基于ADS40的线阵摄影测量及数据处理
1、引言
ADS40基于航天传感器线阵扫描和全球定位系统、IMU复合姿态测量技术获取数字影像，利用该传感器进行航空摄影，不需经过扫描，就可以直接为数字摄影测量、遥感图像处理系统提供高分辨率的全色、真彩色、近红外数字影像。
ADS40的应用意味着摄影测量领域从工序、技术、流程、软件、装备、方法、规范的重大变革，在对传感器件、飞行规划、空中摄影、空三测量、影像纠正、编辑成图各技术环节进行深入研究的过程中，笔者积累了丰富经验，这里仅对部分关键技术环节进行了探讨与总结。
2、航空摄影规划及摄影飞行
在正式进行航空摄影作业之前，需要制定详细周密的航空摄影方案，具体包括：建立GPS基准站、飞行区域资料准备、地面控制、相机检校飞行、飞行参数设置、航线规划等。
2.1建立GPS基准站
为了保证POS系统的定位精度，在摄影测量之前，首先需要在测区附近（最远端必须小于50公里）建立两个以上GPS基准站，基准站上架设高精度GPS信号接收机，该接收机与机载POS设备同步记录。GPS基准站的布设原则如下：
►远离大功率无线电发射源（如电台、电视塔、微波中继站等），距高压输电线和无线电信号传输通道距离不得小于50米；
►基准站附近交通、通讯、供电条件良好，便于联络、充电、数据传输；
►基准站设立地点安全稳定，不易被人偷盗、毁坏、摇动，不会在短时间内因拆迁、规划而发生变动；
►基准站符合GPS控制测量要求，最好布设在已知GPS点；
►基准站符合GPS控制测量要求，最好布设在已知GPS点；
如果基准站架设在已知大地控制点，可直接利用控制点数据进行地面处理计算，如果架设在未知控制点，需要对基准站进行联测。
2.2飞行区域数据准备
飞行区域数据准备主要包括资料收集和资料处理。具体就是收集摄影区域的地图资料，如果资料非数据格式，一般需要进行扫描栅格化。矢量电子地图一般需要进行格式转换，转换为PI40能够接受的数据格式。DXF格式，bmp或jpg格式的栅格地图PI40直接可以载入。
在地图数据载入过程中，一般需要输入3个以上定向点，定向点的输入格式很多，最常用的是经纬度输入，输入时需要特别注意，输入的度分秒或度分格式必须完全一致，否则，会对成果的检查管理带来很大麻烦，甚至造成窝工、返工等重大损失。
2.3航线设计
为了最大程度地降低飞行成本并充分保证飞行质量的精确有效，在飞行之前需要对摄影范围进行有效的GPS地面预控制。GPS地面预控制就是用GPS获取任务区域外围拐点经纬度坐标数据，将该数据文件用于飞行线路设计，从而获得符合任务要求的飞行初始数据。
为了保证飞行区域的完整性，GPS地面预控制行驶路线应将航摄区域完整包含，在部分不能通行区域，点位需要改正或外扩，如果不得已情况下的内扩数据一定要改正到区域以外。利用手持GPS记录区域边界GPS数据，然后利用相关航线设计程序生成航线拐点数据输入CU40。航线图形与数据如下：
1,(108.868801464757E,35.39191273863176N)
2,(108.70936395147E,35.23250657418875N)
3,(108.70936395147E,35.23250657418875N)
4,(108.897957151863E,35.42104782539222N)
5,(108.897957151863E,35.42104782539222N)
6,(108.698705108423E,35.22184501398893N)
7,(108.698705108423E,35.22184501398893N)
8,(108.895618313426E,35.41871081196999N)
9,(108.893279492962E,35.41637378635656N)
10,(108.702175275975E,35.22531613134797N)
11,(108.707194995781E,35.23033711373424N)
