陳 潔， 高子弘， 杜 磊， 李 京

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101)

0 引言

我國擁有18 000余km的陸地海岸線、6 500多個島嶼和約300萬km2的管轄海域。然而，目前尚未實現(xiàn)全海域以及全海陸交互帶的地質(zhì)調(diào)查，尤其是海岸帶和島礁等的綜合地質(zhì)調(diào)查工作還未開展，迫切需要高新遙感技術(shù)的支撐，完成海岸帶的動態(tài)監(jiān)測與評估，為海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查提供詳實的空間信息和可靠的地理底圖，推進(jìn)海洋資源、能源與環(huán)境調(diào)查的發(fā)展。

POS輔助數(shù)字航空攝影技術(shù)，可在實施大面積測量的同時完成海岸線提取和淺海地形構(gòu)建，具有機動靈活、受客觀因素影響小、覆蓋面廣的優(yōu)點，能快速獲取大范圍不同尺度的時空信息，反映海岸線的動態(tài)變化[1]。目前，航空攝影地形測量工作都遵從統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)程和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不能有效滿足海岸帶特殊地理環(huán)境的要求，制約了該技術(shù)的優(yōu)勢發(fā)揮和推廣應(yīng)用[2]。不同于陸地地形，海岸帶調(diào)查具有水線曲折、水域面積廣闊、灘涂陡緩不一、具有潮汐且各地差異較大等作業(yè)特點。這些因素給海岸帶航空攝影的質(zhì)量控制帶來了新的問題，因此，為了得到優(yōu)質(zhì)的底圖資料，對航空攝影的過程進(jìn)行質(zhì)量控制并對獲取的遙感資料進(jìn)行質(zhì)量評價是十分必要的。

數(shù)字航空攝影是由影像采集、數(shù)據(jù)處理、空三測量和成圖制作等一系列作業(yè)步驟組成的復(fù)雜工作流程，每個環(huán)節(jié)的實施效果都會影響到最終的成果質(zhì)量。所以，要對海岸帶地質(zhì)調(diào)查應(yīng)用需求展開針對性研究，選取能夠全面表達(dá)航空攝影質(zhì)量的指標(biāo)，作為質(zhì)量控制對象加以控制，從數(shù)據(jù)獲取源頭消減誤差； 根據(jù)不同作業(yè)步驟對最終成果的影響程度，確定各自的權(quán)重； 采用加權(quán)平均法的思路對成果進(jìn)行初步的質(zhì)量評價，將得到的結(jié)果與實際成圖的效果進(jìn)行對比，驗證評價方法的可行性。本文詳細(xì)闡述了航空攝影質(zhì)量控制的內(nèi)容和技術(shù)方法，為海洋測繪中的航空攝影成果質(zhì)量提供評價依據(jù)，以推動數(shù)字影像產(chǎn)品內(nèi)容及形式的標(biāo)準(zhǔn)化，利于作業(yè)單位間影像產(chǎn)品的交流。

1 質(zhì)量元素與控制方法

數(shù)字航空攝影除了要考慮飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量等常規(guī)質(zhì)量因子外，還應(yīng)顧及自身技術(shù)的特點及與海岸帶地貌特征相關(guān)的質(zhì)量元素。由于數(shù)字航空攝影存在機載數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程，因此其質(zhì)量因子需包括數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查； 由于海岸帶地物相對單一且目視特征不明顯，給后續(xù)的區(qū)域網(wǎng)匹配和平差造成困難，影響區(qū)域網(wǎng)空三加密精度，為此空三作業(yè)效果也應(yīng)作為海岸帶航空攝影質(zhì)量的評價因子。在進(jìn)行海岸帶數(shù)字航空攝影時，需考慮的質(zhì)量元素包括飛行質(zhì)量、影像質(zhì)量、機載及地面觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和空三精度。上述4項質(zhì)量因子在評價時可以進(jìn)行單獨檢測與表達(dá)，但在對其進(jìn)行約束和控制時，又相互影響。

