超轻型飞机搭载SWDC系列数字航摄仪的航空摄影测量一体化作业思路_百

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超轻型飞机搭载ＳＷＤＣ系列数字航摄仪的航空摄影测量一体化作业思路：袁路晴黄杰兰艳青郭德琨　５９　

超轻型飞机搭载ＳＷＤＣ系列数字航摄仪的　

航空摄影测量一体化作业思路　

袁路晴　黄　杰　兰艳青　郭德琨　

（１．中铁工程设计咨询集团有限公司，北京１０００２０；２．北京昊成雪域飞行器有限公司，北京ｌＯＯＯＯＯ）　

Ｗｏｒｋｉｎｇ　Ｔｈｏｕｇｈｔｓ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｅｒｉａｌ　Ｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙ　ｔｈｒｏｕｇｈ　

ＳＷＤＣ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｅｒｉａｌ　Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｅｒ　Ｌｏａｄｅｄ　ｉｎ　Ｌｉｇｈｔ　Ａｅｒｉａｌ　Ｐｌａｎｅ　

Ｙｕａｎ　Ｌｕｑｉｎｇ　Ｈｕａｎｇ　Ｊｉｅ　Ｌａｎ　Ｙａｎｑｉｎｇ　Ｇｕｏ　Ｄｅｋｕｎ　

摘要　归纳了航空数码相机和激光雷达系统在国内的应用现状，介绍了国产ＳＷＤＣ系列数字航　

摄仪与超轻型飞机、运５飞机的组合在航测生产中的应用情况，指出恰当地选择航空数码相机能提高铁　

路勘测设计的质量和效率。　

关键词ＳＷＤＣ系列数字航摄仪超轻型飞机铁路勘测设计　

１　航空数码相机简介　

不能等价理解为胶片相机的焦距，应该从计算高程精　

度出发算出数码相机的等效焦距：等效焦距＝数码相　

２０世纪９０年代初，机载数码相机、机载数码激光　

机标注焦距×２３０　ｍｍ／数码相机的　方向幅面尺寸，　

雷达在国外问世。这些设备主要由主机、惯性测量制　

其中２３０　ｍｍ为ＲＣ胶片相机的幅面尺寸，用它来作为　

导仪（ＩＭＵ）、导航定位系统（ＧＰＳ）、飞行计划和管理系　计算的标准幅面。　

统、空中数据采集和存储系统组成。　

②关于摄影比例尺、像元地面尺寸ＧＳＤ。胶片相机　

在航空摄影测量领域，用数码相机和激光雷达航　

的摄影比例尺，是由焦距（　）／航高（Ｈ）得来，数码相机　

摄作业完全取代光学航空摄影是历史的必然。我国目　

标注焦距相对于胶片相机要小的多，所以用ｆ／Ｈ计算的　

前也有近２０台航摄数码相机和激光雷达系统在应用，　

摄影比例尺非常小，与胶片相机没有可比性。由数码相　

处于刚起步阶段。国内使用的进口数码相机主要是：　

机得到的摄影比例尺在成图时的放大倍数比胶片相机　

Ｚ／Ｉ公司的ＤＭＣ、奥地利的ＵＣＤ、Ｌｅｉｃａ公司的ＡＤＳ４０　

要大２～３倍，这是由于相机像元尺寸间的比例关系引　

等。机载激光雷达为：Ｌｅｉｃａ公司的ＡＬＳ５０，加拿大　

起的。数码相机像元９　对应胶片相机数字化扫描后的　

Ｏｐｔｅｃｈ公司的ＡＬＴＭ３１００，德国ＩＧＩ公司与奥地利　

２５ｔｘ或２１　，胶片相机一般以３～６倍成图，数码相机以　

ＲＩＥＧＬ公司联合研制开发的ＬｉｔｅＭａｐｐｅｒ５６００等。国产　

６～１５倍成图。因此数码航摄国际统一使用ＧＳＤ　

自己研发的数码相机主要有：北京四维远见信息技术　

（Ｇｒｏｕｎｄ　Ｓａｍｐｌｅ　Ｄｉｓｔａｎｃｅ）概念，包括遥感影像。　

