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摘要：航空光学测绘装备是航空领域开展工作不可少的装备。对这些设备的研究能够满足更多新兴测绘任务需求，达到优势互补效果。众所周知，航空测绘相机在获取地理遥感信息辅助环境保护、生态资源调查、国土资源管理、地质灾害监测、气候影响、GIS建设等诸多领域起到了不可替代的作用。机载LiDAR也逐渐成为航空测绘装备系统的重要一员，数千米工作高度下的测量精度可达厘米级别，最大测量速度优于250kHz。为了深入开展航空光学测绘装备的研制，通过文献调研对该领域主流装备系统的产品性能、系统配置、发展趋势以及关键技术进行研究。
关键词：航空光学测绘;大面阵相机;关键技术
前言：经过一个世纪的发展，航空测绘装备逐渐的发展成熟，无论是在对地理信息的获取能力上还是在数据的丰富上都明显提高。航空光学测绘是高效获取区域遥感信息的重要技术手段，在区域地理信息系统(GIS)建设、生态资源调查、灾害监测、矿产评估等方面扮演着重要角色。本文着眼于国外现有商用航空光学测绘系统的现状和技术水平，对其未来发展趋势以及相关关键技术进行研究。
1.航空测绘相机
1.1航空测绘相机发展概述
从20世纪50年代开始，胶片型航空测绘相机得到了广泛的应用。随着计算机和数据采集技术的发展，尤其是CCD(charge-coupleddevice)技术的成熟，航空光学测绘相机技术发生了质的飞跃。1987年中国首次发射的返回型大幅面框幅式相机的摄影测量也获得成功。，线阵数字式航空测绘相机技术越来越成熟以及相关产品对市场的占有度的提升，对传统胶片测绘相机带来了巨大打击。目前航空测绘相机等的发展趋势是普查与详查相结合，详查相机的特点是分辨率高，但照相覆盖面积小，适合于战术侦察，多采用画幅式或航线式相机。普查相机分辨率适中，覆盖面积大，适用于战略侦察和监视，多采用全景式相机。详查和普查可互相取长补短，配合使用。另外，现阶段航空测绘相机还趋向于胶片型侦察相机和传输型侦察相机相结合使用。目前，大面阵数字式多光谱测绘相机时代已经到来，我们有理由相信随着技术、装备的而不断成熟和完善，面阵数字式多光谱测绘相机将深深影响到航空测绘领域对工作效率、装备性能、适用性、数据传输、加工和存储等方面的构成。
1.2航空测绘相机关键技术
航天相机按图像传输方式的不同，可以分为回收型和传输型两类。回收型航天画幅式相机主要优点是图像几何关系严密，影像分辨率高，图像畸变小，测图容易；缺点是传感器在空间工作寿命太短，难以获取目标区覆盖的理想像片。传输型航天相机主要是以线阵CCD为感光元件的固态传感器，主要可分为单线阵、双线阵、三线阵数字相机，这些类型相机在国内外航天领域已经得到应用。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆2000年Leica推出ADS40数字测绘相机，之后的ADS系列产品沿用三线阵的设计理念，线阵规模不断扩大，性能也得到了巨大的提升。ADS测绘相机系列透过光学镜头的光线经两组分光元件后被分为3路，进而投射在3个探测器线列上。同时还通过CCD叠加和半像元错位的方式来提升系统的细节分辨能力。除了ADS之外，DMC和UltraCam等其他商用航空测绘相机系列基本采用面阵探测器，最大面阵规模在2．6亿像元，横向像元数最大为20k，像元尺寸一般为5～6μm。现阶段的航空测绘相机具有多光谱成像功能，可满足不同的测绘任务需求。面阵数字相机焦面一般为矩形，这样可以减少起飞次数和增加飞行覆盖宽度，还可以得到不同的视场角。
1.3航空测绘相机的特点
