其分辨率為17310×11310像素。

DMCⅡ的CCD由德?tīng)査_公司（DALSA）專門定制，根據(jù)用戶的需求可以選擇不同的分辨率及像元大小。其中DMCⅡ140的像元大小為7.2μm，全色影像的分辨率為12096×11200像素；DMCⅡ230和DMCⅡ250的像元大小都達(dá)到了5.6μm，全色影像的分辨率分別為15104×14400像素和17216×14656像素。 其中DMCⅡ250的影像分辨率已經(jīng)超過(guò)了現(xiàn)有的所有多面陣CCD傳感器，在獲取相同地面分辨率（GSD）影像的條件下，地面覆蓋能力顯著優(yōu)于DMC。在飛行高度為500m時(shí)地面分辨率（GSD）可以達(dá)到2.5cm，能夠在無(wú)需進(jìn)行系統(tǒng)差改正的情況下為測(cè)圖提供高質(zhì)量影像，大大減少了后期處理的工作量。

3.3 其他性能的改進(jìn)

DMCⅡ的影像與DMC相比具有更高的信噪比和輻射分辨率。1∶3.2的高融合比保證了高品質(zhì)的彩色和彩紅外影像，1.7秒超短曝光時(shí)間間隔滿足多基線攝影，甚至是低空和高速情況下的大比例尺攝影測(cè)量要求。采用5cm的地面分辨率、168海里/小時(shí)的飛行速度可獲得80%的航向重疊度。14bit的影像具有出色的輻射分辨率，即使在光照條件不好、存在陰影或曝光過(guò)度的情況下，仍然具有充足的影像信息。這些性能在現(xiàn)有的大面陣航空攝影傳感器中都居于領(lǐng)先地位。

DMCⅡ還能夠兼容現(xiàn)有的所有用于RMK TOP，DMC和RMK D的外圍設(shè)備，包括Z/I Mission planning軟件、Z/I Inflight傳感器管理系統(tǒng)、固態(tài)硬盤存儲(chǔ)器等。另外，DMCⅡ配備了一款新的接裝板，能夠安置更多不同型號(hào)的慣性測(cè)量裝置。此傳感器的兼容性也非常高，可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行升級(jí)，RMK D只需安裝一個(gè)全色CCD模塊及鏡頭就可以升級(jí)為DMCⅡ250。

DMC Ⅱ250的主要性能參數(shù)見(jiàn)表4［7］。

表4 DMCⅡ250主要技術(shù)參數(shù)

4 DMCⅡ在測(cè)繪生產(chǎn)中的應(yīng)用前景

使用多面陣CCD傳感器進(jìn)行攝影時(shí)，由于CCD的尺寸問(wèn)題，其獲取影像的地面覆蓋范圍要小于傳統(tǒng)航攝儀的地面覆蓋，因此會(huì)使像對(duì)數(shù)增加，模型接邊的工作量增加，從而增加內(nèi)業(yè)工作量。DMCⅡ250的大幅面影像在一定程度上解決了這一問(wèn)題。其中DMCⅡ250影像的影像分辨率已超過(guò)目前像幅最大的面陣傳感器UCXp，與ADS40/80相比，能夠有效減少航線數(shù)目約30%，可以充分利用航攝天氣、有效提高航攝效率。傳感器單個(gè)像元的尺寸達(dá)到了5.6μm，飛行高度為500m時(shí)地面分辨率（GSD）僅為2.5cm，且具有像移補(bǔ)償功能（TDI），能夠滿足1∶500比例尺的成圖要求，便于測(cè)繪大比例尺地形圖。

由于不使用拼接影像，因而DMCⅡ獲取的影像不再因?yàn)槌上裣到y(tǒng)的不統(tǒng)一而存在系統(tǒng)誤差，影像的幾何精度得到了明顯提高，其內(nèi)外方位元素的解算精度也隨之提高，地面點(diǎn)的量測(cè)精度也因此得到改善。

DMCⅡ可以獲得高達(dá)80%的影像重疊率，利于進(jìn)行多基線處理的航空數(shù)字影像測(cè)圖，按多目視覺(jué)的理論，利用多重疊影像，增大交會(huì)角，從而提高高程精度，滿足對(duì)地面點(diǎn)精度（尤其是高程精度）的需求。

獲取全色影像的CCD利用14bit的A/D轉(zhuǎn)換器，可以提供0-16383之間的灰度影像。高輻射分辨率使其對(duì)海島礁這一類具有大片水體，景物反差強(qiáng)烈的地區(qū)攝影時(shí)，能夠獲取更豐富的影像信息，同時(shí)也為后續(xù)的影像勻光處理工作提供了便利，有利于生成大范圍色彩均一的正射影像。

攝影測(cè)量中，為了獲取位置姿態(tài)信息，傳感器在攝影時(shí)需搭載高精度的POS設(shè)備。DMCⅡ的硬件設(shè)計(jì)使其能夠安置更多不同型號(hào)的慣性測(cè)量裝置，便于用戶根據(jù)需要進(jìn)行選擇。

另一方面，由于框幅式影像的自身特點(diǎn)，在進(jìn)行航空攝影時(shí)，如果整個(gè)攝區(qū)內(nèi)存在的水域面積過(guò)大，則易出現(xiàn)像主點(diǎn)落水的情況，在內(nèi)業(yè)中需要增加額外的控制點(diǎn)數(shù)量，以提高量測(cè)精度，對(duì)空三加密和測(cè)圖都有不利影響［8］。所以，DMCⅡ在海島礁測(cè)繪中更適用于近海區(qū)域，島嶼密集、連通性較好的情況。

5 小結(jié)

本文對(duì)目前市場(chǎng)上三類主流大面陣航空攝影傳感器的性能和特點(diǎn)進(jìn)行了比較，在此基礎(chǔ)上對(duì)DMCⅡ的性能改進(jìn)進(jìn)行了分析研究。

每種傳感器由于不同的設(shè)計(jì)思想，必然導(dǎo)致產(chǎn)品間存在各種差別，單純從某一方面決定其優(yōu)劣是不可取的。作為傳感器的使用者，應(yīng)該根據(jù)工作目的，權(quán)衡每種產(chǎn)品的利弊，選擇最能滿足工作任務(wù)的儀器。綜合地利用各種產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，才能更好地推動(dòng)航空攝影測(cè)量的發(fā)展［9］。

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

［2］余詠勝，游寧君.數(shù)碼航攝像機(jī)——傳統(tǒng)膠片航攝像機(jī)的替代者［J］.測(cè)繪通報(bào)，2005（3）：6-10.

［3］Schneider M，Gruber M.Radiometric Quality of UltraCam-X Images［C］//ISPRS，2008.Part B1，PP539-544.

［4］AlamúsR，KornusW，Talaya J.DMC Virtual Image Characterization:Experiences at ICC［C］//ISPRS，Beijing，2008.Part B1，PP515-520.

［5］DMC Ⅱ140 Camera System［G/OL］.http://www.Intergraph.com.

［6］DMC Ⅱ230 Camera System［G/OL］.http://www.Intergraph.com.

［7］DMC Ⅱ250 Camera System［G/OL］.http://www.Intergraph.com.

［8］王鑫，申家雙，姜挺.海岸帶、島（礁）數(shù)字航空攝影傳感器性能及選型研究［J］.海洋測(cè)繪，2011，31(1):61-64.

［9］韓磊，蔣旭惠.幾款數(shù)字航攝相機(jī)的應(yīng)用與比較［J］.城市勘測(cè)，2006(5):21-23.