傳統(tǒng)航空攝影均是垂直攝影，在拍攝瞬間相機(jī)主光軸垂直于目標(biāo)物頂部，以方便獲取地面目標(biāo)物頂部的影像信息，航攝成果多以制作正射影像圖為主要用途。但是因其不具備獲取建筑物側(cè)面紋理的能力，因此無法滿足實景三維影像圖的生產(chǎn)需要。與傳統(tǒng)垂直攝影的影像相比，傾斜影像相機(jī)主光軸與鉛垂線呈一定夾角，一次航空攝影既能獲取目標(biāo)物頂部的信息，也能獲取建筑物側(cè)面的紋理信息，是制作高精度、高逼真、可量測三維實景影像的主要技術(shù)手段，具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，傾斜航空攝影技術(shù)已經(jīng)在國家基礎(chǔ)航空攝影項目中成功應(yīng)用，有關(guān)企業(yè)利用多款傾斜航空攝影裝備獲取了多個城市地區(qū)的傾斜航空影像。

現(xiàn)階段，由于缺乏傾斜航空攝影及成果質(zhì)量檢驗的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，傾斜航空攝影技術(shù)設(shè)計、質(zhì)量檢驗主要參考框幅式航空攝影的相關(guān)規(guī)范，不僅無法體現(xiàn)傾斜航空攝影的技術(shù)特點，而且有些重要的技術(shù)指標(biāo)兩者有著很大區(qū)別，不能替代。因此，如何開展傾斜航空攝影技術(shù)設(shè)計，如何檢查傾斜航空攝影影像質(zhì)量，如何進(jìn)行傾斜影像的資料整理，成為當(dāng)前急需解決的問題。

本文針對傾斜航空攝影的技術(shù)特點，以5鏡頭傾斜航空攝影為例，深入分析傾斜航空攝影數(shù)碼相機(jī)的有關(guān)問題，闡述傾斜航空攝影技術(shù)設(shè)計，重點分析傾斜航空影像質(zhì)量檢查的內(nèi)容與指標(biāo)要求，并提出傾斜航空影像資料整理的建議。

傾斜航空攝影數(shù)碼相機(jī)的有關(guān)問題

1 數(shù)碼相機(jī)相對位置

傾斜航攝儀集成一個下視相機(jī)和多個傾斜相機(jī)，中央一個垂直對地觀測，獲取垂直影像，于該相機(jī)4個正交方位分別以一定的傾角放置一個相機(jī)。

由于傾斜航攝儀拍攝模式的特殊性，相機(jī)間的相對關(guān)系對于地物覆蓋范圍、傾斜影像分辨率變化范圍、相鄰曝光點影像重疊度、集成系統(tǒng)空間尺寸乃至后續(xù)數(shù)據(jù)處理算法都會產(chǎn)生影響，因此確定相機(jī)間排布模式是首要解決的問題之一。針對多種排布可能，通過對地物覆蓋范圍、傾斜影像分辨率等因素進(jìn)行計算與仿真，確定較優(yōu)的排布模式為下視影像長邊跨航線、前視、后視影像長邊跨航線、左視、右視影像短邊跨航線。5相機(jī)觀測視野如圖1所示。

相機(jī)傾角指傾斜放置相機(jī)主光軸與垂直放置相機(jī)主光軸在它們所確定的平面內(nèi)所形成的夾角。根據(jù)經(jīng)驗及模擬測試，當(dāng)傾角在40°~50°之間時，所獲得的影像更接近人眼對立面紋理信息的真實視覺體驗，此范圍角度一般為攝影測量大傾角范圍。

2 相機(jī)安裝傾角、視場角與分辨率的關(guān)系

垂直和傾斜影像的地面分辨率是傾斜航攝儀最為直觀與重要的參數(shù)之一，也是直接決定后續(xù)三維建模質(zhì)量的關(guān)鍵因素。傾斜影像自動空三時，為了保證量測點的精度，應(yīng)盡量保證不同影像的分辨率一致，從而側(cè)視影像需要裁掉遠(yuǎn)端和近端分辨率差異過大的部分，但同時為了保證影像的重疊度，航線設(shè)計時需要顧及側(cè)視影像的分辨率。因此需對垂直與傾斜視角的影像分辨率進(jìn)行組合分析。

