框幅式数字航空摄影飞行质量检查方法

陈洁， 杨达昌， 杜磊， 李京， 韩亚超

(中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

框幅式航空摄影成果质量检查主要包含影像质量、飞行质量、数据质量和附件质量[1-4]4个方面的检查。其中的飞行质量直接决定最终摄影成果的优劣，也是质量检查过程中最耗时、最繁琐的环节。近年来迅猛发展的数字航空摄影技术可直接生成数字化成果，利用这些成果，在计算机上就能完成影像质量检查、数据质量分析和文档、图表等附件的编辑。唯独飞行质量检查手段仍在沿用以往光学胶片摄影的操作流程，即先冲印纸质像片，然后手工检查的方法。这种方法虽然准确度高，但生产环节多，执行周期长，不能及时反馈飞行质量信息，难以满足现代化全数字测绘发展的要求[5-7]。为此，发展一种全数字飞行质量的检查方法显得尤为重要和迫切。

目前，四川省测绘产品质量监督检验站完成了“框幅式数字航空摄影成果质量检验技术”课题研究，并通过国家测绘局验收[8]； 陕西省测绘局已发布了基于双向KD-Tree(K-dimensional tree)的尺度不变特征变换(scale invariant feature transform，SIFT)影像匹配方法“航空摄影质量自动检查系统”[9]。许多学者也根据自身需要设计了相应系统或软件： 段福洲等[10]发展了一种基于图像匹配的机载遥感影像质量自动检查方法； 余长慧等[11]进行了数字航空摄影成果的自动质量检查系统设计； 吴石虎[12]实现了航空摄影飞行质量数字化验收系统设计。上述成果和相关研究虽然均取得了较好的试验效果，但是所研发系统和软件的实用性有待提高，准确性也需进一步验证。为此，本文提出了一种基于质量检查软件和机载POS(position and orientation system)数据的飞行质量检查方法，实现了对框幅式航空摄影所有飞行质量因子的全数字化质量检查，并与湖南省衡阳市实验区的人工质量检查结果进行对比分析。

1 质量检查内容和方法

1.1 质量检查内容

本文阐述的质量检查内容执行国家标准[1]，主要包括航向重叠度、旁向重叠度、航线弯曲度、像片旋偏角、最大航高与最小航高之差、实际航高与设计航高之差以及测区覆盖等。

1.2 质量检查方法

该方法首先使用飞行质量检查软件对框幅式数字影像进行自动匹配，包括航线内的模型匹配和航线间匹配，实现航向重叠度、旁向重叠度及旋偏角等飞行质量因子的自动检查； 然后利用机载POS数据检查航线弯曲度、航高保持和测区覆盖等飞行质量内容。具体操作方法和步骤如下：

1)数据准备。按规范[4]要求生成数字影像，并命名； 下载机载POS数据。

2)利用飞行质量检查软件检查质量(图1)。

图1 飞行质量检查软件工作流程

首先根据实际航空摄影项目进行项目名称、飞行航高、重叠度及像机类型等参数的设定； 然后导入数字影像，并设置航带信息，要求航片和航带间位置关系与实际飞行吻合，同时可对影像进行压缩、旋转等操作； 若有每张影像的外方位元素，可导入该数据用以确定影像和航带间的位置关系，若无外方位元素，则需进行航带间同名点的手工匹配，且同名像对至少有2对； 完成以上数据准备和参数设置后，进行影像的自动匹配，寻找同名点，应用相关算法进行重叠度、旋偏角等质量因子的计算，最终生成飞行质量报告。

飞行质量报告的检查参数设定可根据实际需求进行，如图2所示。

图2 飞行质量检查参数设定

对于已有外方位元素的影像数据，可检查航高保持和航线弯曲度等质量因子； 若没有外方位元素，则主要检查重叠度和旋偏角的质量控制情况。生成的飞行质量检查报告包括整个测区的基本信息、统计信息、详细信息和超限内容统计4部分内容。各部分所包含的具体信息如图3所示。

(a) 飞行质量报告第1,2部分(b) 飞行质量报告第3部分(c) 飞行质量报告第4部分——测区基本信息和统计信息——详细信息——超限内容统计

3)利用机载POS数据检查飞行质量。对下载的机载POS数据进行处理，用生成的航向角度报告检查旋偏角，用飞行轨迹报告检查重叠度和航线弯曲度，用航高报告检查航高保持情况，用曝光点坐标检查航空摄影测区覆盖情况。其中，旋偏角是根据POS系统记录的曝光时刻航向角与设计航向角的差值计算所得。本次实验在航空摄影过程中没有对航空摄影仪座架进行调整，使影像的X方向始终与飞机中轴线保持平行，其目的是让获取的每张航片自身带有一定的旋偏角，以验证该方法计算出的旋偏角的准确度； 飞行轨迹可显示航线和曝光点位置、影像框幅大小和覆盖范围，直观地反映重叠度、旋偏角和航线弯曲度情况，但不能从数量上给予评价。

2 实验结果与精度分析

2.1 实验结果

实验区位于湖南省衡阳市。实验数据由Leica公司的框幅式航空摄影像机DMC(digital mapping camera)获得。航线布设如图4所示，飞行方向为南北向，飞行绝对高度为1 100 m，影像的地面分辨率为0.1 m，设计的航向和旁向重叠分别为70%和40%。试验飞行获取4条航线，共84张航空数码影像。为了方便后期的对比分析，在整个航空摄影过程中，航空摄影仪座架始终处于零刻度位置，即与飞机的中轴线平行的位置。