12,(108.883513116553E,35.40661457942801N)
13,(108.870919692079E,35.39402962643595N)
14,(108.713418491363E,35.23656199159723N)
15,(108.727679501858E,35.25082540336999N)
16,(108.850072988547E,35.37319503921493N)
图1 航线图形 图2 航线数据
2.4航空摄影飞行
在飞机进驻起降场之后，首先需要对ADS40相机、POS系统、控制设备进行安装、连接、通电调试，注意事项如下：
►各电源开关按要求开启或关闭；
►GPS天线无遮挡；
►设备指示灯指示正常；
►MM40旧文件清楚彻底；
►测定GPS/IMU天线中心偏心分量；
起飞前，通知基准站开启接收机，然后POS记录5—10分钟静态GPS数据，进行测量初始化和IMU姿态置平初始化，飞机启动后，在停机坪等待
在飞机进入测区之前和退出测区之后，要求飞行倒“8”或“S”形状消除IMU累积误差。飞行倒“8”或“S”形状的位置要求距离基准站小于20公里。
3、地面数据处理
ADS40影像处理的基本流程：
◆从MM存储器下载原始影像文件和POS数据文件；
◆GPS/IMU数据处理（POSPac软件）；
◆建立有地面控制支持的L0级原始影像文件；
◆将L0影像纠正到某一个高程的特点平面，生成立体观测的L1级影像；
◆运行自动点量测（APM）工具，寻找影像的同名点；
◆L1级影像的数字空中三角测量（ORIMA）；
◆用LPS生成DTM；
◆用DTM纠正影像，生成L2级影像；
◆用DPW量测道路、河流、居民地、管线等地物要素；
◆用采集编辑软件基于正射影像进行地图编辑及入库处理；
◆地图出版或利用DEM、DOM、DLG创建三维
图3
GPro软件是ADS 40的前期地面处理软件，其中包括使用ORIMA、POSPAC，主要用于下载数据和处理ADS 40的影像数据。ADS 40的原始影像需要经过一系列的图像处理才能应用于后续的工作，才能把ADS 40 影像转变为标准的正射影像。
Gpro软件主要用于L0级、L1级影像的处理，ADS40影像需要经过一系列处理才能适用于后续工作，才能转变为标准正射纠正的影像文件。
Gpro软件可以完成的工作包括：数据下载、解压为L0级影像、将L0影像纠正到某一个高程的特点平面成为L1级影像、自动点量测量AMP。
Gpro工具包括CCD校正曲线编辑器、校正曲线、直方图、外方位元素绘图、MM分析工具。
利用GPro3.1.1进行ADS 40 影像处理的基本流程：
◆工程参数设置
◆从MM数据存储单元中下载原始影像文件（Downloading Raw Imagery）
◆建立工作空间（Creat A New Workspace）
◆从MM数据存储单元中下载GPS/IMU数据文件（Downloading GPS/IMU Data）GPS/IMU数据处理（POSPac软件）
◆建立有地面控制的L0级原始影像文件（Adding Files to a Project）
◆影像纠正（Rectifying Imagery）：将L0影像纠正到某一个高程平面，生成L1级影像
◆运行自动点量测工具（APM）
◆用DTM纠正影像，生成L2级影像（Orthorectifying Imagery with a DTM and Creating a Level 2 Image）
3.2 基于POSPac的GPS/IMU数据处理
ADS40依赖POS进行定位和测姿，POS是Applanix公司的Position and Orientation System的缩写，即定位与定姿系统。POS动态数据计算是对多源传感器所获取的传感器数据源进行加工计算，提供高精度、实时显示和方位信息记录的数据。多源传感器主要是指GPS、陀螺仪、加速度计、距离测量指示器DMI和其他相关设备。
