倾斜数字航空摄影标准编制关键问题研究

李观石，徐建刚，蔡 勇

（江苏省测绘研究所，江苏南京 210013）

0 引言

当前倾斜数字航空摄影技术应用越来越广泛，通过在飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、侧视等不同的角度采集影像，有效弥补了传统航空摄影的不足。国内外已在地形测绘、实景建模、应急救灾等方面应用该技术，谷歌地球已应用该技术建立了全球上百个城市三维模型。国内已经有多家单位研制成功倾斜数字航空摄影仪，并应用该技术进行了倾斜数字航空摄影，利用其数据成果在三维快速建模等方面推广应用，取得了初步成功［1］。

倾斜数字航空摄影标准是当前在研标准［2］。目前测绘行业标准《倾斜数字摄影技术规程》（CH/T 3021—2018）已于2018年8月份通过国家标准化管理委员会评审，并于2019年1月1日正式实施。该标准主要研究的对象是常规大飞机的摄影平台，目前应用更为广泛的无人机等轻小型飞行平台没有纳入考虑范围，造成应用范围有所局限，因此，在未来的国家标准中，为了纳入更多的倾斜航空摄影行为，有必要在标准中考虑无人机、直升机、飞艇等轻小型飞行平台进行的倾斜摄影。

1 研究内容

本文根据当前市场需求和技术发展，兼顾大飞机飞行平台和无人机等轻小型飞行平台的倾斜航空摄影需求，注重技术发展前瞻性和可操作性。标准文本在航飞设计与计划、航摄质量控制、成果质量检查等方面根据倾斜航空摄影的特点进行规范，同时注重轻小型飞行平台、倾斜数字航摄仪的技术前瞻性。认真分析倾斜数字航空摄影的实际情况和技术热点，将新的技术指标纳入规范内容，摒弃落后的技术方法等。本文主要论述了采用倾斜数字航摄仪进行航空摄影的基本要求、航摄计划与设计、航摄实施、成果质量检查、成果整理、成果验收和资料移交等内容。

本文所指的倾斜数字航空摄影是基于采用倾斜数字航摄仪生产基础测绘产品和实景三维数字产品等的航空摄影工作。其他应用例如考古、应急测绘、影视摄影等领域的倾斜摄影工作由于时间、空间、用途的特殊性，本文内容仅可作为参考。

2 关键问题

2.1 倾斜数字航摄仪的定义

倾斜航摄仪种类繁多，标准编制时不能涵盖所有类型的倾斜航摄仪，因此需要界定合理的范围，既能引领行业的健康发展，又能鼓励技术创新。倾斜航摄仪的概念范围一方面要广泛开展市场调研，摸清当前航摄仪技术发展现状，另一方面要征求行业专家的意见，最终形成合理的定义。

目前，市场上的倾斜数字摄影仪，单镜头、双镜头、三镜头、五镜头相机甚至摆动式相机等都有应用，尤其在倾斜摄影仪发展初期，单镜头和双镜头摄影仪在三维建模方面都展开了一定的实验和应用。当前五镜头相机已经成为主流，不仅提高了摄影效率，还适应了市场需求。各相机厂家和研究机构都推出了各自的主要产品，并随着市场的发展不断地推陈出新。因此，本文根据技术发展现状，对相机提出了相应的约束条件，即从事倾斜摄影需多镜头相机且具备垂直镜头，从而更好地指导倾斜摄影技术行为，规范产品成果，引导倾斜航空摄影的技术发展。

2.2 倾斜数字航摄仪性能基本要求

倾斜数字航摄仪的基本性能应满足以下要求：（1）各相机的内方位元素可精确测定或相机畸变参数可精确测定。（2）各相机影像分辨率不低于2 000万像素。（3）带有曝光信号反馈装置，能稳定输出和记录曝光脉冲。（4）各相机之间的相对位置和姿态关系刚性稳定。（5）各相机曝光时间差不大于120 ms。（6）倾斜影像的中心点地面分辨率不宜低于垂直影像的中心点地面分辨率。