公司的ＳＷＤＣ系列数字航空摄影仪，中国科学院光电　

数码摄影时，以ＧＳＤ为出发点，由成图比例尺确　

技术研究所的彩色大面阵（８１０万像素）数字航测相　

定ＧＳＤ，进而确定航高。ＧＳＤ是图上０．１　ｍｍ代表的　

机，中测新图公司的ＬＡＲＳ一１低空数码遥感系统等。　

地面实际距离，即像元地面尺寸。　

这几年还有人用无人驾驶飞机装载小数码相机和视频　

航摄比例尺、成图比例尺与ＧＳＤ的对应关系如表　

信息分析系统对地面城镇、街区进行小面积航空摄影。　

１所示。　

航空数码相机与光学相机的几个主要不同之　

处是：　

表１　摄影比例尺、成图比例尺与ＧＳＤ的对应关系　

①关于数码相机的焦距。数码相机上标注的焦距　

摄影比例尺　成图比例尺　像元地面尺寸ＧＳＤ／ｃｍ　

ｌ：３Ｏｏ０　ｌ：５００　７～８　

牧稿日期：２００７—１０—１５　

ｌ：４Ｏｏ０　ｌ：ｌＯｏ０　１０　

第一作者简介：袁路晴（１９４９一），男，１９７０年毕业于中国民航飞行学院　

ｌ：８Ｏｏ０　ｌ：２Ｏｏ０　２０　

飞机驾驶专业，工程师。　

ｌ：３５０００　ｌ：１０Ｏｏ０　８３　

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铁道勘察　２００７年第６期　

③关于数码相机的像幅。很多人认为数码相机的　

焦平面尺寸小，会造成像幅过小，在同样条件下会产生　

较多的像对数。根据计算，光学摄影胶片若以２５　扫描　

的话在航空数字影像中并不大。对于实际应用来说，一　

个像对的面积大小可以算出一幅图有多少个模型。　

像对面积＝ＭＮ（１一航向重叠度）（１一旁向重叠度）　

其中，　为ｙ方向像元数，Ⅳ为　方向像元数，计　

算单位是ＧＳＤ　。　

由上面的公式可推算出大幅面数码相机的像对面　

积与胶片相机相当。为什么使用时有的数码相机时像　

对数会增多呢？这是因为此相机像元角小（等效焦距　

长），航摄飞行高度高，导致因天气或技术方面的延　

误，或高程精度达不到。这样就不得不降低航高摄影，　

导致摄影面积小，像对数增多。　

几款数码相机与ＲＥ光学相机的航摄指标比较如　

表２所示。　

表２数码相机与光学相机航摄指标比较　

＼

型号＼

指标　

　ｆ／ｍｉｌｌ　像元数　像元数　

８８　

１５２　

Ｙ方向　

９０００　

９０００　

方向　像元尺寸　

／ｌａ

ｍ　

，

像元角　

角／（。）　Ｋ＝Ｌｒ／Ｈ　角／（。）　比／（Ｂ／ｎ）　算的最大可能ＧＳＤ／ｅｍ　

１：３　５２０　

１：６０８０　

旁向视场　宽高比　航向视场　６ｏ％的基高　以最高航高５　０００Ｉｌｌ计　

１０４　

７３　

ＲＣ２３２３ｆ８８　

Ｒｃ２３２３ｆｌ５２　

９Ｏ００　

９Ｏ００　

２５　

２５　

２．６　

１．５　

１０４　

７３　

１．０　

０．５９　

１４２　

８２　

ＤＭＣ　

ＵＣＤ　

ＳＷＤＣ一４Ｂ５　

１２０　

１０１．４　

３５　

１３　８ｏｏ　

１１５００　

ｌ１　６３０　

７　６ｏｏ　

７　５ｏｏ　

８　５２Ｏ　

１２　

９　

９　

１：１０Ｏ００　

１：ｌ１　２６６　

１：３　８８９　

６９　

５４　

ｌ１２　

１．４　

１．０２　

３．０　

４２　

３７　

９５　

０．３　

０．２６６　

０．８７　

５０　

４４　

１２９　