Pospac是专门用来处理ADS40机载GPS和IMU数据的POS数据后处理软件包。Pospac可以完成机载GPS和地面GPS的差分处理，同时还可以进行航摄资料的前期检查和分析，在ADS 40 的数据处理中，占有很重要的位置。POSPac集成了软件工具的组件，主要针对从POS计算机设备中原始数据进行数据提取与数据处理。POSPac软件工具能够识别传感器误差、环境误差、并且补偿传感器误差、环境误差的影响，计算最优的、精确的组合导航解算结果，提供查看计算结果的多种格式和方法。
POSPac主要用于将机载动态GPS数据、摄影姿态数据与地面基站静态GPS数据进行组合计算处理，从而提高动态GPS数据精度，并通过GPS与IMU的相互解算，将定位和测姿精度控制在测量误差允许范围。
在组合计算之前，要求把远程站GPS动态数据与地面站静态数据转换为相同文件格式（*.gpb），转换完成后，将动态数据与地面站静态数据建立相互关联，修改原始的远程站GPS数据，创建一个新的、更加准确的GPS数据，该数据精确完整地描述了GPS数据相位中心。
POSProc是将GPS导航数据和惯性导航数据进行有效解算和进行轨迹光滑的关键模块。POSPro将多种同步观测量相互比较补偿GPS数据的误差；等效信息的同步观测量彼此相互接近但不完全一致，通过选择滤波参数和参数控制。POSProc处理这些同步观测数据消除了观测数据的不一致性、改正了误差、改正了相位中心与组合结果，增加了数据的精确性，提高了可靠性。
POSProc能自动识别已经提取数据中IMU参数、GPS参数、辅助传感器参数，记录了UTC时间坐标、GPS时间类型、偏心矢量、IMU轴线偏差姿态角度值。
3.3 基于ORIMA的数字空中三角测量
ORIMA是ADS40的数字空中三角测量模块，其中自动点量测APM是空中三角测量的关键，数字空中三角测量包括有控、无控、人工量测等多种方式，ORIMA数据管理是基于工程项目的数据管理结构，数据存储在工程目录中，目录与工程文件具有相同位置。大部分数据文件是ASCII文本文件，相机文件是具有多个相机的（*.cam）文件，地面控制文件是（*.dat）文件，像坐标是（*.mea）文件，外方位元素是（*.ori）文件，GPS天线中心坐标是（*.gps）文件，天线定向角度是（*.imu）文件。
基于ORIMA的数字空中三角测量具体过程包括：数据输入、运行自动点量测APM、空间前方交会、自由平差、运行CAP-A、分析CAP-A计算结果、增加连接点、行成定向参数。
3.4 基于LPS的立体测图
LPS软件是莱卡公司在EDRAS IMAGE平台上开发的测图软件，可以对ADS40数据、Quick Bird数据、传统框幅式相机的数据进行处理，具有完善的功能。主要包括：内定向，外定向，自动生成连接点，量测地面控制点，空中三角测量，自动生成DTM，立体观测、DTM编辑，正射影像制作，影像拼接，地形图编辑等。
3.5基于Microstation的编辑成图
Microstation是Bently公司开发的第三方软件，该软件兼容各种常用数据格式，具有强大的数据转换、地图编辑功能，而且具有较好的二次开发功能。
基于Microstation的编辑成图主要是对地物要素进行地图符号化和印前处理，具体实现内容较多。为了保证地图精度和图面美观，居民地需要直角化，河流和等高线需要线光滑，居民地、植被等面状要素需要进行面填冲，为了实现自动面填充，首先需要将面状地物进行闭合处理，并在面内放置面状符号标识符。地图编辑要严格遵循图例规范的具体要求，编辑结束后可以进行数据入库、图幅整饰、格式转换、分版处理、地图印刷等工作。
4、结束语
ADS40突破了全数字摄影测量领域数据获取阶段方式落后的关键瓶颈，该设备的生产应用是摄影测量领域的重大变革。由于测量方式、手段、分工、成果、坐标系、投影等具体情况与国外的不同，照搬国外生产技术方案不能完全解决我们生产实践中的具体问题，本文仅对我们生产应用中的流程方法进行了总结，随着生产应用的深入开展，摄影测量将全面呈现崭新的时代。