行业标准《倾斜数字航空摄影技术规程》规定各相机的内方位元素可精确测定［3］，目前有的无人机携带的轻型倾斜数字航摄仪不直接提供内方位元素的测定值，而是在后期数据处理时经软件自动标定和纠正。通过后期软件标定和纠正的方法也是目前通常采用的方法，也可生产出符合质量要求的倾斜数字影像产品。

规定倾斜影像的中心点地面分辨率不低于垂直影像中心点地面分辨率的目的是为了防止倾斜影像分辨率过低造成三维模型纹理模糊的情况。如果各相机影像分辨率相同，由于倾斜相机的摄影距离较垂直相机更远，势必造成倾斜影像的中心点地面分辨率低于垂直影像中心点地面分辨率。

行业标准对倾斜数字航摄仪性能基本要求也有相关要求［3］，经过实践和研究，还需增加各相机曝光时间能够同步条件设定。如果各相机曝光时间不同步，即使物理上各相机相对位置和姿态保持刚性稳定，其瞬时成像中心也会因曝光时间不同步而不一致。另外，还要增加同步时间的限制，提高标准的可执行性。根据测试检验和专家论证，各相机的同步时间差不应超过120 ms。

2.3 IMU/GNSS系统要求

机载IMU/GNSS系统应满足GB/T 27919—2011的相应规定［4］。大范围航摄时，IMU的数据记录频率不宜小于200 Hz。无人机航摄可配置PPK，小范围作业也可使用RTK。

传统数字航摄对IMU/GNSS采样频率的基本要求是64 Hz［4］，该要求相较于目前的实际航飞要求显然是偏低的，对于目前由于无人机倾斜摄影的兴起，给行业一种错觉，就是倾斜摄影对POS的精度要求很低，甚至不需要POS数据，这对于面向城市级建模所采用的大范围航摄而言，显然是不对的，对于城市级建模所采用的后处理软件，在空三环节，效率是个关键问题，以三维模型处理软件ContextCapture V4.4为例，在没有高精度POS的情况下，一个空三工程的影像加载量大约为10 000张影像，在有高精度POS的情况下，可以扩大到30 000张；其次单次空三的成功率会因为存在高精度POS的情况而提高。因此需要提高POS精度，尤其是IMU的原始采样率，至少为200 Hz。

2.4 影像重叠度的设计

根据实验结果发现，在较高重叠度情形下，三维模型效果最好，建筑物的屋脊线很直，模型效果与原始影像接近；而当重叠度变小时，建筑物的模型效果较差，波浪形较多。此外，重叠度的设计也不是越高越好，影像重叠度与影像数据量密切相关。影像重叠度越高，相同区域数据量就越大，数据处理的效率就越低。相关学者也在研究中指出，对于三维建模项目，大中城市航线重叠不低于70%，旁向重叠60%～80%，最低不低于40%［5］。

结合实验分析，相较于传统航空摄影测量，倾斜航空摄影测量在重叠度设计上有一定的区别，可遵循以下原则：（1）航向重叠度一般不低于60%。在陡峭山区、高层建筑密集区，航向重叠度设计为70%～80%。（2）垂直影像旁向重叠度一般应设计为40%～80%，最低不低于30%。（3）当满足垂直影像重叠度后，倾斜影像的航向、旁向重叠度可不再重新设计。

一般而言，重叠度不低于60%能够满足三维建模。为了防止产生三维模型漏洞，高层建筑物密集区域可以进行特殊设计，加大航向重叠到80%甚至更高。

2.5 成果影像编号

影像编号由16位阿拉伯数字构成，采用以航线为单位的流水编号，影像编号自左至右第1～5位为摄区代号，第6～7位为分区号，第8～10位为航线号，第11～12位为相机号，第13～16位为影像流水号，具体如图1所示。

