ADS40推扫式数字航摄原理及应用

【摘C要】ADS40 是当今最先进的摄影测量系统之一，它采用推扫式三线阵获取影像，可以提供多种类型的数字影像数据。由于配备IMU/DGPS系统，在一定的基站范围内可以在无控制或少量控制点的情况下进行空三平差，极大地减轻了摄影测量外业控制工作量，缩短了生产周期，提高了作业效率。本文就ADS40的原理、数据处理流程，以及ADS40和常规摄影测量的区别，在精度等方面作了阐述和分析，并就其在我国摄影测量领域内的应用进行了展望。

【关键词】ADS40机载数字航摄仪；推扫式；IMU/DGPS；空三平差

1 引言

ADS40是徕卡公司2007 年7月推出的新产品，被欧美等西方发达国家广泛采用，截至现在已经在全球范围内销售了30万多套,能同时提供黑白波段（PANB14A、PANF28、GRNN00A）、彩色波段（REDN00A、GRNN00A、BLUEN00A）以及彩红外波段影像（REDF14A、GRNF16A、NIRF18A）。其全新的成像机理及较高的自动化数据获取处理方式为摄影测量开辟了崭新的途径，并对传统的摄影测量作业方式构成了挑战。

2ADS40推扫式数字航摄仪构成、性能及其成像原理

2.1 ADS40推扫式数字航摄仪

ADS40推扫式数字航摄仪由传感器头SH40（镜头和IMU/DGPS）、控制单元CU40、大容量存储系统MM40、操作界面OI40、导航界面PI40、PAV30 陀螺稳定平台等部件组成。

SH40中集成有高性能镜头系统和惯性测量装置IMU，镜头焦平面上安置8条波段CCD 阵列探测器，可以生成黑白、彩色及彩红外影像。CCD像元大小为6.5um，每个

CCD阵列探测器有12000个像元。

ADS40相机采用单个镜头成像，相比DMC和UItraCamD 数字航摄仪采用的多镜头光拼合成像方式：ADS40的镜头口径更大。单镜头成像比多镜头成像在原理上更为简单，更宜于实现，故障率更低，检校也更加方便。

数据后处理设备即徕卡数字摄影测量工作站，该工作站数据处理部分包括：POS数据处理软件POSPAG，数据下载、1级和2级影像纠正、影像匹配软件Gpro，空三平差、

DOM 提取和编辑、立体量测软件LPS，立体测图软件Mi-crostation航摄仪主要性能如下表所示：

表1 ADS40数字航摄仪主要性能参数

数据采集性能

CCD动态范围 12bit

A/D转换器采样率 14bit

数据带宽 16bit

数据格式 压缩ram文件

压缩数据辐射分辨率 8bit，适应信号水平

相机参数

焦距 62.77mm

CCD像素大小 6.5um

全色波段线阵 2*12000像素(交叉)

RGB和NIR波段线阵 12000像素

FOV视场角 46度

前视方向与底点夹角 28度

底点与后视方向夹角 14度

前视方向与后视方夹角 42度

地面分辨率GSD 15cm，370 km，280 m航高

以前视、下视、后视三个CCD线阵为例，在摄影中，同一地区有八个图像，因而一个地面点均有前视、下视、后视三组光线交会。CCD图像在飞行方向的坐标用t表示，实际上是取样周期数，每一个周期均有其独立的6个外方位元素，实地飞行距离等于一个像元的地面距离，而y方向则属于中心投影坐标，与框幅相片y坐标相似。

2.2 ADS40的成像原理

推扫式三线阵CCD相机数字影像的坐标为常量，

对于

前视相机：X1=ftgα(1)

下视相机：Xy=0(2)

后视相机：Xr=－ftgα(3)

式中，f为正视相机焦距，! 为前、后视相机与正视相机的夹角。

线阵列推扫传感器的瞬时外方位元素对每一扫描行影像均有不同的数值，是时间的函数。但是由于ADS40采用了先进的POS系统以及FGMS软件来控制、校正飞机的航线，可以认为其外方位元素的变化是平稳的，可表示为时间的线性函数，即可用下述数学模型描述：

Fi=FO+Fy (4)

式中，Fi表示某一个外方位元素，FO为其在图像中央扫描行的数值，Fy为其对时间的变率。

（4）式中含有12个未知参数，通过对POS(IMU/GPS)数据处理，就可以得到航摄时每个扫描行的外方位元素初始值，利用1级影像进行影像匹配、加入控制点进行光束法平差后，可以得到每条扫描行精确的外方位元素。

