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)Appli cation and Co m parison Am ong SeveralK i n ds ofD i gitalPhotographic Ca m erasH an Lei ,Jiang Xuhui摘　要:本世纪自从ADS40与D M C 、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,LHSyste m (现在的Le ica Geosys -te m )的ADS40和Z /I I m aging 的DMC (Dig italM app i n g Ca m era )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U lt -r aCa m 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,Le ica 和Vexce l 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　ADS40ADS40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L H 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SH 40、控制单元CU40、大容量存储系统MM 40、操作界面O I40、导航界面PI 40、PAV 30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DT M 数据;(6)充分利用聚焦面、I M U 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。

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140～190km /h ,230～260km /h 和400～550km /h 等,总飞行时间达45h 。

表1地点上海浙江河北北京太原飞行高度/m 3000100030005000300050010003000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　D M C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(I nter g r aph )交互计算机图形系统的子公司Z /I I m ag i n g 合作,在2000年成功推出数字航摄相机(D i g it a lM a pping Ca m era ,简称D MC )(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,D MC 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　D M C3.1　系统组成D MC 系统包括下列部件:DMC 相机主体、4个高分辨率7k ×4k 全色镜头、4个多光谱3k ×2k 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4096×7168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(F M C )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 I m ag i n g 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D MC 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D M C 影像生产1∶2000地形图[4],用1∶5000～1∶6000的DMC 影像生产1∶1000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 ltraC a m D2003年5月,U ltra C a 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I P 以及SCU 适配器等组成。

Ultra Ca m 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R GB影像和近红外NI R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 ltra C a m D4.2　U ltra C a 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,U ltr aCa m 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)U ltr aCa m 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U ltra Ca m 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,Le ica和Vexce l分别发表了各自的观点。

Le ica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,V exce l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 M U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。