全數字航測相機ADS40工作原理及其應用

楊玉忠 劉君臣 黃勇 王健潔

【摘 要】ADS40是當今最先進的攝影測量系統之一，就ADS40的原理、數據處理流程，以及ADS40和常規攝影測量的區別，在精度等方面作了闡述和分析，并就其在我國攝影測量領域內的應用進行了展望。

【關鍵詞】全數字航測相機，ADS40，三線陣，POS

1 引言

全數字航測相機系統ADS40是全球首臺商業機載三線陣傳感器，它由德國宇航院與Leica公司聯合研制。目前雖然許多國家包括中國已經購買了ADS40用于航測作業生產，目前處在試驗應用階段，價格較為昂貴。是一種能夠同時獲得立體影像和彩色多光譜影像的多功能、數字化的航空遙感傳感器。其立體成像部分由全色波段的前視、后視和R、G、B任一波段的下視三組CCD線陣組成，全色波段每組CCD線陣均由兩條線陣按照交叉像元的方式構成超分辨率模式，完成對同一地面區域三幅影像的立體覆蓋。彩色成像部分由紅、綠、藍、近紅外四條CCD線陣組成，可分別成像，經融合處理合成真彩色影像和彩紅外多光譜影像。能同時提供黑白波段、彩色波段以及彩紅外波段影像。其全新的成像機理及較高的自動化數據獲取處理方式為攝影測量開辟了嶄新的途徑，并對傳統的攝影測量作業方式構成挑戰。

2 ADS40相機的特點與技術優勢

ADS40推掃式數字航攝儀由傳感器頭SH40、控制單元CU40、大容量存儲系統MM40、操作界面OI40、導航界面PI40、PAV30陀螺穩定平臺等部件組成。SH40集成有高性能鏡頭系統和慣性測量裝置IMU，鏡頭焦平面上安置8條波段CCD陣列探測器，可以生成黑白、彩色及彩紅外影像。相機采用單個鏡頭成像，相比數字航攝儀多鏡頭口徑更大，鏡頭口徑越大，鏡頭的畸變差越小，成像的質量也就越高；單鏡頭成像比多鏡頭成像在原理上更為簡單，更宜實現，故障率更低，檢校也更加方便。數據后處理設備即徠卡數字攝影測量工作站。

3 ADS40的成像原理

推掃式三線陣CCD相機數字影像的x坐標為常量，對于

前視相機（代號l）：x1=ftgα （1）

下視相機（代號v）：xv=0 （2）

后視相機（代號r）：xr=-ftgα （3）

線陣列推掃傳感器的瞬時外方位元素對每一掃描行影像均有不同的數值，是時間的函數。ADS40采用先進的POS系統以及FCMS軟件來控制、校正飛機的航線，可以認為其外方位元素的變化是平穩的，可表示為時間的線性函數，即可用下述數學模型描述：

Fi=F0 +Fy （4）

（4）式中含有12個未知參數，通過對POS（IMU/GPS）數據處理，就可以得到航攝時每個掃描行的外方位元素初始值，利用POS數據對0級影像進行糾正，就可以糾正攝影時飛機姿態變化（Rol，l Pitch， Yaw）造成的影像幾何變形，產生1級影像。利用1級影像進行影像匹配、加入控制點進行光束法平差后，可以得到每條掃描行精確的外方位元素。它的8個波段所對應的各個線陣都位于焦平面上，在進行航空攝影時，便可得到以一條航線為單位的各波段連續數字影像。

4 ADS40與常規攝影測量的比較

4.1 外業控制及航空攝影方面：（1）ADS40相機在一定的基站范圍內，在無控制或少量控制點的情況下完成對地面目標的3維定位。有控制情況下無需內業空三選點加密，相比常規攝影測量，大大減輕生產單位的外業工作量；（2）ADS40相機可以在飛機起飛之前輸入有關技術參數，對飛行情況進行實時監控，協調。全自動化控制，操作簡單，即時監控和修正航線，提高航攝質量與效率，大大減輕攝影員的操作壓力；（3）ADS40可航攝的天氣大大高于常規光學相機，甚至可以在水平能見度小于3Km的云下進行大比例尺攝影；（4）ADS40相機獲取的是數字影像，當天攝影完畢，影像可以立即下載，供下工序使用。而常規航空攝影后處理所經歷的周期太長，專業處理膠片人員和中間環節會影響影像質量；（5）ADS40相機是三線陣推掃式的，獲取的影像是以航線為單元的條帶影像，其影像能構成3對立體以供觀測，不考慮重疊度。常規框幅式相機需要考慮航向重疊度，增加經濟成本。

4.2 數據處理方面：（1）在ADS40攝影測量工作站進行數據后處理時，無內定向過程。常規框幅式影像需要進行人工內定向，處理較為復雜；（2）ADS40相機影像是以每條航線為單位，傳統框幅式相機影像是以單張相片為單位，各立體像對之間必須保證一定的重疊度。ADS40影像在一條航線范圍內，航向不需要接邊，提高工作效率；（3）ADS40空三在大面積測區平差時效率較高，人工干預較少，只需觀測有限幾個控制點，其他均由影像匹配自動完成。ADS40成像機理的復雜性決定了數據后處理過程也較常規攝影測量復雜，選擇高精度的IMU/DGPS和空三平差模型對于ADS40而言是十分重要的。

5 結束語

總之，數碼相機ADS40在我國的引進與應用，是實現全數字航空攝影的里程碑，是加快航測數字化生產與建設的又一有力工具，但ADS40相機畢竟是新事物、新設備，技術含量高、配套軟件多，對其了解、認識、學習、消化、吸收和應用需要一個過程，只有不斷試驗、探索和研究，加快生產應用系統和接口的開發研制工作，才能使ADS40相機盡早投入到生產應用中。

參考文獻：

[1] 梅軍，張永生，范永弘.ADS40機載數字傳感器的攝影測量處理與應用.鄭州：測繪科學技術學報，2002

[2] 王任享.航空三線陣CCD影像測制城市數字正射影像[J].測繪工程，2003，（3）.