在航空测绘作业活动中，航空测绘相机具有机动灵活、反应迅速等诸多优点。是DEM数据获取的一项重要手段，能够填补通用航空在小面积、大比例尺摄影测量方面的空白。航空测绘相机还有续航时间长、影像实时传输、高危地区探测、成本低、机动灵活等优点，遥感操控是航空遥感的一种重要方式，并且日益成为一项空间数据获取的重要手段是卫星遥感与有人机航空遥感的有力补充。而且它能承受发射和返回过程的冲击、振动和过载，具有较长的焦距和较高的分辨率。除此之外，航空测绘相机能适应空间的恶劣环境。现代航天相机在160公里高度上分辨率已达到1米以内，可识别车辆、舰船、坦克和其他10米以下的目标。用电荷耦合器件作感测元件的航天相机具有使用寿命长、工作可靠性高、能实时传输图像信息的特点,已在侦察、测绘和地球资源勘查等方面获得应用。
2.机载LiDAR
2.1机载LiDAR发展概述
机载LiDAR又称为激光雷达，是一种以激光为测量介质，基于计时测距机制(timeofflight，TOF)的立体成像手段，属主动成像范畴。在地形测绘、气象测量、武器制导、飞行器着陆避障、林下伪装识别、森林资源测绘、浅滩测绘等领域有着广泛应用。LiDAR诞生于20世纪60～70年代，当时称之为激光测高计。1993年出现了第一台将LiDAR传感器、GPS以及IMU集成用于地形制图的商用LiDAR制图系统。1994年，联邦德国的测量与制图委员会首次发起了关于将激光扫描作为生产数字地面模型的新方法的讨论。1996年以后，越来越多的公司着手开发商用LiDAR系统，并提供各种LiDAR制图服务。自21世纪以来，计算机、半导体、通信等行业进入了一个蓬勃发展的时期，从而使得激光器、APD(avalanchephotondiode)探测器、数据传输处理等LiDAR相关的器件和关键技术取得了迅猛发展，一系列商用机载LiDAR系统不断涌入市场。
2.2机载LiDAR关键技术
机载LiDAR系统是以飞机为平台，主要由激光扫描仪、GPS以及IMU3个基本的数据收集装置构成。激光扫描仪安装在飞机的下端，用于向地面发射激光脉冲，并采集信号从发出到返回所用的时间、信号返回时的强度信息以及扫描的角度信息。由于光速是已知的，由GPS可以测得平台的坐标位置，再加上由IMU所获得的飞机的姿态信息，因此可以很容易地计算得出激光所达到的地面与激光发出点间的距离。它的出现为航空光学装备领域注入了新的活力，大大拓展了航空光学
测绘的适用范围和信息获取能力。目前已成为面阵数字测绘相机的有力补充，在航空光学多传感器测绘系统中扮演重要角色
2.3机载LiDAR的数据特点
LiDAR点云数据的密度依赖于飞机飞行的高度、大气折射对光速的影响以及与LiDAR系统自身有关的某些参数如激光脉冲的发射频率、扫描的角度等。机载LiDAR所获取的点云数据的垂直精度可以达到15～20cm，平面控制精度可以达到30～100Cnl。机载LiDAR的垂直测量精度除受到系统误差的影响外，还会受到地面坡度、粗糙度、飞行高度以及扫描角度等多个因素的影响。机载LiDAR采用光学直接测距和姿态测量工作方式，被测对象的空间坐标解算方法相对简单、易于实现、单位数据量小、处理效率高，具有在线实时处理的开发潜力。
结语
综上所述，以数字测绘相机为主，机载LiDAＲ、高光谱仪等其他光学测绘装备相结合的多传感器航空光学测绘系统，由于可满足更多的应用需求，可以获得更为丰富的遥感数据，在未来具有更大的竞争优势。而且通过现阶段的光学测绘装备集成水平可以获得更加有效的数据，也是未来发展的主流方向。未来如何更好发挥系统优势、提高作业效率、适应更多应用环境是航空光学测绘装备的重要发展方向。相关人员也要加强研究，促使更多航空测绘仪器设备应用于这一领域，促进航空事业的发展。
参考文献
[1]李清军，刘志明，张雪菲，等.TDlCCD全景航空相机行转移信号产生方法[J].电子测量与仪器学报，2013，27(9):844-848.
[2]陈霖，周廷，房建成，等.航空遥感运动补偿用POS高阶误差模型的建立与分析[J].仪器仪表学报，2012，33(11):2436-2444.
论文作者:白雪峰
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/25
标签：航空论文; 相机论文; 光学论文; 遥感论文; 装备论文; 测量论文; 系统论文; 《防护工程》2019年8期论文;