论文专区┃海岸带及岛礁数字航空摄影传感器性能及选型研究
【编者按：本文研究了当前国际上3 种主流数字航空摄影传感器ADS40/80、DMC及UCXp，并分析三者的成像原理及关键技术，从多个方面进行评估和比较。针对海岸带及岛礁航空摄影的需求，对传感器的选型进行了研究，为获取满足海洋测绘指标要求的航空摄影数据源提供支持。文章发表在《海洋测绘》2011年第1期上，针对海岸带及海岛礁的不同特点，对航空摄影传感器的选型进行比较分析，分析比对资料详实，结论明确，现编发供朋友们认真阅读分享。王鑫，女，1974年出生，河北定州人，副教授，博士，主要从事遥感影像获取及处理研究。】
文/王鑫 申家双 姜挺
一、引言
随着数字传感器技术的快速发展，航空摄影正在由传统的胶片摄影向数字摄影转化。与使用航摄胶片的传统航空摄影相比，新型的数字航空摄影传感器是多光谱、全色数字摄影系统和POS系统的集成，可以同时获取地面的全色和多光谱影像。
美国国家大地测量局(NGS)制定的2008～2018年十年规划中重要任务之一就是实施海洋与海岸带综合测图计划(IOCM)，完成摄影装备由胶片式相机向数字传感器的转化。可以预见，在不久的将来数字航空摄影传感器将逐步取代传统航摄仪，成为航空摄影装备的主流。如何选择更适合海岸带、岛礁航空摄影特点的数字传感器，已经成为目前亟需解决的问题。
二、常用数字航空摄影传感器成像特点分析
目前，航空摄影测量中所采用的数字航空摄影传感器有多种，代表性的有Leica公司的ADS40/80、Z/I Imaging公司的DMC、Vexcel公司的UCXp、以及四维公司的SWDC等。按照成像方式的不同可分为两类：一类以面阵CCD作为成像器件，如DMC、UCXp、SWDC等均为多面阵传感器；另一类传感器以线阵CCD作为成像器件，如ADS40/80等。单面阵CCD传感器的成像方式与传统的框幅式胶片相机成像方式相似，属于中心投影成像；多面阵CCD传感器为多个小面阵合成成像，最终影像是由几幅影像拼接而成；线阵CCD传感器采用推扫方式成像，扫描行方向为行中心投影，一幅影像是由多条不同时刻内获得的影像行构成，成像方式与传统的中心投影方式有较大的差别。
⒈ ADS40/80数字航空摄影传感器
ADS40/80数字航空摄影传感器采用高分辨率线阵列CCD元件为探测器件，镜头采用中心垂直投影设计，焦平面的3个全色波段阵列构成了对地面的前视、下视和后视成像格局，所有目标在3个全色扫描条带分别记录，能直接生成3对立体像对。航空摄影时，传感器采用推扫式成像原理，所有通道同时对地面连续采样，同时获取目标的多波段影像。
⒉ DMC数字航空摄影传感器
DMC数字航空摄影传感器的镜头部分由4个全色镜头和4个多光谱镜头组成。4个全色镜头的主光轴均与传感器中心轴线方向有一定的夹角，每个镜头对应的承影面是一个面阵CCD，大小为4096像素×7168像素。全色波段镜头获取的4个子影像间存在一定程度的重叠，通过附带软件在像方拼接，生成模拟中心投影的虚拟影像。多光谱镜头在全色波段镜头四周环绕排列，其主光轴与中心轴线平行。
⒊ UCXp数字航空摄影传感器
UCXp的共有13个面阵CC 构成，其大小均为5770像素×3770像素。镜头部分由三排共8 个光学镜头组成，同时生成PAN、RGB和NIR影像。4个全色波段镜头的排列方向与飞行方向一致，当第1个镜头到达指定曝光地点时，对中心的面阵CCD曝光；随着飞机的前进，第2个镜头到达相同位置时，对四角的4个面阵CCD以及R、B波段镜头对应的2个面阵CCD曝光；第3个镜头到达时，对上下2个面阵CCD以及G波段和NIR波段镜头对应的CCD曝光，第4个镜头到达时对左右2个面阵CCD曝光。至此，对所有13个面阵CCD的曝光全部完成。构成全色影像的9个CCD数据中存在着不同程度的重叠，经过后期的精确配准，可以生成一个完整的中心投影影像。
三、数字航空摄影传感器的关键技术
⒈ 12bit的辐射特性和高信噪比
与传统8bit影像相比，数字航空摄影传感器的最大优势在于采用了高辐射分辨率。色彩深度越大，所对应的灰度级就越丰富，颜色间的过渡就越平滑。12bit的辐射分辨率和高信噪比特性增强了传感器的敏感度，可以充分表现由于云层覆盖、地物反射、阴影等特殊条件引起的明亮变化或阴影处的地物细节。数字航空摄影传感器的这种特性能够提高飞行效率，改善影像解译效果，提高影像匹配的精度。