ADS40基于航天传感器线阵扫描和全球定位系统、IMU复合姿态测量技术获取数字影像，利用该传感器进行航空摄影，不需经过扫描，就可以直接为数字摄影测量、遥感图像处理系统提供高分辨率的全色、真彩色、近红外数字影像。
ADS40的应用意味着摄影测量领域从工序、技术、流程、软件、装备、方法、规范的重大变革，在对传感器件、飞行规划、空中摄影、空三测量、影像纠正、编辑成图各技术环节进行深入研究的过程中，笔者积累了丰富经验，这里仅对部分关键技术环节进行了探讨与总结。
2、航空摄影规划及摄影飞行
在正式进行航空摄影作业之前，需要制定详细周密的航空摄影方案，具体包括：建立GPS基准站、飞行区域资料准备、地面控制、相机检校飞行、飞行参数设置、航线规划等。
2.1建立GPS基准站
为了保证POS系统的定位精度，在摄影测量之前，首先需要在测区附近（最远端必须小于50公里）建立两个以上GPS基准站，基准站上架设高精度GPS信号接收机，该接收机与机载POS设备同步记录。GPS基准站的布设原则如下：
►远离大功率无线电发射源（如电台、电视塔、微波中继站等），距高压输电线和无线电信号传输通道距离不得小于50米；
►基准站附近交通、通讯、供电条件良好，便于联络、充电、数据传输；
►基准站设立地点安全稳定，不易被人偷盗、毁坏、摇动，不会在短时间内因拆迁、规划而发生变动；
►基准站符合GPS控制测量要求，最好布设在已知GPS点；
►基准站符合GPS控制测量要求，最好布设在已知GPS点；
如果基准站架设在已知大地控制点，可直接利用控制点数据进行地面处理计算，如果架设在未知控制点，需要对基准站进行联测。
2.2飞行区域数据准备
飞行区域数据准备主要包括资料收集和资料处理。具体就是收集摄影区域的地图资料，如果资料非数据格式，一般需要进行扫描栅格化。矢量电子地图一般需要进行格式转换，转换为PI40能够接受的数据格式。DXF格式，bmp或jpg格式的栅格地图PI40直接可以载入。
在地图数据载入过程中，一般需要输入3个以上定向点，定向点的输入格式很多，最常用的是经纬度输入，输入时需要特别注意，输入的度分秒或度分格式必须完全一致，否则，会对成果的检查管理带来很大麻烦，甚至造成窝工、返工等重大损失。
2.3航线设计
为了最大程度地降低飞行成本并充分保证飞行质量的精确有效，在飞行之前需要对摄影范围进行有效的GPS地面预控制。GPS地面预控制就是用GPS获取任务区域外围拐点经纬度坐标数据，将该数据文件用于飞行线路设计，从而获得符合任务要求的飞行初始数据。
为了保证飞行区域的完整性，GPS地面预控制行驶路线应将航摄区域完整包含，在部分不能通行区域，点位需要改正或外扩，如果不得已情况下的内扩数据一定要改正到区域以外。利用手持GPS记录区域边界GPS数据，然后利用相关航线设计程序生成航线拐点数据输入CU40。航线图形与数据如下：
1,(108.868801464757E,35.39191273863176N)
2,(108.70936395147E,35.23250657418875N)
3,(108.70936395147E,35.23250657418875N)
4,(108.897957151863E,35.42104782539222N)
5,(108.897957151863E,35.42104782539222N)
6,(108.698705108423E,35.22184501398893N)
7,(108.698705108423E,35.22184501398893N)
8,(108.895618313426E,35.41871081196999N)
9,(108.893279492962E,35.41637378635656N)
10,(108.702175275975E,35.22531613134797N)
11,(108.707194995781E,35.23033711373424N)
12,(108.883513116553E,35.40661457942801N)