根據(jù)垂直影像GSD計算公式

結(jié)合傾斜相機(jī)主光軸旋轉(zhuǎn)角度，由圖2可以得出傾斜影像中心點、近地點與遠(yuǎn)地點的大致分辨率。設(shè)傾斜影像中心點、近點和遠(yuǎn)點分辨率分別為GSDmid、GSDtop、GSDbotton，計算公式如下

式中，δ為CCD單像元大小;h為飛行高度;f為相機(jī)焦距;αy為傾角;βy=arctan （b/f） 為視場角的一半。傾斜影像的幾何關(guān)系如圖2所示。

以SWDC-5相機(jī)為例，當(dāng)傾角為45°，視場角為40°，βy=20°，f下視=50 mm，f側(cè)視=80 mm時，按照下視相機(jī)進(jìn)行設(shè)計，當(dāng)GSD=0.08 m時，H=666 m。

則側(cè)視相機(jī)的分辨率概算為

由此可見，除飛行高度、焦距、像素大小之外，傾角也是影響傾斜影像GSD的一個重要因素。傾角越小，其遠(yuǎn)點的分辨率越高，近點、遠(yuǎn)點GSD差異也就越小，GSD指標(biāo)的控制也是影響傾角設(shè)計的一個關(guān)鍵因素。通常，獲取的傾斜影像與垂直影像中心點地面分辨率應(yīng)相當(dāng)，傾斜影像的最小分辨率不宜超過垂直影像分辨率的3倍。

3 傾斜航攝相機(jī)的選擇

相機(jī)選擇是影像獲取的關(guān)鍵因素之一，決定了所獲取影像質(zhì)量的好壞 （如影像分辨率、成像的幾何精度等） 和攝影交會角的大小 （與相機(jī)視場角和攝影方式有關(guān)），將直接影響最終的量測精度。

如何搭配下視相機(jī)與傾斜相機(jī)的焦距，是影像獲取的另一個關(guān)鍵因素。目前，通常可選用的相機(jī)焦距在50~120 mm之間。焦距較長的相機(jī)，視場角小，可以獲取更多的影像紋理;焦距較短的相機(jī)，視場角大，影像變形也越厲害。選擇組合相機(jī)焦距時，需要整體考慮下視相機(jī)焦距和側(cè)視相機(jī)焦距的組合選擇。

一般情況下，選擇下視相機(jī)的GSD應(yīng)與側(cè)視相機(jī)的GSDmid相當(dāng)

式中，α為傾角。當(dāng)傾角設(shè)置為45°時，一般情況下側(cè)視相機(jī)的焦距宜為下視相機(jī)焦距的1.4倍。因此，傾斜攝影時一般選用側(cè)視相機(jī)的焦距比下視相機(jī)的焦距要長。

4 平臺檢校

平臺檢校的過程是解算多視相機(jī)相對關(guān)系的過程，是獲取側(cè)視相機(jī)相對于下視相機(jī)攝影中心的相對位置關(guān)系。由于現(xiàn)有空三軟件處理大傾角影像比較困難，實際作業(yè)時可預(yù)先解算下視相機(jī)的外方位元素，通過獲知側(cè)視相機(jī)與下視相機(jī)的相對關(guān)系，從而推算側(cè)視相機(jī)影像的外方位元素。

以5鏡頭傾斜航攝儀為例，利用光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量的原理，從影像所覆蓋范圍內(nèi)若干控制點的已知地面坐標(biāo)和相應(yīng)點的像點坐標(biāo)出發(fā)，根據(jù)共線方程解求4個側(cè)視相機(jī)相對于下視相機(jī)的位置和姿態(tài)參數(shù)。

5 傾斜影像有效像幅

傾斜影像由于其大傾角特性，導(dǎo)致影像邊緣的分辨率較低，地物變形較大，不滿足使用要求，因此在實際處理過程中將會對其進(jìn)行裁減，裁減后可用的像幅稱為傾斜影像有效像幅，有效像幅界定標(biāo)準(zhǔn)為影像內(nèi)GSD達(dá)到指標(biāo)要求的影像范圍，并且在滿足航線設(shè)計要求下所有傾斜影像的有效像幅聯(lián)合起來能覆蓋到整個測區(qū)。有效像幅占傾斜影像原始像幅的比例越大則相機(jī)參數(shù)的設(shè)計越合理。

