张森

(大连市勘察测绘研究院有限公司，辽宁 大连 116021)

1 引 言

近年来，随着倾斜摄影发展，各种获取倾斜摄影的传感器大量推出。除了无人机搭载的小型倾斜摄影设备外，搭载在有人机上的大型倾斜摄影航空相机也纷纷推出。如天宝公司的AOS系统、德国IGI公司的Penta-DigiCam系统、以色列VisionMap公司的A3系统等，尤以徕卡公司的RCD30和微软的UCO为代表，更是为国内用户熟悉[1]。这其中，A3相机为扫摆式成像[2]，其他为框幅式成像。刘先林院士领衔研发的SWDC-5是国内较早推出的大型倾斜航空相机，于2010年12月试飞[3]，之后上海航遥和中测新图推出同类产品[4]。

AMC5100倾斜航空相机是上海航遥推出的代表性产品，该相机于2016年5月28日在烟台首次试飞，目前国内已有5台该款相机使用，成为大型倾斜航空相机主流产品之一。

2 AMC5100倾斜航空相机系统构成

该系统由AMC5100倾斜航空相机、Applanix POS AP20惯导系统、GSM4000陀螺稳定平台、FANS飞行管理系统主机等几个模块构成。

其中AMC5100倾斜航空相机由PhaseOneiXU 1000航空相机组成，PhaseOneiXU 1000相机一亿像素(11 608×8 708)，CMOS传感器，0.85 s存储间隔，ISO 50-6400，像元尺寸 4.6 μm。5台相机1台垂直，另外四台呈45°倾斜角度设计。为方便相机在不同型号飞机上搭载，传感器头部设计为可升降式，升降幅度 17 cm，Amc5100倾斜航空相机全貌及镜头细节如图1所示。

镜头采用施耐德80 mm/110 mm标准镜头组合(可调为50 mm/80 mm、110 mm/150 mm)。

图1 Amc5100倾斜航空相机全貌及镜头细节

相机内集成Applanix POS AP20惯导系统，具有飞行管理系统控制功能模块和YDC飞行偏流修正功能模块。

GSM4000陀螺稳定平台29 kg的自重，可承载 10 kg～120 kg的航摄仪器，俯仰方向高达8.8°，横滚方向高达7.0°。

FANS飞行管理系统主机由中科院遥感所自主研发，进行飞行计划的制定，飞行执行时段的导航管理，航摄仪的曝光控制，后期飞行质量检查。

3 搭载不同平台对航空摄影质量影响差异性分析

2016年4月，大连市勘察测绘研究院有限公司采购AMC5100倾斜航空相机。该公司也成为该款倾斜航空相机首位客户。该公司利用AMC5100倾斜航空相机计划进行大连市域1.37万平方千米倾斜航空摄影工作。航飞计划是大连市核心区域 5 cm分辨率倾斜航空摄影(面积约 300 km2)，建制区 8 cm分辨率倾斜航空摄影(面积约 4 500 km2)，其他区市县 15 cm分辨率倾斜航空摄影(面积约 9 000 km2)。

由于大连地区特殊的地理位置，摄区机场密度较大，再加上大连国际机场地处主城区，因此航空摄影空域是个不得不面对的问题。

经过多次研究，决定采取双平台搭载方案：在大连市核心区域和建制区采用直升机作为航空摄影搭载平台，其搭载方式为外挂；其他区市县采用固定翼飞机，其搭载方式为舱内开口搭载。AMC5100挂载直升机与AMC5100挂载固定翼分别如图2、图3所示。

图2 AMC5100挂载直升机(型号：海豚EC155B1)

图3 AMC5100挂载固定翼(赛斯纳208)

直升机搭载其优点能够有效获取极其有效的空域资源，其缺点是无法搭载陀螺座架，相机与飞机为硬连接，摄影姿态受直升机姿态影响较大，直升机续航里程短，作业效率低。搭载固定翼舱内，能够将相机搭载在陀螺座架上，在摄影时能保证航空相机稳定，能够根据飞行姿态技术对俯仰角、侧滚角航偏角进行快速的自动修正，确保航空相机自动保证垂直，保证摄影质量[5]。

为了确保摄影质量，搭载直升机平台进行航空摄影时，应尽量避开大风天气，并与飞机驾驶人员及时沟通，当飞机姿态变化太大时，实时中止航空摄影。

4 航空摄影参数相关分析

由于该相机主要用于倾斜摄影，而倾斜摄影质量成果主要特点是大重叠和高分辨率。因此两个关键指标就是像移偏量和曝光间隔。

像移偏量指因飞机地速影响，在曝光瞬间造成的像点位移。在直升机和固定翼这两种飞行平台中，前者为硬链接，没有补偿装置，像偏移量较明显，后者由于配有像移补偿装置，同等条件下，像偏移量较小。