13,(108.870919692079E,35.39402962643595N)
14,(108.713418491363E,35.23656199159723N)
15,(108.727679501858E,35.25082540336999N)
16,(108.850072988547E,35.37319503921493N)
图1 航线图形 图2 航线数据
2.4航空摄影飞行
在飞机进驻起降场之后，首先需要对ADS40相机、POS系统、控制设备进行安装、连接、通电调试，注意事项如下：
►各电源开关按要求开启或关闭；
►GPS天线无遮挡；
►设备指示灯指示正常；
►MM40旧文件清楚彻底；
►测定GPS/IMU天线中心偏心分量；
起飞前，通知基准站开启接收机，然后POS记录5—10分钟静态GPS数据，进行测量初始化和IMU姿态置平初始化，飞机启动后，在停机坪等待
在飞机进入测区之前和退出测区之后，要求飞行倒“8”或“S”形状消除IMU累积误差。飞行倒“8”或“S”形状的位置要求距离基准站小于20公里。
3、地面数据处理
ADS40影像处理的基本流程：
◆从MM存储器下载原始影像文件和POS数据文件；
◆GPS/IMU数据处理（POSPac软件）；
◆建立有地面控制支持的L0级原始影像文件；
◆将L0影像纠正到某一个高程的特点平面，生成立体观测的L1级影像；
◆运行自动点量测（APM）工具，寻找影像的同名点；
◆L1级影像的数字空中三角测量（ORIMA）；
◆用LPS生成DTM；
◆用DTM纠正影像，生成L2级影像；
◆用DPW量测道路、河流、居民地、管线等地物要素；
◆用采集编辑软件基于正射影像进行地图编辑及入库处理；
◆地图出版或利用DEM、DOM、DLG创建三维
图3
ADS40数据处理流程
3.1 基于Gpro的影像数据处理GPro软件是ADS 40的前期地面处理软件，其中包括使用ORIMA、POSPAC，主要用于下载数据和处理ADS 40的影像数据。ADS 40的原始影像需要经过一系列的图像处理才能应用于后续的工作，才能把ADS 40 影像转变为标准的正射影像。
Gpro软件主要用于L0级、L1级影像的处理，ADS40影像需要经过一系列处理才能适用于后续工作，才能转变为标准正射纠正的影像文件。
Gpro软件可以完成的工作包括：数据下载、解压为L0级影像、将L0影像纠正到某一个高程的特点平面成为L1级影像、自动点量测量AMP。
Gpro工具包括CCD校正曲线编辑器、校正曲线、直方图、外方位元素绘图、MM分析工具。
利用GPro3.1.1进行ADS 40 影像处理的基本流程：
◆工程参数设置
◆从MM数据存储单元中下载原始影像文件（Downloading Raw Imagery）
◆建立工作空间（Creat A New Workspace）
◆从MM数据存储单元中下载GPS/IMU数据文件（Downloading GPS/IMU Data）GPS/IMU数据处理（POSPac软件）
◆建立有地面控制的L0级原始影像文件（Adding Files to a Project）
◆影像纠正（Rectifying Imagery）：将L0影像纠正到某一个高程平面，生成L1级影像
◆运行自动点量测工具（APM）
◆用DTM纠正影像，生成L2级影像（Orthorectifying Imagery with a DTM and Creating a Level 2 Image）
3.2 基于POSPac的GPS/IMU数据处理
ADS40依赖POS进行定位和测姿，POS是Applanix公司的Position and Orientation System的缩写，即定位与定姿系统。POS动态数据计算是对多源传感器所获取的传感器数据源进行加工计算，提供高精度、实时显示和方位信息记录的数据。多源传感器主要是指GPS、陀螺仪、加速度计、距离测量指示器DMI和其他相关设备。