由于ADS40数字航摄仪的8个波段所对应的各个线阵都位于焦平面上，在进行航空摄影时，便可得到以一条航线为单位的各波段连续数字影像。3个全色波段REDF14A、PANF28A、GRNNOOA的1级影像用于影像匹配DEM提取编辑和立体测图。

3 ADS40与常规摄影测量的比较

ADS40摄影测量系统与常规摄影测量技术相比，在下列好几个方面具有明显的优势：

3.1外业控制及航空摄影方面

1）ADS40航摄相机配备有IMU/DGPS系统，在一定的基站范围内，可以在无控制或少量控制点的情况下完成对地面目标的3维定位。有控制情况下只需在摄区四角和中心布设5个控制点即可，无需内业空三选点加密，相比常规摄影测量空三加密，ADS40可减少80%－90% 以上或更多的外业控制点，大大减轻了生产单位的外业工作量。

2）ADS40相机配备有先进的导航管理系统（FGMS）和交互式图形操作界面OI40，可以在飞机起飞之前输入有关技术参数，航摄时可以对飞行情况进行实时监控，协调。从而提高了航摄质量与效率，大大减轻了摄影员的操作压力。

3）ADS40可航摄的天气大大高于常规光学相机，甚至可以在水平能见度小于DHI 的云下进行大比例尺摄影。这对于在我国南方地区进行航空摄影而言，无疑具有极为重

要的现实意义。

4）由于ADS40相机获取的是数字影像，当天摄影完毕，影像可以立即下载，供下工序使用。而常规航空摄影后处理所经历的周期太长，胶片的储藏#洗印均需要专门的设备，配套设备价格昂贵，并且需要配备专业处理胶片人员。相片洗印#扫描等中间环节难免会影响影像质量。

5）ADS40数字航摄相机由于是三线阵推扫式的，所获取的影像是以航线为单元的条带影像，常规框幅式相机，例如RG30，需要考虑航向重叠度，重叠度的增加必然会耗费大量的胶片，增加经济成本。

6）ADS40相机可以同时获取黑白、彩色和彩红外3种形式的数字影像。

7）ADS40的IMU内置于相机内，每次航摄时不需要布设检校场。常规航空摄影即使配备了IMU惯性测量单元，但由于IMU不是内置的，每次航摄时都要进行人工安装，

因此都要布设检校场。

8）ADS40数字航摄仪配备有POS系统，可以在有大面积水库、湖泊、沿海滩涂及沿江地区进行航空摄影，但是传统框幅式光学航空摄影获取的影像在数据后处理过程中

涉及相主点落水，在这些地区进行摄影测量将面临不少困难。

3.2 数据处理方面

1）在ADS40摄影测量工作站进行数据后处理时，无内定向过程。常规框幅式影像需要进行人工内定向，特别是正负航线时要建立两个相机文件，相机的框标坐标和检

定主点坐标（PPA）需要变号，较为复杂。

2）ADS40相机影像是以每条航线为单位，一条航线一幅影像，传统框幅式相机影像是以单张相片为单位。ADS40影像在一条航线范围内，航向不需要接边，提高了工作效率。

3）ADS40空三在大面积测区平差时效率较高，人工干预较少，只需观测有限几个控制点，其他均由影像匹配自动完成。

但是，ADS40成像机理的复杂性决定了数据后处理过程也较常规摄影测量复杂，由于每条扫描行对应一组外方位元素，一条航线有几万甚至十几万组外方位元素。因此选择高精度的IMU/DGPS和空三平差模型对于ADS40而言是十分重要的。

4 结束语

1）ADS40应用于西部测图：由于我国幅员辽阔，在西部无人区，由于人员难以涉足，传统航空摄影需要大量像控测量以至于无法进行，目前尚有约200万km21:5000地形图空白区。采用ADS40数字摄影测量技术将会在西部无人区测图中发挥巨大的作用。

2）ADS40应用于数字城市：目前我国各城市在发展、建设和管理中普遍存在的问题是城市空间信息陈旧或严重不足，由于ADS40一次同步获取多波段影像，可以一次性获取前视、下视和后视影像，为数字城市提供了充分的数据源。

3）通过大量实践结果证实：ADS40数字航摄仪在50km基站，5个控制点条件下，平面和高程精度均能达到1:50000和1:10000国家规范关于丘陵地测图的精度要求。可以采用增加地面控制点、架设多基站、布设垂直构架航线的办法来提高空三平差的精度。

参考文献

［1］刘军，张永生，范永弘ADS40机载数字传感器的摄影测量处理与应用［J］.测绘学院学报，2002,(9)

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［4］刘凤德，邱懿，刘先林.航摄机检定主点坐标的使用问题［J］. 遥感信息，2005,(1)

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。