３４ 铁道勘察 ２０１１年第５期 文章编号：１６７２—７４７９（２０１１）０５～００３４—０４ 基于ＤＥＭ的铁路带状数字航空摄影航线优化设计 邓继伟 张 丽 （铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津３００２５１） Ｆｌｉｇｈｔ Ｃｏｕｒｓｅ Ｏｐｔｉｍａｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｅｒｉａｌ Ｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙ ｆ０ｒ Ｒｏｕｔｅ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＥＭ Ｄｅｎｇ Ｊｉｗｅｉ Ｚｈａｎｇ Ｌｉ 摘要通过与传统航线设计对比，根据铁路线路的带状特征，提出一种基于ＤＥＭ的航线设计方 航线设计优化ＤＥＭ 法，采用模拟数据解算及变基线敷设航线的方式，根据地形、相机参数自动设计出最适合该测区的航线。 关键词 线路选线 数字航空摄影中图分类号：Ｐ２３ｌ 文献标识码：Ｂ 航线设计是航空摄影测量任务的基础，设计质量 的优劣直接关系到航空摄影测量的作业效率和质量。 其主要任务是根据航摄任务书的内容和要求完成分区 的航线、像主点的敷设，并将设计的成果提交飞行单 另外，在传统的铁路带状航空摄影航线设计中，由 于存在一定的线划误差，如何准确计算航线偏离线位 中线距离，从而合理布设航线，最大化地减小航飞代价 也亟待研究解决。在实际工作中，基于数码影像的航 空摄影测量航线设计应顾及到数码航摄仪独特的优势 位，由飞行单位完成航摄任务 Ｊ。传统的摄影测量多 采用等基线摄影测量的方式，这种方式对于平坦地区 具有较强的适应性，但对于丘陵、山区等作业区域高程 起伏较大的地区，高程的起伏会影响到相邻航空影像 的航向重叠度和旁向重叠度 。航摄计算时是参照 平均基准面设计的，如果针对地形起伏对重叠度的影 响考虑不周，可能会产生航摄漏洞或者航片的冗余；传 统航线设计基本采用等基线的航线设计方式，该方式 一和特点，才能设计出合理、可靠的航线。 针对这些问题，提出一种基于ＤＥＭ航线设计方 法，根据地形、相机参数自动设计出最适合该测区的航 线，在保证航飞安全的前提下，节约成本，提高经济 效益。 １ 关键技术 １．１数码航摄航高的确定 航摄资料主要用于量测和判读，因此摄影比例尺 的选择与成图比例尺的大小或航摄资料用于判读时像 片的基线放大倍数有关，后者由于各用户单位在提取 信息时对判读的具体要求不同，难以提出统一的规定。 但航摄资料无论用于量测或判读，总是希望在保证满 般以整个分区为单位计算地形起伏对重叠度的影 响，不能有效顾及到局部相邻像对在地面的实际重 叠度。 收稿日期：２０１１—０８—１２ 第一作者简介：邓继伟（１９８６一），男，２０１０年毕业于武汉大学摄影测量 与遥感专业，助理工程师。 ［３］詹庆明，周新刚．从激光点云中提取 建筑线性和圆形特征的比 较［Ｊ］．武汉大学学报，２０１１（６） 绘学报，２０１０（１） ［６］ 克里斯蒂安・海普克，唐粮．摄影测量与遥感之发展趋势和展望 ［４］ 李福金，秦志伟．最小二乘影像 配算法设计与实现［Ｊ］．测绘与 空间地理信息，２０１１（２） ［５］谢文寒．城市大比例尺真正射影像阴影与遮挡问题的研究［Ｊ］．测 ［Ｊ］．地理信息世界，２０１１（２） ［７］ 芦莹莹，荣光．应用ＶｉｒｔｕｏＺｏ全数字摄影测量工作站制作数字 正射影像的方法及常见问题［Ｊ］．城市建设，２０１ １（４） 基于ＤＥＭ的铁路带状数字航空摄影航线优化设计：邓继伟张 丽 ３５ 足使用要求的前提下，尽可能缩小摄影比例尺，以便提 高经济效益，降低航摄经费。 