图4 湖南实验区航线布设示意图

首先，利用飞行质量检查软件对所获取的影像进行自动质量检查，由于没有导入机载POS数据，所以获得的质量检查报告主要检查本次航空摄影的重叠度和旋偏角。根据GB/T 27920.1-2011[4]要求，质量检查主要参数的临界值分别为航向重叠56%、旁向23%、旋偏角15°。超限内容被记录在飞行质量报告的第4部分。

该质量检查报告直接显示出每张像片的重叠度、旋偏角数值，若有不合规范的内容，再根据报告的第4部分(图3(c)，超限内容)，通知野外飞行人员进行相应的补飞。

利用机载POS数据对航高保持、航线弯曲度和范围覆盖等内容进行质量检查。机载POS系统以1 Hz的频率记录飞行轨迹和曝光时刻姿态，可以很好地反映飞行质量。图5为机载POS系统记录的飞行轨迹。从该轨迹图可以直观地判读出航空摄影飞行航线弯曲度是否控制良好。

图5 湖南实验区机载POS系统记录的飞行轨迹

航高的保持可以根据机载POS系统的记录数据得出。数据经处理后可以反映每个曝光点时刻的航高情况，以此作为依据判断航高的保持情况。本实验区的某条航线航高保持情况如图6所示。

图6 航线曝光点航高保持情况

从图6中可以读出同一航线中的航高最大值、最小值以及该架次的航高最大值、最小值，并以此计算航高高差，从而完成对航高质量因子的质量检查。

最后，利用机载POS数据解算出的每张像片外方位元素，通过边缘曝光点的地理坐标信息，判断影像是否覆盖测区边缘。

经过以上3个步骤，即可完成对框幅式数字航空摄影飞行质量的全数字化质量检查。每个步骤均由计算机自动完成，无需人工干预，易于操作，也不必冲印纸质像片，节约资源，且绿色环保。

2.2 精度分析

由于国内现有的飞行质量检查软件还处于研发实验阶段，并且国家测绘局也没有授权和认可任何一款此类软件，最终提交的成果数据还是以人工质量检查结果为准。所以，本研究对实验区同时进行了人工质量检查工作，详细地记录每张影像的飞行质量参数，与本文提出的质量检查方法进行对比分析，结果如下：

1)重叠度和旋偏角。人工质量检查作业方式是利用专业的平板尺量取每个像对的重叠度和旋偏角，并记录。将该结果作为真值与飞行质量检查软件和POS计算得出的结果进行对比分析，得出飞行质量检查软件的检查结果不论在重叠度上和旋偏角上都有很好的一致性； 而利用POS数据推算出的旋偏角与另外2种方法差别较大，但其所反映的总体趋势一致。3种方法的质量检查结果如表1所示。

表1 3种方法的飞行质量检查结果

表1数据表明，人工质量检查与飞行质量检查软件的结果有很好的一致性； POS解算的旋偏角与其他2种方法的相差较大，这是由于POS数据不考虑同名地物点的匹配，只按当时记录的数值反映飞行姿态，而其他2种方法的计算基础是先进行影像匹配，再得出各项飞行质量参数。但3种方法反映的总体趋势一致，这一点可从图7中看出(第1和第3航线旋偏角小，第2和第4航线旋偏角大),这与实际测量和计算得出的数据也一致。

2)航线弯曲度。现有的航空摄影平台都配备高精度GPS导航系统，对于航迹的保持都比较好。图7(a)为3种方法分别形成的影像和框幅索引图，从图7(b)(c)可以看出，同一航线的像主点都基本处于同一经度上，航线弯曲度控制良好。

(a) 人工拼接影像索引图(b) 飞行质量检查软件生成(c) 机载POS数据生成的框幅索引图的框幅索引图

3)航高保持。传统的航高保持作业方式，是检查相邻航片和航线中同名地物的比例尺变化程度。该方法要求对每张航片进行判读，作业量较大，并且即使所有航片比例尺一致，也不能说明本次航空摄影的航高与设计吻合。机载POS系统记录的GPS数据能够完整地反映航线和曝光点的高度信息(图6)，且精确到m级，可完成对航高保持的质量检查。图6所示的航线，最大航高为1 140 m，最小航高为1 120 m，最大高差为20 m，与设计航高1 100 m之差最大为40 m。

4)测区覆盖。测区覆盖检查的人工方式是利用航片上的典型地物，对照地形图，判断航空摄影测区是否覆盖完全。该种方法对作业人员的经验要求较高。然而，由于社会发展较快，地形图更新较慢，很多地区的地物都反生了较大变化，仅仅依靠典型地物已不能满足实际生产要求。而机载POS系统能直接获取每张航片的地理信息坐标，利用边缘航片的坐标信息与测区范围角点坐标进行对比，就可完成对测区覆盖的质量检查。

3 结论

基于飞行质量检查软件和机载POS数据的全数字化飞行质量检查方法的检查精度完全可以满足航空摄影的飞行质量检查标准。该方法减少了人工重复作业，省略了纸质像片冲印环节，节约了资源，缩减了作业周期，并且计算过程无需人工干预，自动化程度高，对人员和办公场所要求低，特别适用于野外及应急救灾等紧急情况下的质量检查，为快速经济、高效优质地进行数字航空摄影成果质量检验提供了新思路。该方法已成功地运用在国家基础航空摄影湖南三城市测区和广西南宁测区中，取得了较好的效果。

志谢： 对湖南航空摄影项目组提供本次实验数据和张宗贵博士提供的技术帮助表示感谢！

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