1.1 飛行質(zhì)量

根據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》標(biāo)準(zhǔn)中表23、表24規(guī)定[3]，常規(guī)的航空攝影成果飛行質(zhì)量權(quán)重為0.3，包含航空攝影設(shè)計、重疊度和旋偏角等9個子元素。隨著航空攝影硬件技術(shù)的提升，GPS的普及和定點曝光技術(shù)的應(yīng)用使得質(zhì)量控制較好； 自動穩(wěn)定平臺的應(yīng)用使控制自動化； 曝光延時積分技術(shù)(time delay integral， TDI)的應(yīng)用基本消除了對飛行質(zhì)量的影響。本文將測區(qū)覆蓋完整性、航線彎曲度、航跡保持、航高保持、像片傾斜角和影像位移6個子元素稱為“硬件控制子元素”，即當(dāng)航空攝影儀的硬件無故障時，其質(zhì)量能保持在較好的等級范圍內(nèi)，對整個飛行質(zhì)量基本不造成扣分項。其中，航空攝影設(shè)計、重疊度和旋偏角受人為及客觀因素影響較大，是飛行質(zhì)量的關(guān)鍵評價要素。

1.1.1 航空攝影設(shè)計

航空攝影設(shè)計是根據(jù)任務(wù)目標(biāo)和需要解決的生產(chǎn)科研目標(biāo)而制定的飛行計劃。在進(jìn)行設(shè)計時，除了要遵循常規(guī)的規(guī)范外，還要考慮海岸帶的特殊地理地貌及氣象特征。

航空攝影的成圖精度是技術(shù)設(shè)計的根本依據(jù)。海岸帶測量中，高程精度是關(guān)注的重點。根據(jù)立體像對空間前方交會幾何關(guān)系(圖1)，空間點平面和高程坐標(biāo)精度估算公式為

Mxy=kPGSD，

(1)

Mz=Mxy/tanθ=kPGSD/tanθ，

(2)

圖1 立體像對空間前方交會幾何關(guān)系

式中：Mxy為平面精度；Mz為高程精度；PGSD為地面空間分辨率(ground sampling distance,GSD)；k為能夠分辨影像細(xì)節(jié)的最小像素值； tanθ為基高比。PGSD和k越小、tanθ越大，則測圖的平面和高程精度越好。通常情況下，當(dāng)tanθ<1，則Mz>Mxy，說明成圖的高程精度始終要低于平面精度，當(dāng)精度滿足高程標(biāo)準(zhǔn)時，必定滿足平面標(biāo)準(zhǔn)。

綜上，在進(jìn)行海岸帶航空攝影計劃時，PGSD的選取主要依據(jù)是否能滿足成圖高程測量精度，當(dāng)PGSD確定后，航空攝影設(shè)計的其他參數(shù)可依據(jù)相關(guān)規(guī)范和公式計算得出； 海岸帶地勢平坦，一般不作分區(qū)處理； 在航線布設(shè)時，可采用折線擬合海岸線走向的方法，需要特別注意的是，折線布設(shè)航線的拐點處要有100%的完全重疊，以滿足航帶及航帶間的模型連接要求。在攝影季節(jié)和時間的選擇方面，季節(jié)上要避開雨季和臺風(fēng)活動頻繁時期，時間上除了要考慮光照條件外，還需避免海面對日光的強烈反射造成的鏡面反射效應(yīng)。另外，由于海岸帶特殊性，要根據(jù)潮汐時間安排飛行，盡量在低潮期獲取潮間帶遙感影像資料。

1.1.2 重疊度

影像重疊度是飛行質(zhì)量的直接反映。對于面陣傳感器獲取的影像，其航向和旁向重疊度是否合格是飛行質(zhì)量檢查應(yīng)重點關(guān)注的要素。數(shù)字航空攝影航向重疊可按最小曝光間隔進(jìn)行設(shè)置，利于影像匹配與測圖，同時也解決了由于海上作業(yè)飛行氣流復(fù)雜和飛機姿態(tài)難以保持造成的航向漏洞問題。但航向的高度重疊使基高比變小，高程測量精度降低，這一問題需在空三作業(yè)前進(jìn)行抽片處理予以解決。旁向重疊無特殊要求，按常規(guī)方案設(shè)置即可。