现有的摄影测量航摄规范是针对传统胶片航摄方 式制定的，因此在数码航摄航线设计采用航摄比例尺 确定航高时，须等效为胶片航摄方式进行计算。无论 ＧＳＤ的确定主要有以下三种方法： 一是由甲方在合同中指明。 二是采用航摄比例尺确定，但须等效为胶片的扫 描像元（通常为２１ Ｉｘｍ）来进行计算，例如要求航摄比 例尺为１：３ ５００时，ＧＳＤ应为３ ５００×２１ ｍ，即 ７３．５ ｍｍ。 传统胶片式航空摄影测量，还是数码航空摄影测量，它 们空中三角测量的地面精度规范是一致的（即物方点 三是由成图比例尺根据经验来确定。例如１： 高程中误差 的限差是一致的）。高程中误差的计 ５００为６～８ ｃｍ，１：１ ０００为１０ ｃｍ；特种成图比例尺 算公式如下 Ｍｚ＝ ｍ 由于地形图航空摄影测量规范中高程中误差限差 是固定的，即有Ｍ ＝Ｍ ，在同一重叠度条件下（ｑ ＝ ｑ ），数码航摄的航高 与传统胶片航摄的航高Ⅳ 有 如下关系 Ｈｌｌ２ ｍ１ ｒｒ 其中：对于胶片航摄仪，设高程中误差为 ，航高 为 。，重叠度为ｑ ，像点中误差为ｍ。，像片像幅长为 ｆ ；对于数码航摄仪，设高程中误差为 ，航高为 ， 重叠度为ｑ：，像点中误差为ｍ ，像片像幅长为ｚ：。 １．２ 平均基准面高程ｈ 的确定 在航空摄影航线设计中，计算平均基准面高程时， 应根据线路中线和航线覆盖的范围绘出测绘工作范围 线，即首先确定航摄范围，根据测绘工作边线内的高程 来计算ｈ甚，这一点和面状设计是一致的。在面状设计 中，ｈ基＝÷（ｈ高平均＋ 低平均），其中ｈ高平均和ｈ低平均为钡０区 内具有代表性的高点的平均高程和低点的平均高程。 铁路线路选线是带状的，覆盖面积小，如果按照面状的 计算方法，当最高一点位于测绘工作边线时，将可能造 成ｈ甚的计算不准确而造成像片旁向覆盖不确定，从 而引起航摄绝对漏洞的产生。因此，根据经验，认为对 于铁路线状设计，在计算平均基准面高程时，参照面状 设计计算方式的同时应考虑测绘工作边线上的高点高 程，尽量避免产生航摄漏洞；另外，应重点使用铁路线 位附近的高程进行计算，从而保证航摄成图区域内航 摄比例尺的适用性。 １．３ 确定ＧＳＤ 所使用的数码相机以及摄区的基本情况确定之 后，整个航摄设计的出发点只有一个，那就是ＧＳＤ， ＧＳＤ为数码相机ＣＣＤ一个像元对应的地面尺寸，或理 解为数字影像对地面的采样间隔。数字航空摄影进行 航飞设计时，首先要确定ＧＳＤ。 ＧＳＤ应有所调整，例如１：５００地籍界址点测量时，应 采用４～５ ｅｍ的ＧＳＤ。 总之，ＧＳＤ的确定要根据具体情况，最终与甲方 共同确认。 ２基于ＤＥＭ的航线设计 航线设计是航空摄影的前期准备，设计质量的好 坏直接影响到后续工作的进行。只有按照相关规定和 要求设计出好的航飞方案，才能保证实际航飞顺利准 确地进行，满足用户的实际需要。以下的航线设计方 法主要分航线粗略定位和精确敷设两步进行。 ２．１航线粗略定位 （１）当摄影区域的面积较大时，将受到飞机续航 时间和太阳光照及太阳高度角的，不可能通过一 次飞行就完成整个摄区的航摄任务。由于航摄领航技 术的，摄影航线不能太长，否则就难以保持航线的 直线性及航线问的平行性，影响航摄飞行质量。因而 当航线较长或摄区内地形变化较大时，应将摄区划分 成若干个摄影分区，在每个分区内用不同航高进行摄 影，以保持像片比例尺的一致。 （２）根据ＤＥＭ计算每个摄影分区的平均基准面 高程。 （３）根据航测成图范围及航线的容许摆动范围要 求，确定所设计航线的覆盖范围。 例如在铁路勘察设计中，一般根据线路专业提供 的线位进行外扩从而确定测绘工作范围线。