傾斜航空攝影技術(shù)設(shè)計

傾斜航空攝影技術(shù)設(shè)計在地面分辨率選擇、航高計算等方面沿用了框幅式數(shù)碼相機(jī)航空攝影的設(shè)計思路和內(nèi)容;在航攝時間選擇、航攝分區(qū)劃分、影像重疊度與航線敷設(shè)設(shè)計、分區(qū)覆蓋等方面，傾斜航空攝影與框幅式數(shù)碼航空攝影存在差異。

1 航攝時間選擇設(shè)計

傾斜航空攝影的對象通常是高層建筑密集的城市地區(qū)和高差較大的陡峭山區(qū)，因此航空攝影時需要特別注意太陽高度角及出現(xiàn)陰影，陰影太大會直接影響影像處理的效果。太陽高度角推算攝區(qū)的攝影時間參考公式為

式中，tθ為太陽時角，單位為 （°）;hθ為太陽高度角，單位為 （°）;δθ為攝影日期的太陽赤緯，單位為 （°）;φ為攝區(qū)的平均地理緯度，單位為 （°）;Tφ為攝區(qū)地方時，單位為時。

為便于后期影像判讀與處理，建議高差特大的陡峭山區(qū)或高層建筑物密集的大城市要求在正午前后1 h內(nèi)進(jìn)行航空攝影，陰影倍數(shù)不大于1倍。

2 地面分辨率與航攝分區(qū)設(shè)計

傾斜航空攝影為了體現(xiàn)真實紋理的三維實景影像，多選擇建城區(qū)或有較大高差的區(qū)域作為攝區(qū)，具有航攝面積小、影像分辨率高的突出特點。一般情況下優(yōu)于0.2 m，最高甚至可達(dá)0.03 m。在地面分辨率選擇、航高選擇與劃分航攝分區(qū)時，應(yīng)當(dāng)重點注意以下幾點：

（1） 利用下視影像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測繪產(chǎn)品生產(chǎn)時，地面分辨率選擇需要嚴(yán)格遵循框幅式數(shù)字航空攝影規(guī)范的要求，1:500比例尺不超過8 cm，1:1000比例尺在8~10 cm之間，1:2000比例尺在15~20 cm之間;航攝時需要顧及地表高差影響，高差 （包含建筑物） 大于1/4相對航高時，建議分區(qū)進(jìn)行航攝。如能確保航線在直線性的情況下，分區(qū)的跨度應(yīng)盡量劃大。

（2） 僅生產(chǎn)實景三維影像數(shù)據(jù)時，可根據(jù)三維影像的目視效果合理設(shè)置地面分辨率。由于高差影響，攝區(qū)內(nèi)最高點和最低點的分辨率、重疊度有較大變化。根據(jù)經(jīng)驗，在滿足最高點重疊度的前提下，最高點、最低點與基準(zhǔn)面分辨率不超過1.5倍為宜。如果超過1.5倍，建議分區(qū)進(jìn)行航攝。

3 影像重疊度與航線敷設(shè)設(shè)計

在建筑物密集的城市地區(qū)傾斜攝影獲取的影像存在嚴(yán)重的地物遮擋現(xiàn)象，為了獲取全方位無信息盲點的傾斜影像，同時也為了多視影像的整體平差效果，應(yīng)采取大重疊的影像獲取方式。影像重疊度以下視相機(jī)為基礎(chǔ)，與垂直攝影重疊度設(shè)計不同，傾斜航攝下視相機(jī)的航向重疊度一般不小于70%，也不宜過大，以80%以內(nèi)為宜;旁向重疊度建議在50%~80%之間，可與航向重疊度相同。

4 分區(qū)覆蓋設(shè)計

根據(jù)側(cè)視相機(jī)傾斜角度和視場角的關(guān)系，航向和旁向覆蓋超區(qū)分區(qū)邊界線理論值計算公式為

式中，P為航向或旁向重疊度;θ為傾角;β為視場角。

在實際飛行中，由于大氣等各因素的影響，航向或旁向覆蓋超出邊界線的實際值一般按照基線數(shù)=理論值+2、航線數(shù)=理論值+1進(jìn)行計算。

當(dāng)傾斜角為45°，視場角為40°、52°，航向和旁向重疊度均設(shè)計為70%時，超區(qū)分區(qū)邊界線的理論值計算為5和4，即航攝時航帶內(nèi)超出7條基線，攝區(qū)范圍外側(cè)需要超出5條航線。