由于国内对这项新技术认识方面的局限，在使用　

国外数码相机和激光雷达航空摄影作业时出现了一些　

教训和需要总结、探讨的地方，主要有：　

（１）雷达扫描摄影及国外部分数码相机的航摄飞　

角小的所需航高较高，对天气条件要求比较苛刻。最　

近某款进口数码相机做航摄飞行试验，由于受航高的　

限制，３个飞行日的工作量竟然用了半个多月的时间　

才完成。　

行精度完全依赖高精度的ＩＭＵ。高精度的ＩＭＵ进口　

困难，价位较高。每次飞行前都要做检校，检校场的外　

业工作量较大。还要在地面开ＧＰＳ基站和基站值守。　

这就是目前大家都说数码相机好，但就是没有马　

上把光学相机换掉而使用数码相机进行航空摄影的主　

要原因。另一个重要原因是：长期以来，航空摄影测量　

的技术是建立在光学摄影机的基础之上的，各测绘部　

国外使用ＩＭＵ航摄飞行主要用在中小比例尺测图时　

直接定向而不做空三加密。但国内在实践中发现不做　

空三在精度和视差方面都不稳定。另外，当飞行高度　

超过２　０００　ｍ后，ＩＭＵ的测量精度会显著下降。　

（２）雷达数据处理较麻烦。若保证制图效益和质　

量须有较好的数据处理软件，还要经过一定的生产实　

门都制定和沿用了一整套光学航空摄影测量成图的比　

较完善的内外业作业细则。因此测绘专业航空摄影由　

胶片时代向数码时代过渡不仅仅是更换相机，还要更　

新数据采编的手段和编制数码摄影测量作业规则。对　

比胶片相机，数码相机具有ＥＥＤ几何尺寸稳定，精度　

高，色彩丰富，成图周期短等优势，胶片摄影被数字摄　

影取代是科技发展的必然趋势。　

践摸索才能达到所需效果。　

（３）目前在国内使用的部分进Ｅｌ机载数码相机由　

于使用不当致使高程精度不能满足制作地形图的要　

求。因为这些数码相机的构造特点只能提供城镇正射　

２机载数码设备在铁路方面的使用优势　

恰当选择和使用数码航空摄影机能提高铁路勘测　

设计的质量和进度。　

影像资料，所以选择数码相机时一定要慎重。数码相　

机与胶片相机一样，他们的高程精度都是由基高比　

（摄影基线与航高的比值）决定的，基高比高的数码相　

机，在相同ＧＳＤ条件下，取得的高程精度要高。当数　

码相机高程精度不能满足要求时，只有采用降低航高，　

缩小ＧＳＤ的方法进行补救。但会使航拍后像对数增　

多、工作量增大。　

铁路勘测中制作大比例尺铁路设计施工图的关键　

是要求精准的地面高程精度。以往用光学相机进行航　

空摄影，为了工期，往往在天气很差的情况下航拍，结　

果航摄相片影像模糊、灰暗，影响测图精度。有时还因　

为等天气时间太长被迫取消航拍计划，而临时改用旧　

航片测图。因航飞年代不同，旧航片上的地形地物与　

实地不符，导致图的质量下降，还要投入大量人力进行　

现场补测和调绘。　

（４）外国机载数码相机和激光雷达设备价格昂　

贵，一般硬件价位在人民币１　０００～２　０００万元左右，且　

售后服务麻烦，收费较高。　

（５）像元角大的数码相机，在相同ＧＳＤ条件下，所　使用超轻型或轻小型飞机搭载数码相机进行铁路　

新线勘测设计航空摄影，能提高制图质量，缩短制图时　

需的航高较低，对天气条件要求比较宽松。反之，像元　

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超轻型飞机搭载ＳＷＤＣ系列数字航摄仪的航空摄影测量一体化作业思路：袁路晴黄杰兰艳青郭德琨　６１　