根据线位 沿线带状测绘范围的宽度计算每一测段需要几条航 线；在确定航线数的时候应考虑实际飞行状况，如果没 有侧风影响，飞机将按设计的航线直线飞行，但当有侧 风影响的时候，飞机将会出现一定的摆动，在航线设计 时应将此考虑进去，较精确地界定航线的覆盖范围，从 而做出粗略的航线定位。 ２．２ 变基线的航线精确敷设 航线设计的主要目的在于确定每个曝光点的位 置，从而为航拍员提供指导。在划分好航摄分区及遵 循地形图航空摄影规范的基础上，选择合适的摄影比 ３６ 铁道勘察 ２０１１年第５期 例尺，采用逐摄影中心调整基线的方法确定最佳的曝 光点位置，具体设计方法如下： 式 如下 ｑ ＝ｑ ＋（１一ｑ ）Ａｈ／Ｈ Ｂ ＝（１一ｑ ）Ｚ ｍ （１）根据摄影分区的ＤＥＭ确定航线的位置，即确 定航线的起点和终点，起点和终点满足航向超出分区 不少于一条基线，旁向满足航摄成图范围要求即可 （一般为超出分区不少于像幅的５０％）。 （２）航线上摄影中心位置的确定，这是航线敷设 的关键所在。 式中： 为航摄像片航向的像幅尺寸。 以上所述是根据测区地形起伏，在航带间以第一 张像片为基准调整整条航带与相邻航带的间隔，航带 内调整相邻两曝光点之间的基线长，从而使得相邻两 张像片覆盖的实际地面的重叠度满足设计重叠度的要 求，减小了地面起伏对重叠度的影响。整个测区的每 根据测图比例尺的要求，选择合适的航摄比例尺， 进而确定飞机的摄影航高。 确定每条航带的第一个摄影中心的位置：第一条 个曝光点的空间位置都被计算出来，即已完成给定重 叠度的航线设计。 航带的第一个摄影中心就是航线的起点。从第二条航 带开始，每条航带的第一个摄影中心的确定方法为：如 ３实验及效果分析 为 『更加直观地理解基于ＤＥＭ的航线设计方法， 就生产中的一个项目进行实验，具体分析如下： 该实验区选自东北地区某条改建铁路的一段， 果该航带的影像与相邻上一条航带的影像在设计重叠 度的旁向重叠区域平均高程低于平均基准面高程，则 该航带第一个摄影中心与上一条航带第一个摄影中心 间隔为设计重叠度在平均基准面上计算出来的旁向基 线长。由于在分区时已经考虑到地形高差的影响，此 时影像不仅满足重叠度要求，而且分辨率也肯定能达 此线路以山区为主，地形等级主要为Ⅲ级，部分为Ⅳ 级，按照线路及站场专业的要求，沿线位两侧各外扩 ３ ｋｍ设计，以满足１：２ ０００及ｌ：１０ ０００地形图的成 图要求。 到精度要求，用设计的基线长即可，无须调整。 如果旁向重叠区域高程高于平均基准面高程，则 需调整基线长：地面点的实际旁向重叠度为设计旁向 重叠度Ｐ ，从而计算出在平均基准面上的新旁向重叠 本实验选用传统航线设计与本文优化航线设计两 种方式，用于比较分析。其中，相机焦距９２ ｍｍ，航向 像幅７９．２０６ ４ ｎｌｌＴｌ，旁向像幅８７．０９１ ２ ｍｍ，像素大小 ５．６ ｍ。传统航线设计中，相对航高为１ ５２０ ｍ，航向 及旁向重叠度分别为６０％和３０％，分为７个测段，共 ７３条航带，２ ２７２张航片。优化航线设计中，相对航高 为１ ５２０ ｍ，航向及旁向重叠度分别为６０％和３０％，分 为４个测段，共３８条航带，１ ９８８张航片，航线设计对 照如图１所示。 度Ｐ ，以及其对应的旁向基线长Ｄ ，进而即可算出该 航带第一个摄影中心的空间位置。尸 及Ｄ 的计算公 式 ３，５ 如下 Ｐ ＝Ｐ ＋（１一Ｐ ）△＾／Ⅳ Ｄ ＝（１一ｑ ）Ｚ ｍ 式中：ｆ，为航摄相片旁向的像幅尺寸；Ａｈ为相对 于摄影基准面的高差。 确定每条航带上第二个及以后每个摄影中心的位 在航带设计中采用模拟数据解算的方式，即根据 ＤＥＭ、模拟所得的内外方位元素文件及像点坐标文件 进行多片前方交会平差解算，然后对平差结果做精度 置：在同条航带上，如果航向相邻两张影像在设计重叠 度的航向重叠区域高程低于平均基准面高程，则该摄 影中心与上一摄影中心间隔为设计重叠度在平均基准 分析。