根据《测绘成果质量检查与验收》标准中表23、表24规定^[3], 常规的航空摄影成果飞行质量权重为0.3, 包含航空摄影设计、重叠度和旋偏角等9个子元素。随着航空摄影硬件技术的提升, GPS的普及和定点曝光技术的应用使得质量控制较好; 自动稳定平台的应用使控制自动化; 曝光延时积分技术(time delay integral, TDI)的应用基本消除了对飞行质量的影响。本文将测区覆盖完整性、航线弯曲度、航迹保持、航高保持、像片倾斜角和影像位移6个子元素称为“ 硬件控制子元素” , 即当航空摄影仪的硬件无故障时, 其质量能保持在较好的等级范围内, 对整个飞行质量基本不造成扣分项。其中, 航空摄影设计、重叠度和旋偏角受人为及客观因素影响较大, 是飞行质量的关键评价要素。

1.1.1 航空摄影设计

航空摄影设计是根据任务目标和需要解决的生产科研目标而制定的飞行计划。在进行设计时, 除了要遵循常规的规范外, 还要考虑海岸带的特殊地理地貌及气象特征。

航空摄影的成图精度是技术设计的根本依据。海岸带测量中, 高程精度是关注的重点。根据立体像对空间前方交会几何关系(图1), 空间点平面和高程坐标精度估算公式为

M_xy=k P_GSD , (1)

M_z=M_xy/tan θ = k P_GSD/tan θ , (2)

式中: M_xy为平面精度; M_z为高程精度; P_GSD为地面空间分辨率(ground sampling distance, GSD); k为能够分辨影像细节的最小像素值; tanθ 为基高比。P_GSD和k越小、tanθ 越大, 则测图的平面和高程精度越好。通常情况下, 当tanθ < 1, 则M_z> M_xy, 说明成图的高程精度始终要低于平面精度, 当精度满足高程标准时, 必定满足平面标准。

图1

Fig.1

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	图1 立体像对空间前方交会几何关系Fig.1 Geometrical relation of stereo image and space intersection

综上, 在进行海岸带航空摄影计划时, P_GSD的选取主要依据是否能满足成图高程测量精度, 当P_GSD确定后, 航空摄影设计的其他参数可依据相关规范和公式计算得出; 海岸带地势平坦, 一般不作分区处理; 在航线布设时, 可采用折线拟合海岸线走向的方法, 需要特别注意的是, 折线布设航线的拐点处要有100%的完全重叠, 以满足航带及航带间的模型连接要求。在摄影季节和时间的选择方面, 季节上要避开雨季和台风活动频繁时期, 时间上除了要考虑光照条件外, 还需避免海面对日光的强烈反射造成的镜面反射效应。另外, 由于海岸带特殊性, 要根据潮汐时间安排飞行, 尽量在低潮期获取潮间带遥感影像资料。

1.1.2 重叠度

影像重叠度是飞行质量的直接反映。对于面阵传感器获取的影像, 其航向和旁向重叠度是否合格是飞行质量检查应重点关注的要素。数字航空摄影航向重叠可按最小曝光间隔进行设置, 利于影像匹配与测图, 同时也解决了由于海上作业飞行气流复杂和飞机姿态难以保持造成的航向漏洞问题。但航向的高度重叠使基高比变小, 高程测量精度降低, 这一问题需在空三作业前进行抽片处理予以解决。旁向重叠无特殊要求, 按常规方案设置即可。

1.1.3 旋偏角

相邻2张像片的像主点连线与像幅沿航带飞行方向的2个框标连线之间的夹角称为像片的旋偏角^[4]。旋偏角过大会造成空三加密、相对定向和绝对定向等立体测图困难, 成图精度下降, 是飞行质量的重要子元素。根据飞机的真航向和GPS导航仪指示的飞机轨迹角度, 同时要考虑摄区的磁偏角, 计算出飞机的旋偏角, 在整个飞行过程中, 需要实时地监视检影器, 及时根据飞机受气流影响变化状况, 通过航空摄影仪座架进行跟踪调整消除。