5 檢校場航攝設(shè)計

在IMU/DGPS輔助航空攝影測量時，需要借助飛行檢校場的方法實現(xiàn)慣性坐標(biāo)系下的直接測量數(shù)據(jù) （位置數(shù)據(jù)X、Y、Z和姿態(tài)數(shù)據(jù)pitch、roll、yaw） 到攝影測量坐標(biāo)系下的精確外方位元素位置數(shù)據(jù) （X′，Y′，Z′） 和姿態(tài)數(shù)據(jù) （φ，ω，κ） 的轉(zhuǎn)換，以獲得高精度的像片外方位元素，從而實現(xiàn)無或極少地面控制的航片定向和測圖。

檢校場區(qū)域選擇應(yīng)考慮以下因素：一是地勢盡量平坦;二是盡量避開水域范圍;三是盡量避免大面積植被覆蓋;四是盡量避免有特大密集型建筑群。

以RCD30傾斜數(shù)碼航攝儀為例，航線敷設(shè)時，可采取井字形飛行方案。每條航線均十字交叉來回飛行1次，共計8條航線。設(shè)計航高可與分區(qū)作業(yè)高度相同，可設(shè)置航向和旁向重疊80%以上。傾斜航空攝影平臺檢校飛行示意圖如圖3所示。

此外，采用其他傾斜航攝儀執(zhí)行時，若攝區(qū)航向和旁向重疊均不小于80%，可挑選2~3條正常航線的航片作為檢校場飛行航線。

傾斜航空影像成果質(zhì)量檢查要求

1 影像重疊度檢查

由于傾斜航空影像采取多視匹配的算法進(jìn)行空三加密處理，要求影像重疊度大才能匹配更多的同名點。一般情況下，傾斜攝影時下視相機(jī)的影像設(shè)計航向重疊度應(yīng)不小于70%，但航向重疊度也不宜過大，如果重疊過大，一方面會造成攝影基線變得更短，不僅影響測圖精度也會降低效率，另一方面基線變短會增加影像旋偏角超限的可能，一般在70%~80%之間為宜;下視影像旁向重疊度一般應(yīng)設(shè)計為50%~80%，最低不低于30%;側(cè)視影像航向重疊度不低于53%。

2 影像傾斜角檢查

依據(jù)機(jī)載POS數(shù)據(jù)檢查下視相機(jī)的傾斜角度。由于下視相機(jī)是垂直攝影，影像傾斜角按照現(xiàn)有大比例尺航空攝影規(guī)范執(zhí)行，即一般不大于2°，若下視影像需進(jìn)行測圖處理時最大不應(yīng)超過4°。

3 影像旋偏角檢查

傾斜航空影像由于重疊度大，基線短，飛機(jī)姿態(tài)稍有變化即可能導(dǎo)致旋偏角超限。按照成圖要求，下視相機(jī)的像片旋偏角一般不大于25°。根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗，在只建模不測圖的情況下，旋偏角不大于35°或抽片后旋偏角最大不大于25°即可，但需確保像片航向和旁向重疊度滿足要求。

4 攝區(qū)、分區(qū)覆蓋保證檢查

傾斜攝影為了保證攝區(qū)外側(cè)也能獲取影像，攝區(qū)邊界覆蓋較垂直攝影大。按照2.4節(jié)公式計算分區(qū)覆蓋超出邊界線的基線數(shù)和航線數(shù)的理論值與實際值。實際航攝過程中，一般可在航線旁向方向測區(qū)邊界范圍外增加4~5條航線，以保證左視和右視鏡頭影像均覆蓋全測區(qū)范圍;在航線航向方向測區(qū)邊界范圍外，每條航線延長1.5 km以上，以保證前視和后視鏡頭影像均能覆蓋全測區(qū)范圍。

5 航線彎曲度與航高保持檢查

攝區(qū)航線彎曲度可依照框幅式數(shù)字航空攝影規(guī)范執(zhí)行，航線彎曲度一般不大于1%，當(dāng)航線長度小于5000 m時，航線彎曲度最大不大于3%。由于傾斜航空攝影的航高一般小于1000 m，因此在航高保持方面要求同一航線上相鄰像片的航高差不大于30 m，最大航高與最小航高之差不大于50 m，分區(qū)內(nèi)實際航高與設(shè)計航高之差不大于50 m。

6 影像質(zhì)量檢查

影像質(zhì)量檢查與傳統(tǒng)垂直攝影的要求一致，除云、云影、煙、霧、反光等檢查項外，還需檢查影像像點位移，確保在曝光瞬間造成的像點位移不大于1個像素。