实验中，像点坐标加上的残差是以２¨ｍ为中 误差的高斯随机误差，外方位元素的线元素和角元素 加上的残差分别是以０．０１５ ｍ和０．０００ １ ｒａｄ为中误差 面上计算出来的基线长。如果航向重叠区域高程高于 平均基准面高程，则需调整基线长：地面点的实际航向 重叠度为设计航向重叠度ｑ ，从而计算出在平均基准 面上的新航向重叠度ｇ 对应的航向基线长Ｂ ，进而即 可算出该摄影中心的空问位置。ｇ 及 的计算公 的高斯随机误差。按ｌ：２ ０００比例尺地形图国家规范 及铁路工程摄影测量规范要求，分析点位的平面与高 程精度，传统航线设计与优化航线设计对照如表１ 所示 表１ 传统航线设计与优化航线设计对照 基于ＤＥＭ的铁路带状数字航空摄影航线优化设计：邓继伟 张 丽 ３７ （ａ）传统航线设计 （ｂ）优化航线设计 图１ 传统航线设计与优化航线设计对照 在传统航线设计中，采用的是等基线布设的方式， 素误差与实际飞行数据基本一致时，使用相同的相机 由于测区地面起伏较大，最高点和最低点的航向重叠 和测区进行航线设计，在精度都能达到要求的基础上， 度分别达到了５１％和７０％；另外，第七测段主要Ⅳ级 采用优化设计方法减少了共３测段，３５条航带，２８４张 地形，航线设计中该测段的设计航向与旁向重叠度分 像片，有效提高了航飞效率。 别为６５％和３５％才得以满足要求。而本文的优化设 另外，如果在传统航线设计中也顾及地面起伏，使 计中，通过变基线布设的方式，使得地面每个区域的实 最高点区域的重叠度也保证在设计重叠度６０％，则设 际航向重叠度都保证在６０％左右，严格按照设计重叠 计时基准面上的重叠度必将大于６０％。选取本文实 度进行布设，从理论上减小了航摄漏洞出现的可能。 验项目的其中一条航线中的一段分别进行传统等基线 根据１：２ ０００比例尺地形图国家规范，Ⅲ级地形 设计与优化变基线设计，两种设计方法使用相同的航 图上点位平面限差为２．４ ＨＩ，高程限差为１．６ ｍ。由表 高１ ５２０ ｍ，最高区域均满足６０％的航向重叠度，相对 １可知，当航线设计试验中模拟的像点误差、外方位元 于平均准面的基线长计算和比较如表２所示。 表２ 传统航线设计与优化航线设计基线长对照 选取的这段区域地形起伏较大，在传统等基线设 光的飞行控制方法，这种方式存在很多局限性；随着航 计中，若满足最高区域的重叠度达到６０％，则基于平 空摄影技术和手段的不断完善，智能定点曝光的全数 均基准面的设计重叠度达到６６％才能满足要求。从 字航空摄影测量飞行控制会越来越多地被应用。因 表２的对比中可以看出，使用传统等基线的设计方法， 此，充分利用现有设备和技术合理做好航线设计，将会 在非最高区域一定程度上造成了影像过分重叠，从整 有利推动航空摄影技术的进一步发展。 个测区航线设计来看势必会造成航片的冗余，加大了 参考文 献 内外业工作量。 ［１］谭成国，范业稳，司顺奇．基于ＤＥＭ的地理坐标系下航空摄影技 术设计［Ｊ］．测绘科学，２００８，３３（２） ４ 结束语 ［２］ 段福洲，宫辉力，朱琳．变基线数字航空摄影航线设计与飞行控 通过试验可知，在成功稳定的曝光基础上，该航线 制一基于ＤＥＭ的设计方法［Ｊ］．自然灾害学报，２００８，１７（６） ［３］张剑清，潘励，王树根．摄影测量学［Ｍ］．武汉：武汉大学出版 优化设计方法能够通过变基线摄影测量的方式保证地 社，２００３ 面实际重叠度与设计重叠度相一致，并能合理准确地 ［４］乔瑞亭，孙和利，李欣．摄影与空中摄影学［Ｍ］．武汉：武汉大学 计算出每张像片的摄影中心位置，为外业实拍提供指 出版社，２００５ 导。另外，传统的航拍采用的都是手动曝光和定时曝 ［５］ＧＢ／Ｔ１９２９４－－２００３航空摄影技术设计规范［ｓ］