图1 影像编号

传统的影像编号方式是自西向东为编号增长方向，但在倾斜航空摄影时间操作过程中，影像数量明显增加，该方法大大增加了后期数据整理的工作量。因此，应该适应当前主流作业习惯，修改传统的影像编号方式，以减少影像整理的工作量，便于更好的技术推广，应以飞行平台飞行方向为编号的增长方向。

2.6 航摄质量控制

2.6.1 相片倾斜角

传统航空摄影垂直影像倾斜角一般不应大于3°，最大不应大于6°。《低空数字航空摄影》标准规定倾斜角一般不应大于5°，最大不应大于12°［6］，倾斜数字航空摄影的指标在框幅式数字航空摄影技术规范的基础上进行了放宽，又根据测试和检验，规定垂直影像倾斜角一般不应大于6°，最大不应大于10°主要原因有以下几点：

（1）倾斜数字航摄仪由多个相机组合而成，同一目标物的观测光线较多，倾斜角放宽不影响后续的数据处理。

（2）目前的倾斜摄影相较于传统垂直摄影，飞行平台多样化，不仅包括常规大飞机，还包括旋翼无人机等轻小型飞行平台，这类平台相较于固定翼大飞机在水平姿态上更难把控。

（3）目前倾斜摄影相比于传统垂直摄影，飞行的影像分辨率开始变得更小，5 cm甚至更小，导致飞行航高较低，在低空下乱流较大，飞机把控姿态的能力变差，目前虽然在设备上大部分都使用了稳定平台，但是目前的稳定平台补偿范围都较小，是按照传统垂直摄影设计的，因此对于目前的倾斜低空摄影，补偿能力有限。

2.6.2 相片旋偏角

垂直相片旋偏角一般不应大于25°。在确保相片航向和旁向重叠度满足要求的前提下最大不应大于35°。该项指标在框幅式数字航空摄影技术规范的基础上进行了放宽，主要原因是倾斜数字航摄仪由多个相机组合且重叠度指标较高，同一目标物的观测光线较多，不影响后续的数据处理。

2.6.3 航高保持

目前，无人机技术发展迅速，飞行平台的稳定性不断提高，一般飞行高度都能控制在误差5 m以内。一般规定，同一航线上相邻相片的航高差一般不应大于30 m；最大航高与最小航高之差一般不应大于50 m。实际航高与设计航高之差不应大于50 m。

2.7 摄区、分区覆盖要求

摄区、分区航向和旁向覆盖应超出分区边界线一定的基线数，用公式（1）计算：

式中：N为理论超出值，单位为条；θ为倾斜相机角度，单位为度；β为倾斜相机视场角，单位为度；P为航向或旁向重叠度。

在实际飞行中，由于大气等各因素的影响，航向或旁向覆盖超出边界线的实际值一般按公式（2）和公式（3）计算：

式中：N基为基线数；N航为航线数。

2.8 其他问题

倾斜数字航空摄影可看做常规数字航空摄影的一种特殊情况，其工作内容和流程有一定程度上的相似，包括成果质量检查、成果整理、成果验收和资料移交等方面［7］，本文可参考执行，并根据倾斜摄影的特殊情况进行细化和调整。

3 结语

随着倾斜数字航空摄影技术应用越来越广泛，更广泛的标准的编制工作显得更加迫切。新标准的编制，应充分考虑倾斜数字航空摄影飞行平台、摄影仪的技术水平，注重内容的科学性和实用性，并且和相关标准协调。标准的编制应对倾斜数字航空摄影测量市场进行充分调研，面向全国多方征集各方面的意见和建议，认真分析收集到的建议，充分考虑该行业健康发展及鼓励新技术的创新后，进行归纳分析，妥善处理与相关法律法规、国家标准、测绘地理信息行业标准之间的关系，将标准内容进一步论证、补充和完善。