傾斜航空影像的數(shù)據(jù)整理

傾斜航空影像的數(shù)據(jù)整理與《數(shù)字航空攝影規(guī)范第1部分：框幅式數(shù)字航空攝影》中7.1中關(guān)于文檔資料整理的要求有所不同，傾斜攝影有多個相機(jī)，因此在相機(jī)相對位置關(guān)系、像片數(shù)據(jù)編號、文件存儲及激光打印輸出等部分存在差異。

1 相機(jī)相對關(guān)系說明

針對多鏡頭傾斜航空攝影，提交資料時需增加相機(jī)相對關(guān)系的說明文件。以5鏡頭為例，表示了傾斜數(shù)字航攝儀各子相機(jī)的相對位置關(guān)系，同時影像上方采用箭頭標(biāo)明與飛行方向的關(guān)系。相機(jī)相對關(guān)系說明如圖4所示。

2 數(shù)據(jù)命名

下視影像可按照國家基礎(chǔ)航空攝影資料整理的規(guī)則命名。側(cè)視影像命名時需參照飛行方向，將4鏡頭分別命名為國家基礎(chǔ)航空攝影資料整理12位+1位，最后一位定義相機(jī)相對于垂直相機(jī)的位置，如沿飛行方向，下視相機(jī)前的影像的最后一位編號為F （front），下視相機(jī)后、左、右側(cè)的影像的最后一位編號分別為B （back）、L （left） 和R （right）。傾斜影像命名如圖5所示。

（1） 一般以飛行方向為編號的增長方向。

（2） 同一航線內(nèi)的影像編號不允許重復(fù)。

（3） 由于傾斜攝影面積較小，單條航線長度一般不長，像片數(shù)一般不會超過1000張，因此影像編號采用流水號3位數(shù)字，當(dāng)有補(bǔ)飛航線時，補(bǔ)飛航線的影像流水號在原流水號基礎(chǔ)上加500。

3 文件存儲

5鏡頭獲取的影像分為5個文件夾分別存儲。每個文件夾命名時，在原有基礎(chǔ)上+字母 （L （左）、R （右）、F （前）、B （后））。

4 激光打印輸出

根據(jù)國家航空遙感影像獲取成果資料整理的有關(guān)要求，為了便于數(shù)據(jù)檢查和滿足歸檔需要，下視影像需要激光打印輸出成紙質(zhì)相片。與傳統(tǒng)垂直攝影相比，傾斜攝影由于分辨率高、重疊度大，造成相片數(shù)量驟增。如面積為100 km2的攝區(qū)，但下視相機(jī)的影像數(shù)量就可能超過12000張。如此大量的相片給檢查、歸檔造成一定的困難。

由于傾斜航攝時旁向重疊度設(shè)計較大，隔航線的重疊度也至少大于20%。因此，在下視相片激光打印輸出時可采取隔航線輸出的方式，即抽航線進(jìn)行打印輸出，但不建議航線內(nèi)抽片輸出。

結(jié) 語

通過理論分析，結(jié)合實際作業(yè)經(jīng)驗，可以得出以下結(jié)論：

（1） 建議在情況允許時，側(cè)視相機(jī)選用焦距較長的相機(jī)，減小視場角，以獲取更多的影像紋理。

（2） 與垂直攝影相比，傾斜航空攝影影像重疊度可適當(dāng)放寬要求，如規(guī)定重疊度要求在70%~75%之間，但最小不小于53%，能夠保證下視影像進(jìn)行空三即可。

（3） 由于傾斜攝影基線短，飛機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)定，易造成旋偏角超限，在檢查傾斜影像旋偏角時可適當(dāng)放寬要求。根據(jù)有關(guān)試驗結(jié)果，在僅生產(chǎn)實景三維影像不測圖時，可放寬至35°或抽片后達(dá)到垂直航空攝影質(zhì)檢要求即可。

（4） 經(jīng)過實際生產(chǎn)建模試驗得知，傾斜攝影時，下視影像只要不出現(xiàn)相對漏洞，滿足正常空三加密要求，側(cè)視影像只要沒有飛行漏洞，能夠提取影像紋理，都可以呈現(xiàn)立體景觀模型和實地的3D影像圖。但如果要求成果精度高，則建議分辨率、重疊度、旋偏角等核心技術(shù)指標(biāo)要保守設(shè)計，飛行時需更加嚴(yán)格地執(zhí)行規(guī)范要求。

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