影像质量是指影像向人或设备提供信息的能力。在对数字航空摄影影像质量进行评价时, 关注的主要因子为影像拼接质量和表观质量。受传感器硬件限制, 最终成果影像图一般由多幅小影像拼接形成, 受观测角度不同和照度不均影响, 在拼接部分会出现错位和模糊重影等现象, 特别是在纹理较少的区域(如水域)更为突出。为了避免这种情况的发生, 在航空摄影设计时要尽量减少像主点落水概率, 增大重叠度。表观质量主要考虑影像上的云、云影和雾霾的情况, 对于常规的积雪、烟和阴影, 在海岸带航空摄影时出现概率较少, 另外需要注意的是大面积水域的镜面反射效应。选择光照条件好、能见度高的天气进行飞行作业, 对于个别的云及云影, 可利用高重叠的影像采取叠加镶嵌的方式进行消除; 对于反光问题, 则可综合考虑飞行时间、太阳方位和航线布设方向; 对于云、云影和反光处全为水域的情况, 可不做质量要求。

数字航空摄影获取的数据涵盖了机载GPS、惯性导航系统(inertial navigation system, INS)和地面基站, 获得的影像也以数字形式进行表达, 因此相比于传统的航空摄影数据, 需要检查和评价的质量元素较多, 且变化复杂。

1.3.1 影像数据完整性

影像数据的完整性是指在航空摄影过程中, 相机是否按照原先计划好的方案进行曝光, 有无发生漏拍、少拍的情况。若不完整, 应及时查看获取的影像数据是否满足最小重叠度要求, 若不满足, 则要补拍。补拍时需至少前后延长2~3条基线以满足制图接边需求, 且补拍时间尽量与原时间相近, 减少地物变化产生的误差影响。

1.3.2 机载和地面数据的连续性

在数据获取期间, 机载POS和地面基站设备应确定是否发生卫星失锁和数据缺失的情况, 且地面基站的观测时间早于机载设备开机时间、晚于机载设备的关机时间, 确保差分解算的稳定性。

1.3.3 数据质量和精度

数据质量和精度是指机载GPS、INS和地面基站设备是否工作正常、记录的数据是否符合其硬件指标的要求, 以及差分预处理的结果质量是否满足对应比例尺的规范精度要求。

1.3.4 附件质量

除获取的影像与POS数据外, 航空摄影期间的飞行记录表、地面基站观测表和偏心分量量测表等也是后续数据处理和影像制作等工序的重要依据。

海岸带航空摄影的特殊性在于水域面积大、水陆交汇处明显地物点少, 对空三效果造成了直接影响。因此, 在考虑飞行和影像质量的同时, 还要顾及区域网平差时模型连接点、控制点和检查点的平面与高程精度。把空三精度作为质量评价元素是海岸带数字航空摄影有别于传统航空摄影质量评价的主要标志^[5]。

通过航空摄影质量因子分析, 根据海岸带数字航空摄影作业流程将其质量控制与评价分为飞行、影像、数据和空三4部分, 再考虑到海岸带的地域特征, 细化出各质量控制子元素。具体的质量元素类目与评价指标如表1所示。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 航空摄影质量控制元素与评价指标 Tab.1 Quality control elements and evaluation indexes of aerial photography 质量元素Si 质量子元素 Sij 评价指标 飞行质量 航空摄影设计 ①GSD的选取能否满足成图测量精度; ②航线布设是否经济、合理; ③摄影季节和时间的选择是否合理; ④摄影时间与潮汐时间的关系 重叠度 ①航向重叠度; ②旁向重叠度 旋偏角 ①旋偏角是否超限 影像质量 拼接质量 ①是否有错位和模糊重影等现象; ②是否有明显拼接痕迹 表观质量 ①是否有云、云影和雾霾; ②是否有大面积反光; ③是否有影像反差等 数据质量 影像数据完整性 ①是否按原计划方案曝光 机载和地面数据的连续性 ①GPS数据有无失锁; ②GPS数据有无缺失; ③INS数据是否连续; ④地面与机载设备观测时间重叠情况 数据质量和精度 ①设备是否工作正常; ②记录数据是否符合其硬件指标要求; ③测量精度是否满足要求 附件质量 ①各类图表是否完整、正确 空三精度 平面精度 ①控制点、检查点、连接点精度是否满足要求; ②中误差是否满足要求 高程精度 ①控制点、检查点、连接点精度是否满足要求; ②中误差是否满足要求