间，保证设计工期按时完成。我国正处于经济建设高　

速发展时期，地面由建筑施工、工业生产等原因。会产　

生很多烟雾升向空中。加之很多地区因地域关系阴雾　

天气较多。如果要求航摄飞行航高高于１　０００　ｍ以上　

就要等待合适的天气执行航拍，这对设计工期的按时　

完成会造成很大影响。如果选择短焦距（３５　ｍｍ、５０　

摄影自动定点曝光；通过精密ＧＰＳ辅助空三。飞行中　

不使用ＩＭＵ就可以达到很高的精度，避开了购买使用　

ＩＭＵ的一些难题，并使航摄外业的工作量减少；ＳＷＤＣ　

具有较强的数据处理软件功能，可直接与国产ＪＸ４、空　

三加密等软件接轨，价格不到国外同类产品的二分之　

一

。

相机原机为Ｈａｓｓｅｌ　ｂｌａｄ，经过设计、组装、加固和　

相机的主要数据和性能：　

ｍｍ）的国产数码相机ＳＷＤＣ就可以获得大的ＧＳＤ（像　

元的地面尺寸），也就是小的摄影比例尺航拍。由于　

检校后，成为ＳＷＤＣ系列数字航空摄影仪。　

此相机角像元（ＣＣＤ尺寸除以焦距）比其他数码相机　

大一倍，所以在同样的成图比例尺条件下，航高可以降　

低一倍，有利于争取飞行天气，节省等天气的时间和费　

用。数码相机还可以调整感光度，在不大于１　０００　ｍ高　

度的云下、阴天、轻雾等天气条件下飞行，经过图像预　

处理获得合格的影像。由于航高低、ＣＣＤ动态范围　

宽，ＳＷＤＣ用于铁路勘测航空摄影对飞行天气的要求　

大大低于传统光学相机和进口数码相机。加之基高比　

大，高程测量精度高，技术优势明显。　

机载激光雷达系统也可用于铁路勘测设计航空摄　

影。激光雷达航空摄影受天气影响较小，因为激光脉　

冲不易受阴影、云层和太阳角度的影响，故机载激光雷　

达技术在一般情况下能为铁路设计提供适时的线路范　

围三维地形、地物数据及数码影像，以及精度较高的地　

面高程模型ＤＥＭ，为铁路设计用图和施工土方量的计　

算提供影像数据。雷达数码扫描飞行用于铁路的具体　

操作及雷达数据的编辑处理作业工艺还需要在生产实　

践中摸索。　

３极限超轻型飞机搭载ＳＷＤＣ系列数字航摄　

仪是航空摄影测量一体化作业的新思路　

３．１　ＳＷＤＣ系列数字航摄仪　

在国家测绘局“十五”攻关，科技部创新基金支持　

下，在一些测绘专家、航空摄影爱好者的带动下，开展　

了国产数码航空摄影机的研制。其中北京四维远见信　

息技术公司开发的ＳＷＤＣ系列数字航空摄影仪，是引　

进消化吸收再创新的成功典范，是在总结了国内外数　

码相机的优缺点之后而研制成功的。　

２００７年５月３０日，自主研发、具有自主知识产权　

的国产数字航空摄影仪ＳＷＤＣ系列产品通过了产品　

鉴定。鉴定专家一致认为，国产数字航空摄影仪　

（ＳＷＤＣ）系列产品作为空问信息获取与更新的重要技　

术手段，填补了国内空白，高程精度指标达到同类产品　

的国际领先水平，整体技术指标达到国际先进水平。　

ＳＷＤＣ相机镜头可更换（三组），幅面大、视场角　

大、基高比大、高程精度高（达Ｉ／１００００）；能实现空中　

焦距为３５　ｍｍ、５０　ｍｍ、８０　ｍｍ。　

光圈为３．５～３２。　

感光度为５０／１００／２００／４００。　

快门为１—１／８００　ｓ，连续曝光最小时间间隔为　

２．５　ｓ。　

像元数为１３　Ｋ×１１　Ｋ、１１　Ｋ×８　Ｋ，像素尺寸为６．８　

ｍ、９　ｍ。　

畸变小于２　ｍ。　