1.1.3 旋偏角

相鄰2張像片的像主點連線與像幅沿航帶飛行方向的2個框標(biāo)連線之間的夾角稱為像片的旋偏角[4]。旋偏角過大會造成空三加密、相對定向和絕對定向等立體測圖困難，成圖精度下降，是飛行質(zhì)量的重要子元素。根據(jù)飛機的真航向和GPS導(dǎo)航儀指示的飛機軌跡角度，同時要考慮攝區(qū)的磁偏角，計算出飛機的旋偏角，在整個飛行過程中，需要實時地監(jiān)視檢影器，及時根據(jù)飛機受氣流影響變化狀況，通過航空攝影儀座架進(jìn)行跟蹤調(diào)整消除。

1.2 影像質(zhì)量

影像質(zhì)量是指影像向人或設(shè)備提供信息的能力。在對數(shù)字航空攝影影像質(zhì)量進(jìn)行評價時，關(guān)注的主要因子為影像拼接質(zhì)量和表觀質(zhì)量。受傳感器硬件限制，最終成果影像圖一般由多幅小影像拼接形成，受觀測角度不同和照度不均影響，在拼接部分會出現(xiàn)錯位和模糊重影等現(xiàn)象，特別是在紋理較少的區(qū)域(如水域)更為突出。為了避免這種情況的發(fā)生，在航空攝影設(shè)計時要盡量減少像主點落水概率，增大重疊度。表觀質(zhì)量主要考慮影像上的云、云影和霧霾的情況，對于常規(guī)的積雪、煙和陰影，在海岸帶航空攝影時出現(xiàn)概率較少，另外需要注意的是大面積水域的鏡面反射效應(yīng)。選擇光照條件好、能見度高的天氣進(jìn)行飛行作業(yè)，對于個別的云及云影，可利用高重疊的影像采取疊加鑲嵌的方式進(jìn)行消除； 對于反光問題，則可綜合考慮飛行時間、太陽方位和航線布設(shè)方向； 對于云、云影和反光處全為水域的情況，可不做質(zhì)量要求。

1.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量

數(shù)字航空攝影獲取的數(shù)據(jù)涵蓋了機載GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system,INS)和地面基站，獲得的影像也以數(shù)字形式進(jìn)行表達(dá)，因此相比于傳統(tǒng)的航空攝影數(shù)據(jù)，需要檢查和評價的質(zhì)量元素較多，且變化復(fù)雜。

1.3.1 影像數(shù)據(jù)完整性

影像數(shù)據(jù)的完整性是指在航空攝影過程中，相機是否按照原先計劃好的方案進(jìn)行曝光，有無發(fā)生漏拍、少拍的情況。若不完整，應(yīng)及時查看獲取的影像數(shù)據(jù)是否滿足最小重疊度要求，若不滿足，則要補拍。補拍時需至少前后延長2～3條基線以滿足制圖接邊需求，且補拍時間盡量與原時間相近，減少地物變化產(chǎn)生的誤差影響。

1.3.2 機載和地面數(shù)據(jù)的連續(xù)性

在數(shù)據(jù)獲取期間，機載POS和地面基站設(shè)備應(yīng)確定是否發(fā)生衛(wèi)星失鎖和數(shù)據(jù)缺失的情況，且地面基站的觀測時間早于機載設(shè)備開機時間、晚于機載設(shè)備的關(guān)機時間，確保差分解算的穩(wěn)定性。

1.3.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度

數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度是指機載GPS、INS和地面基站設(shè)備是否工作正常、記錄的數(shù)據(jù)是否符合其硬件指標(biāo)的要求，以及差分預(yù)處理的結(jié)果質(zhì)量是否滿足對應(yīng)比例尺的規(guī)范精度要求。

1.3.4 附件質(zhì)量

除獲取的影像與POS數(shù)據(jù)外，航空攝影期間的飛行記錄表、地面基站觀測表和偏心分量量測表等也是后續(xù)數(shù)據(jù)處理和影像制作等工序的重要依據(jù)。