⒉ 影像位移控制技术
进行航空摄影时，由于飞机的高速运动，会使影像上的地物构像沿航线方向产生移动，形成影像位移，见图1。
图中的aaˊ即为a 点的影像位移值δ。
δ=W·t·f/HA
式中，W为飞机地速；HA为地面A点的相对航高；f为镜头焦距；t为曝光时间。
由于飞机运动和曝光时间的影响，数字航空摄影传感器所成的影像也存在位移现象，导致影像模糊、地面分辨率降低。传统航摄仪通过伺服马达在快门开启时同步移动胶片来消除影像位移；在数字传感器中，CCD的物理位置需要严格固定，因而无法通过同样的方式进行像移补偿。为此，面阵航空摄影传感器通常采用延时积分技术(TDI)，通过小波变换和快速傅里叶变换算法进行影像位移的消除。
线阵航空摄影传感器的成像原理是多线阵推扫成像，没有快门，连续成像。因其推扫式成像原理，无像移补偿装置，其像点移位的控制是通过调整传感器循环时间CT(cycle time)与CCD的积分感光时间IT(integration time) 来实现的。CT 可根据下式计算：
CT=k·GSD/GS
式中，GS为地速；GSD为地面分辨率；CT为传感器循环时间。
CT依赖于地面飞行速度和地面分辨率，一旦GSD确定以后，CT就决定了最佳飞行速。
同传统胶片航摄的曝光时间相似，IT是指CCD的积分感光时间。IT值决定了获得的影像质量，IT太小，曝光不足，阴暗处影像细节丢失；太大，曝光过度，高亮度区影像会受到损失。航空摄影时IT主要由太阳高度角、场景亮度和地物的反射特性决定。ADS40/80的CT由系统控制，而IT可由用户设置，在飞行过程中可随时修改IT值。进行航空摄影时，通过对CT与IT的控制可以很好地解决飞行过程中像点位移超限问题。通过对国内外多次实验的总结，良好的大气条件有助于减小像点位移，提高大比例尺航空摄影的飞行效率。
⒊ 集成高精度定位定向系统
传统航空摄影测量成图的方法利用地面控制点并通过空三加密反求光束的外方位元素，该方法严重依赖地面控制点。IMU/DGPS技术使得航空摄影测量成图方法可直接获取3个线元素和3个角元素，无需或只需少量地面控制点，即可进行数字空三，简化航测工序，减少了外业工作量。
数字航空摄影传感器集成了高精度定位定向系统(POS系统)，通过GPS差分获取传感器的位置参数，通过IMU测定传感器的姿态参数，从而直接获取每张像片的6个外方位元素，在减少甚至无需地面控制的条件下，可以直接对影像进行空间地理定位。
四、海岸带及岛礁数字航空摄影传感器的选型
⒈ CCD成像方式的比较
CCD传感器的承影面内几何关系稳定，与模拟影像相比，影像的几何精度得以明显提高。但受制造工艺和成本方面的限制，目前高端面阵CCD的尺寸非常有限，这使得单幅影像的地面覆盖范围非常小，从而增加了航摄成本和内业工作量。为了解决这一问题，大幅面面阵CCD传感器一般采用多个小面阵，利用影像拼接、镶嵌技术获取大幅面影像数据。DMC采用2×2矩阵排列的4个面阵CCD，全色影像的分辨率为7680像素×13824像素。UCXp采用3×3矩阵排列的9个面阵CCD，全色影像的分辨率达17310像素×11310像素。
线阵CCD传感器如ADS40/80在进行航空摄影时，其全色波段的前视、后视及下视波段影像能构成3对立体以供观测，与面阵CCD传感器相比，可有效减少或避免海岸带及岛礁航空摄影中易出现的像主点落水等情况，从而避免了框幅式影像因主点落水对空三加密和测图的影响，无需为传统意义上的主点落水而增加额外的控制点数量。航摄作业中航向连续三线阵扫描无需考虑航向重叠度的大小。
⒉ 影像表观质量的比较
三线阵CCD传感器在同一地点获取的前视、下视、后视影像，而每个影像所对应的地面物体的方向是固定的，影像的明暗变化在条带影像上的位置和影响也是固定的，通过选择不同视角的影像就可以有效减弱照度不均匀的影响，同时也为后续的影像匀光处理工作提供了便利。
ADS80具有三度100%重叠的全色影像和二度100%重叠的彩色影像。航线中的个别云及云影，可以利用不同角度影像叠加镶嵌的方式进行消除。如在少云晴天进行航摄，通过重复飞行，采用多条带影像联合解算、重叠镶嵌的方法，可以去除云及云影的影响，以充分利用航摄天气、有效缩短航摄周期。这些特性对于进行海岸带及岛礁航空摄影十分有利。