(1)像偏移量影响因素分析

像偏移量主要受分辨率、飞机对地速度、快门速度等几个因素。主要有依据GB/T 27920.1-2011《数字航空摄影规范第1部分：框幅式数字航空摄影》要求，一般像点位移不应大于1个像素，最大不应大于1.5个像素。按照AMC5100参数，其不同分辨率航空摄影像点位移参数如表1所示：

AMC5100航空摄影像点位移参数表 表1

曝光间隔是指两次曝光的时间间隔。实际上就是相机成像最短时间。AMC5100倾斜航空相机由PhaseOneiXU 1000集成，其中PhaseOneiXU 1000标称成像时间 0.95 s，AMC5100集成后标称成像时间 1 s，考虑到影像从成像到向存储设备有一个传输时间，在实际摄影过程中，一般曝光间隔不低于 1.5 s。

(2)飞行地速、分辨率与重叠度分析

在AMC5100倾斜航空摄影中，必须考虑重叠度与飞机地速及曝光间隔直接的关系。表2是AMC5100倾斜航空相机不同地速、不同分辨率下对应的极限旁向重叠度表格。从表格中看出，如果要获取 3 cm分辨率倾斜摄影，飞行地速90节(166 km/h)，重叠度只能达到73%。按照通常高分辨率倾斜摄影80%重叠度要求，飞行地速67节(124 km/h)。因此当需要高分辨率倾斜航空摄影时，必须考虑飞机平台，其速度是否能够满足要求(低速度)。

不同地速、分辨率对应的航向重叠度 表2

当然，以上计算是基于极限值计算的，在实际生产过程中，必须考虑到设备的可持续工作和可靠性工作。

从计算数据分析，分辨率8 cm以下，这些飞行地速、曝光间隔等对摄影的影响较小，当分辨率优于 5 cm时，应对这些参数进行计算。从我们目前生产经验看，5 cm分辨率80%重叠度飞行地速100节(180 km/h)，3 cm分辨率80%重叠度飞行地速60节(110 km/h)左右。更高要求的参数必须做进一步的计算分析。

(3)不同分辨率影像效果比较分析

倾斜航空摄影主要目的之一就是利用倾斜航空影像制作实景影像三维模型。实景影像三维模型效果主要取决于摄影分辨率和重叠度，另外，由于在实景影像三维模型制作过程中，其匹配过程有纹理细节损失，因此，如图4、图5所示，制作的实景影像三维模型效果往往较原始影像视角效果差一些，这也是当前实景影像三维模型生产过程中需要解决的一个问题。

图4 AMC5100倾斜航空相机3cm航空摄影原片(左)及影像三维模型(右)比较

图5 AMC5100倾斜航空相机5 cm航空摄影原片(左)及影像三维模型(右)比较

5 数据成果精度统计分析

AMC5100倾斜航空相机目前成果主要应用实景影像三维模型制作、数字正射影像图制作以及基于实景影像三维模型进行地形图采集等。而摄影的下视航片通过抽片，可以通过空三加密，制作立体像对，进行立体采集制作数字线划图。

目前，大连市勘察测绘研究院有限公司利用AMC5100倾斜航空相机成果主要制作实景影像三维模型和正射影像。

(1)实景影像三维精度统计

实景影像三维主要统计搭载直升机平台分辨率为 5 cm、8 cm倾斜摄影制作的实景影像三维成果精度。由于直升机搭载，因此POS数据在解算过程中辅助意义不明显，空三加密主要依靠像控点解算。

其精度统计如表3所示：

AMC5100倾斜航空摄影实景影像三维模型精度检测汇总表(金普新区8 cm) 表3

AMC5100倾斜航空摄影正射影像精度检测汇总表 表4

从表3中可以看出，利用AMC5100倾斜航空摄影制作的实景影像三维模型平面精度是其摄影分辨率的2倍～3倍，高程精度一般在1倍～2倍，高程精度优于平面精度。

(2)数字正射影像精度统计

数字正射影像也主要是搭载直升机平台分辨率为 5 cm、8 cm下视航空摄影制作。统一制作分辨率 20 cm正射影像，如表4所示。

6 结 语

通过大连地区近三年的航空摄影(摄影面积覆盖范围约1.37万平方千米)，AMC5100倾斜航空相机可靠性较高，根据空域特点，可以搭载不同飞行平台进行不同分辨率倾斜航空摄影，航空摄影成果完全满足用于实景影像三维模型制作和数字正射影像制作。

当然，对于AMC5100倾斜航空摄影过程还有一些问题有待进一步验证和解决，如对建筑物高差大的城区飞高分辨( 3 cm)如何解决飞行漏洞问题、利用下视航片进行立体测图问题、利用直升机作为搭载平台如何解决相机和飞机刚性连接等一系列问题，以便于让AMC5100倾斜航相机更好地服务测绘生产。