像元角为１／３　８８８、１／５　５５５、１／８　８８８。　

旁向视场角为１１２。、９１。、５９。，测量型ＧＰＳ接收　

机、数字罗盘、航空摄影管理计算机、地面后处理计　

算机。　

相机所用软件：　

飞行设计软件、飞行控制管理软件、影像拼接及摄　

影质量分析软件、影像匀光匀色软件、ＧＰＳ辅助数码空　

三加密软件。　

航空影像数字摄影测量工作站ＪＸ４。　

ＧＰＳ单点定位技术ＰＰＰ。　

相机最佳搭载飞行器：　

航高１　０００　ｍ以下，时速１００～１５０　ｋｍ时使用蜜蜂　

３Ｃ改装的超轻型飞机。航高１　５００　ｍ以上，时速２００～　

３００　ｋｍ时使用运５飞机较好。　

ＳＷＤＣ相机已完成任务的精度情况如表３所示。　

ＳＷＤＣ的技术特点：　

①角分辨率大，飞行高度低，是同样地面分辨率国　

外航空数码相机航高的１／２～１／３，无需带氧气飞行。　

②航高低、ＣＣＤ动态范围宽，在云下和轻雾天可　

调高感光度拍摄，对飞行天气的要求大大低于传统　

相机。　

③超轻型和轻型飞机可以在测区内部利用草地，　

公路就地起飞，成本低。特别是国家放开１　０００　Ｉｎ以下　

空域时，这类飞行器的吸引力更大。　

④采用ＧＰＳ定点曝光，用专用软件检查航飞区域　

内是否有漏洞，当时就能进行定点补拍。　

⑤大的基高比，在相同地面分辨率情况下，比国外　

数码相机高程精度高。　

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６２　铁道勘察　２００７年第６期　

表３　ＳＷＤＣ系列相机已完成的任务的精度统计　

时间　２００５年ｌ０月　２００６年４月　２００６年５月　２００６年７月　２００６年ｌ２月　

地点　

ＧｓＤ，ｃｍ　

乌兰布统（平坦）　

２２　

焦作（平坦）　

ｌ３　

沁阳（平坦）　

８　

宜宾（山区）　

５６　

北京郊区（平坦）　

１０　

面　ｋｍ２　３２　５３０　３０　２　８２９　４０　

总片数　

所用相机　

相对航高　

１７５　４５６７　５４６　ｌ　１５０　ｌ８０　

ＳＷＤＣ一１窄像对飞行５３５　ＳＷＤＣ一２窄像对飞行５３５　ＳＷＤＣ一２窄像对飞行５３５　ＳＷＤＣ一２窄像对飞行５３５　ＳＷＤＣ一４窄像对飞行５５０　

蜜蜂３Ｃ／８５０　ｒａ　蜜蜂３Ｃ／４８０　ｒａ　蜜蜂３Ｃ／３２０　ｒａ　运５／２２００　ｒａ　蜜蜂３Ｃ，／５５０　ｒａ　

飞机型号及　

ＧＰＳ辅助空　２４条基线加构架航线，　基本航线４条，在２５根　基本航线７条，在２ｌ根　２５条基线飞构架航线，　６条航线，在ｌ３根基线　

三的定向点　基本航线５条，四角布定　基线处布一排平高定向　基线处布一排平高定向　基本航线４条，控制点４　处布２排平高定向点代　

的检查点布　向点４个，２４个检查点　点代替构架航线，在最弱　点代替构架航线，在最弱　个分布在４角，检查点　替构架航线，检查点４２　

设情况　均匀分布　处布检查点一排３个　处布检查点一排５个　４７个均匀分布　个均匀分布　

ＧＰＳ辅助　

空三检　

查点中　

平面１６．５　

高程１８．５　

１４．１　

ｌ０．４　

ｌ３．８　

４．６　

５．２　

１０．９　

５７．３　

７２．９　

７１．９　

７．１　

７．４　

４．８　

误差／ｃｍ　

⑥可更换镜头。这样就可以用同一套数字后背配　

不同的镜筒、镜头，实现长焦、短焦的更换，可解决大城　

市的高楼投影差问题。　