表1 航空摄影质量控制元素与评价指标 Tab.1 Quality control elements and evaluation indexes of aerial photography

通过对表1中质量元素的评价, 建立加权评价模型, 即针对每一个质量子元素, 设定不同的等级评价标准^[6], 再根据不同元素对最终成果的影响程度赋予相应的权重, 最终的质量优劣由各子元素的等级及其权重的加权值表示。

为了直观地衡量成果质量, 在进行质量评价时, 采用百分制得分法。首先将质量子元素得分预置为100分, 根据评价标准对相应质量子元素中出现的缺陷逐个扣分, 计算公式为

S_i=100-[a₁(12/t)+a₂ (4/t)+a₃ (1/t)] , (3)

式中: a₁, a₂和a₃分别指质量子元素对应的缺陷等级数目; t为扣分调整系数。按照航空困难类区的划分规则^[4], 海岸带地区参照III类地区执行, t取值为2。通过计算, 将质量子元素的缺陷等级划分为4等, 扣分标准为: A类扣42/t分, B类扣12/t分, C类扣4/t分, D类扣1/t分^[3]。当发生A类缺陷时, 必定会进行重飞或者补拍, 所以可将公式(3)简化为

S_i= 100-(6a₁+2a₂+1/2a₃) 。 (4)

整体质量评分的加权评价模型计算公式为

S=∑i, j=1n(Sijpij), (5)

式中: S为整体成果的质量得分; S_i为某个质量元素的等级得分; S_ij为质量子元素得分; p_ij为其对应的权重, 所有权重相加之和等于1。本文提出的质量加权评价模型并未采用常规的多层次加权质量评价方式, 即根据不同的缺陷类型及成果质量特性赋予质量元素及子元素不同的权值, 而是直接赋予子元素权重, 使其直接参与最终成果评价计算。因为数字航空摄影每个作业环节既是单独的个体, 同时具有很强的相关性, 传统的质量评价往往在某一个环节出现不合格情况时, 就需要返工, 否定了后续环节的可操作性和可弥补性。

加权评价模型中, 子元素权重的确定不仅反映了航空摄影流程中各因素对最终质量的影响力, 还直接决定了评价结果的客观性和正确性, 主要分为专家经验法与数学统计法2大类。综合考虑海岸带航空摄影的特殊性, 结合前人的研究成果和相关的规范标准^{[3, 5]}, 基于专家经验法和统计法, 得出本文评价模型中各质量子元素的权重值, 其分布如表2所示。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 质量元素权重分布 Tab.2 Weight distribution of quality elements 质量元素 质量子元素 权重值 飞行质量 航空摄影设计 0.015 重叠度 0.075 旋偏角 0.025 影像质量 拼接质量 0.100 表观质量 0.150 数据质量 影像数据完整性 0.100 机载和地面数据的连续性 0.100 数据质量和精度 0.150 附件质量 0.050 空三精度 平面精度 0.085 高程精度 0.150

表2 质量元素权重分布 Tab.2 Weight distribution of quality elements

通过公式(5)的计算, 可将质量划分为4个等级: S≥ 90, 优秀; 75≤ S< 90, 良好; 60≤ S< 75, 合格; S< 60, 不合格。

需要评价的质量元素中, 数据质量和空三精度可由其硬件厂商或通用的数据处理软件进行处理后, 对照相应比例尺的国家和行业规范进行直接评价。飞行质量评价仍然以人工质检为主。通过对以往研究成果^{[7, 8, 9]}的分析, 归纳出一套基于质量检查软件和POS数据的全数字化飞行质量检查流程, 完成了对飞行各质量子元素的全数字化质量评价, 摆脱了传统评价方式效率低、对作业人员要求高、判别标准不统一的缺点。影像质量则采用王鸿南等^[10]和余长慧等^[11]提出的全局点锐度算法与自适应拟合模版, 辅以人机交互作业, 能准确、快速地反映数字图像的清晰度和亮度等质量。评价流程如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 质量子元素评价方法与流程Fig.2 Evaluation method and process of quality sub elements