1.4 空三精度

海岸帶航空攝影的特殊性在于水域面積大、水陸交匯處明顯地物點少，對空三效果造成了直接影響。因此，在考慮飛行和影像質(zhì)量的同時，還要顧及區(qū)域網(wǎng)平差時模型連接點、控制點和檢查點的平面與高程精度。把空三精度作為質(zhì)量評價元素是海岸帶數(shù)字航空攝影有別于傳統(tǒng)航空攝影質(zhì)量評價的主要標(biāo)志[5]。

2 質(zhì)量評價模型

2.1 評價模型建立

通過航空攝影質(zhì)量因子分析，根據(jù)海岸帶數(shù)字航空攝影作業(yè)流程將其質(zhì)量控制與評價分為飛行、影像、數(shù)據(jù)和空三4部分，再考慮到海岸帶的地域特征，細(xì)化出各質(zhì)量控制子元素。具體的質(zhì)量元素類目與評價指標(biāo)如表1所示。

通過對表1中質(zhì)量元素的評價，建立加權(quán)評價模型，即針對每一個質(zhì)量子元素，設(shè)定不同的等級評價標(biāo)準(zhǔn)[6]，再根據(jù)不同元素對最終成果的影響程度賦予相應(yīng)的權(quán)重，最終的質(zhì)量優(yōu)劣由各子元素的等級及其權(quán)重的加權(quán)值表示。

表1 航空攝影質(zhì)量控制元素與評價指標(biāo)

為了直觀地衡量成果質(zhì)量，在進(jìn)行質(zhì)量評價時，采用百分制得分法。首先將質(zhì)量子元素得分預(yù)置為100分，根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)對相應(yīng)質(zhì)量子元素中出現(xiàn)的缺陷逐個扣分，計算公式為

Si=100-[a1(12/t)+a2(4/t)+a3(1/t)] ，

(3)

式中：a1，a2和a3分別指質(zhì)量子元素對應(yīng)的缺陷等級數(shù)目；t為扣分調(diào)整系數(shù)。按照航空困難類區(qū)的劃分規(guī)則[4]，海岸帶地區(qū)參照III類地區(qū)執(zhí)行，t取值為2。通過計算，將質(zhì)量子元素的缺陷等級劃分為4等，扣分標(biāo)準(zhǔn)為： A類扣42/t分，B類扣12/t分，C類扣4/t分，D類扣1/t分[3]。當(dāng)發(fā)生A類缺陷時，必定會進(jìn)行重飛或者補拍，所以可將公式(3)簡化為

Si= 100-(6a1+2a2+1/2a3)。

(4)

整體質(zhì)量評分的加權(quán)評價模型計算公式為

(5)

式中：S為整體成果的質(zhì)量得分；Si為某個質(zhì)量元素的等級得分；Sij為質(zhì)量子元素得分；pij為其對應(yīng)的權(quán)重，所有權(quán)重相加之和等于1。本文提出的質(zhì)量加權(quán)評價模型并未采用常規(guī)的多層次加權(quán)質(zhì)量評價方式，即根據(jù)不同的缺陷類型及成果質(zhì)量特性賦予質(zhì)量元素及子元素不同的權(quán)值，而是直接賦予子元素權(quán)重，使其直接參與最終成果評價計算。因為數(shù)字航空攝影每個作業(yè)環(huán)節(jié)既是單獨的個體，同時具有很強的相關(guān)性，傳統(tǒng)的質(zhì)量評價往往在某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)不合格情況時，就需要返工，否定了后續(xù)環(huán)節(jié)的可操作性和可彌補性。

加權(quán)評價模型中，子元素權(quán)重的確定不僅反映了航空攝影流程中各因素對最終質(zhì)量的影響力，還直接決定了評價結(jié)果的客觀性和正確性，主要分為專家經(jīng)驗法與數(shù)學(xué)統(tǒng)計法2大類。綜合考慮海岸帶航空攝影的特殊性，結(jié)合前人的研究成果和相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[3,5]，基于專家經(jīng)驗法和統(tǒng)計法，得出本文評價模型中各質(zhì)量子元素的權(quán)重值，其分布如表2所示。