面阵CCD传感器的构象方式与传统胶片式航摄仪比较相似，为虚拟的中心投影成像，各子影像拼接的部分容易产生照度不匀的状况，对于云影的消除没有有效的方法。
⒊ POS系统应用的比较
由于飞机飞行姿态变化的影响，三线CCD阵传感器的位置和姿态也处于不断变化中，各采样周期得到的地面扫描行影像有可能出现相交和错位，导致获得的原始影像存在较大的扭曲变形。因此，三线阵CCD传感器在进行航空摄影时都必须集成POS设备，例如ADS40相机封装了Applanix公司的POS/ AV系统，用于同步获取各采样周期的外方位元素，对原始影像进行校准。而对于DMC和UCXp等面阵CCD传感器，由于面阵CCD元件及其内方位元素的稳定性，可以不需要对POS系统的依赖。
目前航测内业作业方式中，IMU/ DGPS辅助航空摄影测量已成为主流，这就要求航空摄影传感器在摄影时同高精度的POS系统连接，从而实现稀少或无地面控制条件下的航空摄影测量作业。这种作业方式不仅比传统的空三以及GPS辅助空三大大降低了作业成本，同时还提高了作业效率，大量减少外业控制的工作量。由此可见，虽然面阵CCD传感器的影像获取并不依赖于POS 系统，但由于内业作业方式的改变，CCD传感器搭载POS系统已经成为基本的设备配置。
由于POS系统测定的是其本身坐标系下的外方位元素，该坐标系与摄影测量坐标系(即传感器本身的坐标系)难免存在着系统偏差(即偏心角)。因此，在进行航摄飞行时，需要布设检校场，利用检校场的飞行数据进行空三，解算出传感器在曝光时刻的姿态角，IMU量测出同一时刻的姿态角(即ω、φ、κ)。通过对这两组值的比较从而计算出POS系统和传感器二者之间的偏心角。
面阵CCD传感器配备的IMU惯性测量单元不是内置的，每次航摄都要进行人工安装，因此每次安装后都需布设检校场进行检校。在海岸带和岛礁地区进行航空摄影时，由于航线的布设常常会呈带状分布，这样就会对检校场的布设造成困难。ADS40/80的POS系统内置于相机内，其偏心参数由厂家提供，无需每次航摄时布设检校场。
⒋ 内业效率及高程精度的比较
由于CCD尺寸问题，面阵CCD传感器成像的覆盖范围要小于传统航摄仪的覆盖范围，从而造成像对数增加，模型接边的工作量增大。线阵CCD传感器所获取的是整条无缝影像，无需进行像片间的内定向，大大节省了内业空三和测图的工作量，同时，在生成DLG和DEM时无需进行航向接边。因此，在内业测图方面，采用ADS40/80传感器比采用面阵CCD传感器在效率上有所提高。
海岸带地形图测绘中尤为关注的高程精度问题，其大小度受影像比例尺、基高比、像点量测精度等因素影响。现有的面阵CCD传感器进行航摄时交会角小，接近(甚至更小)于焦距为300mm长焦胶片式航摄仪，由于影像的基高比小，导致内业高程精度降低。虽然针对面阵CCD传感器可获取高影像重叠率数字影像的特点，已有针对多基线处理(多目视觉)的航空数字影像测图的研究，按多目视觉的理论，利用多重叠影像，增大交会角，从而提高高程精度，但这类方法在成熟的商业软件当中还未得到广泛的应用，还处在理论研究和实验阶段。
对于三线阵CCD传感器，其基高比主要由相机自身几何参数决定，最大基高比即由前视和后视CCD的夹角决定。ADS80传感器的前视和后视CCD的夹角为41°，其对应基高比约为0.76，接近传统航摄仪的基高比，能够满足海岸带及岛礁航空摄影测量工作对高程精度的要求。
航空摄影测量技术应用于海岸带及岛礁的地形图测绘是一种新的技术手段。由于海岸带及岛礁特殊地理环境和海道测量的精度要求，航空摄影所使用的传感器应具有以下特点：①为了提高内业效率，传感器的像幅在保证畸变差的情况下应尽可能大；于具有较高的基高比，能够满足海岸带地形图测绘高程精度的要求；②能够搭载POS系统，获取摄站外方位元素参与空三测量，并且对于检校场的依赖性应较弱；③对于海岸带及岛礁特殊地理环境下进行摄影时易出现的像主点落水、少量云影遮盖等特殊情况，应能够提供解决的方法。
五、结束语
通过分析传感器的性能和特点，线阵CCD传感器比面阵CCD传感器更适合与进行海岸带及岛礁航空摄影工作。Leica公司的ADS40/80是目前发展最成熟、应用最广泛的线阵CCD传感器。相对于ADS40、ADS80具备更高精度的POS系统，更完善的镜头分光系统，综合性能指标都得到了提升。综上所述，在现有的成熟商用数字航空摄影传感器中，ADS80为实施海岸带及岛礁航空摄影的最优选择。