选择天津滨海新区至河北曹妃甸的渤海海岸带真彩色数字航空摄影数据作为数据源。共有18条航线, 1 607张像片, 地面空间分辨率为0.35 m, 采用DMC框幅式数字航空摄影设备, 集成AEROcontrol IID型惯性测量单元, 地面基站使用Trimble R5全球定位仪。航空摄影时间分别为2016年8月29日13:35— 17:29和10月5日11:00— 16:20, 光照条件好, 太阳高度角处于要求范围内。根据渤海湾潮汐变化统计, 8月29日13:32有一次高潮位, 10月5日14:08有一次低潮位, 潮汐的持续时间为1 h左右。

按照提出的全要素直接参与的加权法质量评价模型, 对航空摄影各个环节所包含的子元素进行质量检查、打分和统计, 具体结果如表3所示。

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 全要素直接参与的加权法评价结果 Tab.3 Valuation results of total factors involved weighting method 质量元素 质量子元素 B类缺陷个数 C类缺陷个数 D类缺陷个数 得分 飞行质量 航空摄影设计 2 2 5 81.5 重叠度 1 3 0 94.0 旋偏角 4 1 14 67.0 影像质量 拼接质量 0 3 6 91.0 表观质量 1 4 10 81.0 数据质量 影像数据完整性 0 0 0 100.0 机载和地面数据的连续性 1 0 0 94.0 数据质量和精度 0 0 0 100.0 附件质量 1 5 6 81.0 空三精度 平面精度 0 2 2 95.0 高程精度 0 4 2 91.0

表3 全要素直接参与的加权法评价结果 Tab.3 Valuation results of total factors involved weighting method

从表3中统计和各子元素得分可以看出:

(1)飞行质量中, 整个航空摄影过程基本按照计划实施, 但摄影时间受空域协调影响难以顾及潮汐时间, 因此航空摄影计划扣分较多; 航向重叠按80%进行设计, 基线长度短且曝光间隔小, 飞行时海面气流复杂多变, 稳定座架震动剧烈, 造成旋偏角偏大, 得分仅为合格。

(2)影像质量中, 受益于合理的航线布设, 绝大多数像片的像主点均未落入水中, 影像拼合效果好; 海岸带地区湿气较大, 飞行季节又处于夏季, 影像效果受水汽干扰明显; 另外, 存在云干扰数据, 降低了表观质量。

(3)数据质量中, 出现了1次地面基站断电情况, 但该架次采用精密单点定位方式, 得到了满足要求的解算结果; 利用后处理软件的相关功能, 可弥补图表缺失和降低系统误差。

(4)空三精度中, 平面精度明显优于高程精度。值得注意的是, 在不使用地面控制点而直接采用机载POS直接地理定位结果时, 平面精度仍可满足1∶ 50 000比例尺正射影像图制作要求^[12]。这在绝对定位精度要求不高、工期紧张、工作区难以进入时, 可采用该手段直接成图作业。

按照公式(5)计算得到最终成果的质量得分为91.37分, 属于优秀级别。该评价方法克服了传统评价方式以某一作业环节的质量高低决定整体成果质量的缺陷, 更加注重各质量子元素之间的相关性, 特别是互补性。本次实验数据的旋偏角、影像表观质量和数据附件记录表等均得分较低, 但通过其他子元素的有效补充提高了质量等级。这在传统的评价方式中是没有考虑到的, 同时为质量控制打开了思路, 对某一作业环节的质量控制可以不仅仅停留在其所包含的子元素范围内, 与其相关的子元素的质量控制往往也能达到类似的效果。

为了验证评价结果, 利用获取的航空遥感数据, 在无地面控制点的情况下选取2幅1∶ 50 000比例尺标准分幅进行数字高程模型(digital elevation model, DEM)与数字正射影像图(digital orthophoto map, DOM)成图, 对其中布设的24个精度检查点与立体模型下测量的坐标进行对比, 得到平面和高程中误差分别为± 2.28 m和± 2.89 m。可以满足1∶ 5 000比例尺DOM平面精度要求^[12]和1∶ 50 000比例尺DEM高程精度指标^[13]。实验区DOM和DEM成果分别如图3所示, 实际作业得到的影像图成果质量优良, 与本文的评价结果吻合。

图3

Fig.3

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	图3 天津北疆发电厂二期DOM和DEM成果Fig.3 DOM and DEM results of Beijiang power plant in Tianjin