表2 質(zhì)量元素權(quán)重分布

通過公式(5)的計算，可將質(zhì)量劃分為4個等級：S≥90，優(yōu)秀； 75≤S<90，良好； 60≤S<75，合格；S<60，不合格。

2.2 子元素評價方法

需要評價的質(zhì)量元素中，數(shù)據(jù)質(zhì)量和空三精度可由其硬件廠商或通用的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理后，對照相應(yīng)比例尺的國家和行業(yè)規(guī)范進(jìn)行直接評價。飛行質(zhì)量評價仍然以人工質(zhì)檢為主。通過對以往研究成果[7-9]的分析，歸納出一套基于質(zhì)量檢查軟件和POS數(shù)據(jù)的全數(shù)字化飛行質(zhì)量檢查流程，完成了對飛行各質(zhì)量子元素的全數(shù)字化質(zhì)量評價，擺脫了傳統(tǒng)評價方式效率低、對作業(yè)人員要求高、判別標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的缺點。影像質(zhì)量則采用王鴻南等[10]和余長慧等[11]提出的全局點銳度算法與自適應(yīng)擬合模版，輔以人機交互作業(yè)，能準(zhǔn)確、快速地反映數(shù)字圖像的清晰度和亮度等質(zhì)量。評價流程如圖2所示。

圖2 質(zhì)量子元素評價方法與流程

3 評價結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)源

選擇天津濱海新區(qū)至河北曹妃甸的渤海海岸帶真彩色數(shù)字航空攝影數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。共有18條航線，1 607張像片，地面空間分辨率為0.35 m，采用DMC框幅式數(shù)字航空攝影設(shè)備，集成AEROcontrol IID型慣性測量單元，地面基站使用Trimble R5全球定位儀。航空攝影時間分別為2016年8月29日13:35—17：29和10月5日11：00—16：20，光照條件好，太陽高度角處于要求范圍內(nèi)。根據(jù)渤海灣潮汐變化統(tǒng)計，8月29日13：32有一次高潮位，10月5日14：08有一次低潮位，潮汐的持續(xù)時間為1 h左右。

3.2 結(jié)果與分析

按照提出的全要素直接參與的加權(quán)法質(zhì)量評價模型，對航空攝影各個環(huán)節(jié)所包含的子元素進(jìn)行質(zhì)量檢查、打分和統(tǒng)計，具體結(jié)果如表3所示。

表3 全要素直接參與的加權(quán)法評價結(jié)果

從表3中統(tǒng)計和各子元素得分可以看出：

(1)飛行質(zhì)量中，整個航空攝影過程基本按照計劃實施，但攝影時間受空域協(xié)調(diào)影響難以顧及潮汐時間，因此航空攝影計劃扣分較多； 航向重疊按80%進(jìn)行設(shè)計，基線長度短且曝光間隔小，飛行時海面氣流復(fù)雜多變，穩(wěn)定座架震動劇烈，造成旋偏角偏大，得分僅為合格。

(2)影像質(zhì)量中，受益于合理的航線布設(shè)，絕大多數(shù)像片的像主點均未落入水中，影像拼合效果好； 海岸帶地區(qū)濕氣較大，飛行季節(jié)又處于夏季，影像效果受水汽干擾明顯； 另外，存在云干擾數(shù)據(jù)，降低了表觀質(zhì)量。

(3)數(shù)據(jù)質(zhì)量中，出現(xiàn)了1次地面基站斷電情況，但該架次采用精密單點定位方式，得到了滿足要求的解算結(jié)果； 利用后處理軟件的相關(guān)功能，可彌補圖表缺失和降低系統(tǒng)誤差。

(4)空三精度中，平面精度明顯優(yōu)于高程精度。值得注意的是，在不使用地面控制點而直接采用機載POS直接地理定位結(jié)果時，平面精度仍可滿足1∶50 000比例尺正射影像圖制作要求[12]。這在絕對定位精度要求不高、工期緊張、工作區(qū)難以進(jìn)入時，可采用該手段直接成圖作業(yè)。