Pospac是专门用来处理ADS40机载GPS和IMU数据的POS数据后处理软件包。Pospac可以完成机载GPS和地面GPS的差分处理，同时还可以进行航摄资料的前期检查和分析，在ADS 40 的数据处理中，占有很重要的位置。POSPac集成了软件工具的组件，主要针对从POS计算机设备中原始数据进行数据提取与数据处理。POSPac软件工具能够识别传感器误差、环境误差、并且补偿传感器误差、环境误差的影响，计算最优的、精确的组合导航解算结果，提供查看计算结果的多种格式和方法。
POSPac主要用于将机载动态GPS数据、摄影姿态数据与地面基站静态GPS数据进行组合计算处理，从而提高动态GPS数据精度，并通过GPS与IMU的相互解算，将定位和测姿精度控制在测量误差允许范围。
在组合计算之前，要求把远程站GPS动态数据与地面站静态数据转换为相同文件格式（*.gpb），转换完成后，将动态数据与地面站静态数据建立相互关联，修改原始的远程站GPS数据，创建一个新的、更加准确的GPS数据，该数据精确完整地描述了GPS数据相位中心。
POSProc是将GPS导航数据和惯性导航数据进行有效解算和进行轨迹光滑的关键模块。POSPro将多种同步观测量相互比较补偿GPS数据的误差；等效信息的同步观测量彼此相互接近但不完全一致，通过选择滤波参数和参数控制。POSProc处理这些同步观测数据消除了观测数据的不一致性、改正了误差、改正了相位中心与组合结果，增加了数据的精确性，提高了可靠性。
POSProc能自动识别已经提取数据中IMU参数、GPS参数、辅助传感器参数，记录了UTC时间坐标、GPS时间类型、偏心矢量、IMU轴线偏差姿态角度值。
3.3 基于ORIMA的数字空中三角测量
ORIMA是ADS40的数字空中三角测量模块，其中自动点量测APM是空中三角测量的关键，数字空中三角测量包括有控、无控、人工量测等多种方式，ORIMA数据管理是基于工程项目的数据管理结构，数据存储在工程目录中，目录与工程文件具有相同位置。大部分数据文件是ASCII文本文件，相机文件是具有多个相机的（*.cam）文件，地面控制文件是（*.dat）文件，像坐标是（*.mea）文件，外方位元素是（*.ori）文件，GPS天线中心坐标是（*.gps）文件，天线定向角度是（*.imu）文件。
基于ORIMA的数字空中三角测量具体过程包括：数据输入、运行自动点量测APM、空间前方交会、自由平差、运行CAP-A、分析CAP-A计算结果、增加连接点、行成定向参数。
3.4 基于LPS的立体测图
LPS软件是莱卡公司在EDRAS IMAGE平台上开发的测图软件，可以对ADS40数据、Quick Bird数据、传统框幅式相机的数据进行处理，具有完善的功能。主要包括：内定向，外定向，自动生成连接点，量测地面控制点，空中三角测量，自动生成DTM，立体观测、DTM编辑，正射影像制作，影像拼接，地形图编辑等。
3.5基于Microstation的编辑成图
Microstation是Bently公司开发的第三方软件，该软件兼容各种常用数据格式，具有强大的数据转换、地图编辑功能，而且具有较好的二次开发功能。
基于Microstation的编辑成图主要是对地物要素进行地图符号化和印前处理，具体实现内容较多。为了保证地图精度和图面美观，居民地需要直角化，河流和等高线需要线光滑，居民地、植被等面状要素需要进行面填冲，为了实现自动面填充，首先需要将面状地物进行闭合处理，并在面内放置面状符号标识符。地图编辑要严格遵循图例规范的具体要求，编辑结束后可以进行数据入库、图幅整饰、格式转换、分版处理、地图印刷等工作。
4、结束语
ADS40突破了全数字摄影测量领域数据获取阶段方式落后的关键瓶颈，该设备的生产应用是摄影测量领域的重大变革。由于测量方式、手段、分工、成果、坐标系、投影等具体情况与国外的不同，照搬国外生产技术方案不能完全解决我们生产实践中的具体问题，本文仅对我们生产应用中的流程方法进行了总结，随着生产应用的深入开展，摄影测量将全面呈现崭新的时代。