⑦接近方形的影像（１１：８），与传统照片形状相　

的航空摄影测量任务。　

机动灵活的性能决定了极限飞机是多用途的轻型　

飞行器，它能执行航空摄影测量、专业摄像、空中拍照、　

监测等多项通用航空业务，且销售价格非常便宜。　

作为国内大飞机航空摄影生产的补充，昊成公司　

似，符合作业员习惯。　

⑧内置双频ＧＰＳ接收机。利用该接收机可实现　

高精度定点曝光，并记录曝光时刻的位置数据（投影　

中心精确坐标），为ＧＰＳ辅助空三提供原始数据，可以　

大量节省外业控制点。　

（￣）ＳＷＤＣ一４也可以装在超轻型飞机上，可以无摄　

影员全自动曝光。　

的航摄方式更具有中国特色，它更适于城镇、铁路公　

路、西北高原地区、南方阴雾天气及中小地区的航空摄　

影作业。　

数码航空摄影测量作业工序：①数码相机航空摄　

影；②打印调绘相片；③ＧＰＳ测量、调绘；④空三加密；　

（￣）ＳＷＤＣ一４由于有电子磁罗盘和摄像双重控制，　

加上电动Ｋ旋转，使其影像的Ｋ角较小。　

⑤数字化测图和编辑；⑥建立数据库、出图。　

航测部门自己装备国产高性能、低价位的ＳＷＤＣ　

系列数字航空摄影仪和超轻型飞机或运５飞机，把航　

测生产作业延伸到空中：手持ＧＰＳ布地标，ＧＰＳ定点　

导航型数码航拍，自动相关软件检查航向旁向漏洞，　

ＧＰＳ定点补拍，ＲＴＫ像控点测量，空三加密，ＪＸ４测编　

地形图，正射影像制作，均依次完成。实现从航空摄影　

⑩价格低，重量轻，自主软件免费升级，反应及时　

的售后服务。　

３．２　昊成雪域公司的超轻型飞机　

该机采用北京昊成雪域飞行器技术有限公司的专　

项技术，是北京航空界的专家为满足青藏高原高海拔　

这一特殊需求而专门设计改装的小型航空摄影专用飞　

机，于２０００年设计成功，２００２年１０月在西藏安多（海　

拔４　７００余ｍ）试飞成功。它是国内惟一能在海拔５　０００　

到制图完成的全工序操作，符合测绘市场竞争规律，缩　

短成图周期，加快向国家建设提供基础数据和空间信　

息的速度。　

参

２００５，３１（３）　

考文献　

ｉｎ以上的高原上直接任意起降、并可进行超低空飞行　

（相对高度２～２００　ｍ）的轻型飞行器。２００２年至２００４　

年，极限一号飞机对建设中的青藏铁路二期工程（青　

海格尔木一西藏拉萨段）进行了航空摄影和摄像，飞　

机起飞平均海拔４　５００　ｉｎ以上，最高起飞海拔５　０７２　ｉｎ　

（唐古拉火车站）。极限飞机在青藏铁路的航摄成果　

得到铁道部领导的好评，其中部分摄像、影像资料于　

［１］　李寿兵．航测遥感技术在运营铁路管理上的应用［Ｊ］．铁道勘察，　

［２　３　甄春相．遥感技术在铁路勘测中的作用［Ｊ］．铁路航测，２ｏｏｏ（４）　

［３］张金龙，韩金玉．铁路工务航复测信息管理系统的研究开发［Ｊ］．　

铁道勘察，２００４，３Ｏ（２）：１５—１８　

［４　３铁道部专业设计院航测处．铁路航空勘测［Ｍ］．北京：中国铁道出　

版社，１９８５　

［５］袁路晴，潘学英．航空数码摄影系统的应用与展望［Ｊ］．铁道勘察，　

２ＯＯ４，３Ｏ（５）　

２００６年青藏铁路通车之际已在中央电视台等媒体播　

放。此飞机在技术上具有可靠、安全和对高原条件的　

适应性，它可以在全国任何地方起降和执行各种地形　

［６］　胡志贵，韩改新．航测遥感技术在铁路建设中的应用与开发［Ｊ］．　

铁道勘察，２００６，３２（５）