按照公式(5)計算得到最終成果的質(zhì)量得分為91.37分，屬于優(yōu)秀級別。該評價方法克服了傳統(tǒng)評價方式以某一作業(yè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量高低決定整體成果質(zhì)量的缺陷，更加注重各質(zhì)量子元素之間的相關(guān)性，特別是互補性。本次實驗數(shù)據(jù)的旋偏角、影像表觀質(zhì)量和數(shù)據(jù)附件記錄表等均得分較低，但通過其他子元素的有效補充提高了質(zhì)量等級。這在傳統(tǒng)的評價方式中是沒有考慮到的，同時為質(zhì)量控制打開了思路，對某一作業(yè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制可以不僅僅停留在其所包含的子元素范圍內(nèi)，與其相關(guān)的子元素的質(zhì)量控制往往也能達(dá)到類似的效果。

為了驗證評價結(jié)果，利用獲取的航空遙感數(shù)據(jù)，在無地面控制點的情況下選取2幅1∶50 000比例尺標(biāo)準(zhǔn)分幅進(jìn)行數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)與數(shù)字正射影像圖(digital orthophoto map,DOM)成圖，對其中布設(shè)的24個精度檢查點與立體模型下測量的坐標(biāo)進(jìn)行對比，得到平面和高程中誤差分別為±2.28 m和±2.89 m?？梢詽M足1∶5 000比例尺DOM平面精度要求[12]和1∶50 000比例尺DEM高程精度指標(biāo)[13]。實驗區(qū)DOM和DEM成果分別如圖3所示，實際作業(yè)得到的影像圖成果質(zhì)量優(yōu)良，與本文的評價結(jié)果吻合。

(a) DOM成果 (b) DEM成果

圖3天津北疆發(fā)電廠二期DOM和DEM成果

Fig.3DOMandDEMresultsofBeijiangpowerplantinTianjin

4 結(jié)論

(1)本文提出的全要素直接參與的質(zhì)量加權(quán)評價模型，利用航空攝影環(huán)節(jié)中的質(zhì)量子元素直接參與評價，有效克服了傳統(tǒng)方法對某一技術(shù)環(huán)節(jié)過于敏感導(dǎo)致評價結(jié)果偏低的問題，充分發(fā)揮了子元素相互之間具有彌補關(guān)系的特性，評價過程對航空攝影質(zhì)量的分析更有針對性，利用各環(huán)節(jié)的質(zhì)量細(xì)節(jié)信息進(jìn)行綜合運算，評價過程更為精細(xì)，結(jié)果更加可靠。

(2)基于海岸帶航空攝影的特性，分析了影響成果質(zhì)量的作業(yè)技術(shù)環(huán)節(jié)和質(zhì)量元素，各元素間除了相干性，還具有互補性，這為質(zhì)量控制提供了理論支撐，在某一質(zhì)量子元素難以進(jìn)行人工干預(yù)時，可選擇對其相關(guān)的子元素加以控制，從而得到滿意的成果質(zhì)量等級。但是，對子元素之間的相干性研究僅停留在定性分析，其定量化關(guān)系還需進(jìn)一步研究。

(3)綜合考慮航空攝影飛行作業(yè)平臺的巡航速度、潮汐時間與持續(xù)時間，以此為依據(jù)進(jìn)行航空攝影設(shè)計，確保在典型潮汐時間段內(nèi)，完成海岸帶范圍的全覆蓋觀測，這樣得到的數(shù)據(jù)可直接用于海岸線提取等調(diào)查分析。若不能在典型潮汐時間內(nèi)完成全覆蓋，則可考慮海岸線的具體觀測時間，結(jié)合潮汐時間和海陸基準(zhǔn)面轉(zhuǎn)換等，采用內(nèi)插擬合方式獲取任意時刻的潮位。同時也可以考慮利用更為高效的無人機遙感技術(shù)在潮間帶最低潮時進(jìn)行海岸帶數(shù)據(jù)采集，進(jìn)一步豐富地質(zhì)調(diào)查成果。

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