CMOS传感器在航空摄影测量中的应用

叶 威，肖 康，康冰锋，张鑫鑫

(1. 天津交通职业学院，天津 300110； 2. 天津市测绘院，天津 300381；3. 中科遥感科技集团有限公司，天津 300384)

徕卡测量新技术应用专栏

CMOS传感器在航空摄影测量中的应用

叶 威1，肖 康2，康冰锋3，张鑫鑫2

(1. 天津交通职业学院，天津 300110； 2. 天津市测绘院，天津 300381；3. 中科遥感科技集团有限公司，天津 300384)

1 CMOS技术介绍

众所周知，数码相机主要有两种传感器：电子耦合器件(charge couple device,CCD)和互补型金属氧化半导体(complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)。

CMOS原本是计算机系统内一种重要的芯片，其制造技术与一般计算机芯片无差别且工艺简单，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N(带-电)和P(带+电)级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。

与CCD相比，CMOS具有多方面的优势：①制造容易、成本低、面阵大：CMOS传感器采用标准的半导体芯片技术，这种工艺与生产数以万计的计算机芯片和存储设备等半导体集成电路的工艺相同，更易制造；且CMOS的每个感光元件之间相互独立，而CCD传感器采用电荷传递的方式传送电信号，其中一个感光元件无法工作则会影响整排的图像信号，甚至导致整个传感器作废，因此CMOS制作的成品率要比CCD高很多，售价也更低。基于以上因素，CMOS相对CCD更加容易生产大面阵图像传感器。②具有更高的集成度：由于采用半导体制造工艺，CMOS能够将图像信号放大器、周边电路、图像信号处理器及控制器等集成设计在一张芯片上，实现了图像传感器的高度集成与小型化；而CCD芯片本身仅能输出模拟的电信号，还需要后续多个转换器、处理器、电路等进行处理，集成度低、体积大。③功耗低：CMOS采用的主动式图像采集方式，每个像元中的放大器的带宽要求较低，传感器具有超低功耗的优势；而CCD为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，必须使用外来电压，这使得CCD在工作中需要耗费更多的能源，功耗高，同时增加了电源管理电路设计。④可塑性强：CMOS具有先天的可塑性，可以向更高的像素、更大的传感器尺寸和成像幅面，以及更优化的设计发展，同时保持较小的成本增长。相对于CMOS的日益创新，CCD技术停滞不前，而且成本巨大。

CMOS传感器在制作成本、集成度、功耗及可塑性方面比CCD有较强的优势，但在捕光灵敏度、噪声控制等方面具有一定的弱势。但随着技术的飞速发展，近年来CMOS传感器的成像品质有了飞跃性的提高：①通过改进传感器芯片设计，采用亚微米和深亚微米光刻技术，通过在单个像素内部增加新功能，增强了传感器的光学输入能力，解决了CMOS传感器捕光灵敏度和分辨率较低的难题；②使用微透镜技术，通过在单个像素内增加电子开关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双采样电路等多种设计，达到消除或降低噪声的目的，同时兼具防光晕的特性；③通过芯片的高集成度设计，在单芯片内实现包括自动增益控制(AGC)、自动曝光控制(AEC)、自动平衡(AMB)、伽马样正、背景补偿和自动黑电平校正在内的多项彩色矩阵处理功能，使得CMOS传感器具有动态范围宽、抗浮散且几乎没有拖影的优点。得益于以上多项技术的发展，CMOS传感器不仅具有更有效的噪声抑制、更强的捕光灵敏度，CMOS图像传感器的画面质量也能与CCD图像传感器相媲美，CMOS传感器已经具备了与CCD图像传感器竞争的条件。

2 CMOS技术在DMC III的应用

DMC III航空数字摄影仪是航空摄影测量领域率先采用CMOS传感器技术的大面阵框幅式相机，其采用5镜头设计：1个全色镜头和4个多光谱镜头。其中全色镜头使用了一块高达3.9亿像素的单片式CMOS传感器，旁向像素值为26 112像素，航向像素值为15 000像素，旁向视场角和航向视场角分别达到57.9°和35.3°，同时无拼接的单片设计保障了影像几何精度和投影的一致性。其焦距为92 mm，像元尺寸为3.9 μm，曝光间隔缩短为1.9 s，与传统的CCD传感器相比，具有像元小、曝光时间短的优势。

由于采用了全新的CMOS传感器技术，DMC III全色镜头能够提供高达78 dB的动态范围，并将成像噪声抑制到超低水平；同时，DMC III具有超强的捕光灵敏度，对航摄光照的要求更宽泛，一天中有更多的飞行时间，延长了一天的作业时间，减少了航摄架次。

DMC III相机的CMOS传感器集成了自动增益控制(AGC)、自动曝光控制(AEC)、自动平衡(AMB)、伽马样正、背景补偿等多项图像增强技术，获取的影像色彩更加丰富、细致，并大大简化了后处理流程，提高了处理效率和速度。

影像幅面更大、光敏感度更强、飞行效率更高、飞行成本更低的优越性，使得DMC III成了更高效的航空遥感影像获取设备。同时，DMC III使用了像移补偿设计，能够呈现单片传感器更高的影像质量和几何精度。

3 DMCIII试验数据分析

3.1 试验区概况

试验区主要覆盖天津市南部区域，面积约500 km2，地形类别为平地。试验区成图比例尺为1∶2000，相对航高为3000 m，影像分辨率为12.5 cm，共敷设6条航线，每条航线38个曝光点，航向重叠度为65%，旁向重叠度为30%。

3.2 数据处理流程

影像预处理采用徕卡的HxMap一站式预处理系统，包括工程管理、质量检查、辐射校正和分布式处理工具(如图1所示)。数据后处理采用俄罗斯Racurs公司的PhotoMod摄影测量系统。

3.3 试验结果分析

3.3.1 影像质量

航摄时，试验区天气状况一般，能见度稍差，属于北方冬季常见的轻度雾霾天气。但经HxMap的多项图像增强技术处理后，影像色彩丰富、明暗适宜，直方图分布均匀，无明显噪声，无颗粒感。如图2所示。

图1 DMC III试验流程

图2 DMC III试验影像数据

3.3.2 几何精度

在空中三角测量过程中，采用两种方案对DMC III影像的几何精度进行试验：方案1采用地面GPS基站差分解算、无地面控制点参与约束的空中三角测量方法；方案2采用地面GPS基站差分解算、地面控制点参与平差约束的空中三角测量方法，像控采用每两条航线、每12条基线均匀布设1个控制点的原则，共布设12个控制点，平均约40 km21个控制点。两者精度比较结果见表1。

表1 定位精度评价

通过比较分析，空中三角测量中，在无控制点参与的情况下，检查点的平面精度满足《数字航空摄影测量 空中三角测量规范》(GB/T 23236—2009)规定中对1∶2000比例尺绝对定向与区域网平差计算的要求，但高程精度超限。

通过添加控制点参与平差计算，可以大幅提高解算精度，基本定向点和检查点的平面和高程精度均满足《数字航空摄影测量 空中三角测量规范》(GB/T 23236—2009)规定中对1∶2000比例尺绝对定向与区域网平差计算的要求。

4 结 语

通过对DMC III相机试验获取的影像质量及几何精度进行分析得知，CMOS图像传感器已经克服其主要的缺点，实现了与CCD相媲美的影像质量和几何精度，并具备以下优势：大面阵、功耗低、高度集成、可塑性强，有效地提高了航摄效率，降低了航摄成本。在不久的将来，随着技术的进一步发展，CMOS图像传感器必将成为航空摄影测量领域信息获取与处理的佼佼者。