輔助定向法空中三角測量區域網布控方案分析

黃 健，鄒學忠

(江蘇省測繪工程院，江蘇南京 210013)

輔助定向法空中三角測量區域網布控方案分析

黃 健，鄒學忠

(江蘇省測繪工程院，江蘇南京 210013)

設置了輔助定向法空中三角測量區域網劃分和地面控制點布設的不同方案，通過試驗驗證并比較其精度，試圖找出一種合理的、適用于實際生產作業的輔助定向法空中三角測量區域網布控方案。本文貼近作業生產，切合實際，對于測繪生產具有較好的參考作用。

POS；ISO；航空攝影測量；空中三角測量；區域網

一、引 言

輔助定向法[1](integrated sensor orientation，ISO)是機載POS輔助航空攝影測量技術的一種空中三角測量方法，又稱為集成傳感器定向法，是采用IMU/GPS輔助航空攝影技術，得到每張像片的外方位元素，與地面控制點共同參與空中三角測量，再進行定向測圖的航空攝影測量方法。

當GPS、IMU與航攝儀三者之間的空間關系未知或不精確時，需要有適量的地面控制點參與，通過將DGPS/IMU系統獲取的三維空間坐標和空間姿態數據作為空中三角測量的附加觀察值參與區域網平差，從而高精度獲取每張像片的外方位元素[2]。

輔助定向法實際上是在現階段利用POS數據進行直接定向無法達到項目生產精度要求時的一種折中方案。采用布設一定數量的地面控制點，通過空中三角測量的方法，實現更加精確的定姿定向。它相比于直接定向法[1](direct georeferencing，DG)，實現了更加精確的定向結果。它相比于常規光束法空中三角測量，由于有POS數據的附加觀測值的參與，能夠大大減少所需要的地面控制點的數目。由于既有POS數據的約束，又有地面控制點的約束，輔助定向法具有比直接定向法和常規光束法空中三角測量更好的容錯能力和粗差剔除能力。

常規航空攝影測量中，控制測量是一個耗時耗力，又必不可少的環節。一個區域網需要布設大量的地面控制點才能滿足相關精度要求。而根據POS輔助航空攝影測量輔助定向法空中三角測量的相關理論，僅需少量地面控制點布設即可滿足空中三角測量的精度要求。但是，少量究竟可以少到一個怎樣的程度，目前相關文獻還沒有定論。本文試圖通過結合與實際生產相關的一系列試驗，給出一個符合江蘇省基礎測繪生產實際情況的較合理的POS輔助航空攝影測量輔助定向法空中三角測量控制點布設方案。

二、試驗概況

本文中相關的一系列試驗為江蘇省測繪地理信息局科研基金項目《機載POS技術在省級基礎測繪數據更新中的應用研究》課題項目的一部分。該科研項目結合省級基礎測繪生產，試圖為江蘇省“十二五”省級基礎測繪1∶10 000數據更新項目的生產探索出一條可行的技術路徑。

根據區域網布點原則，有“……采用數字攝影資料時，區域的航線數不宜超過12條，基線數不宜超過32條，……控制點跨度應符合：航向≤8條基線，旁向≤6條航線……”[3]的規定。在實際作業中，如按此最低要求進行區域網布設，高程精度往往不能滿足作業精度要求。因此，實際生產中通常是采用“丘陵地區以不大于4條航線，航向相鄰控制點間的跨度不大于6條基線布設像控點，32條基線為一個區域網。……區域網劃分的航線仍為4條航線，但航向跨度不得大于8條基線”的方式進行區域網劃分，并在其中加密布設高程控制點。因此在實際生產中，一個常規光束法空三加密區域網的大小通常為4條航線，不超過200張像片的區域范圍需要布設約30個左右的地面控制點。

為比較輔助定向法的布控優勢，試驗設置了3塊不同大小的區域網及5套控制方案：

1)第1塊區域網設置為包含5條航線，共計200張航片的區域網，選用5個平高地面控制點作為基本定向點進行控制，選用4個平高地面控制點作為檢查點，記為常規區域網方案(S方案)。其區域劃分和布控如圖1所示。

圖1 常規區域網布設略圖

2)第2塊區域網設置為包含13條航線，共計633張像片的區域網，分別選用1個、4個和9個平高地面控制點作為基本定向點進行控制，若干個平高地面控制點作為檢查點，記為較大型區域網單點控制方案(M1方案)、較大型區域網4點控制方案(M4方案)和較大型區域網9點控制方案(M9方案)。其區域劃分和布控如圖2所示。

圖2 較大型區域網布設略圖

3)第3塊區域網設置為包含11條航線，共計1045張像片的區域網，選用8個平高地面控制點作為基本定向點進行控制，選用6個平高地面控制點作為檢查點，記為大型區域網方案(L方案)。其區域劃分和布控如圖3所示。

圖3 大型區域網布設略圖

在一系列ISO法POS輔助空中三角測量前，機載POS系統采用一個單架次，包含4條航線，共計92張像片的區域網，使用36個地面平高點進行基本定向的區域網實施空三加密進行過系統檢校和改正。

三、空中三角測量

試驗中，該5套方案區域網的空中三角測量均采用在INPHO攝影測量系統中的MATCH-AT功能組件下施測。通過空中三角測量加密解算，加密解算成果精度指標如下。

1.S方案ISO法空三加密指標

(1)基本定向點精度指標

空三加密后，X方向基本定向點殘差最大為0.304 m，Y方向基本定向點殘差最大為0.343 m，符合限差(平地3 m)要求。Z方向基本定向點殘差最大為0.071 m，符合限差(平地0.22 m)要求[4]。

(2)檢查點精度指標

X方向檢查點的不符值最大為0.289 m，Y方向檢查點的不符值最大為0.212 m，符合限差(平地3.5 m)要求。Z方向檢查點的不符值最大為0.202 m，符合限差(平地0.3 m)要求[4]。

(3)連接點精度指標

X方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.072 m，Y方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.077 m，符合平面位置中誤差(平地3.5 m)要求。Z方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.109 m，符合高程中誤差(平地0.3 m)要求。連接點上下視差最大殘差為 2.7 um，連接點上下視差中誤差為0.6 um，符合相對定向精度要求[4]。

2.M1方案ISO法空三加密指標

(1)基本定向點精度指標

由于僅轉刺了一個基本定向點，空三加密平差后，平面、高程方向誤差均為0，滿足限差要求[4]。

(2)檢查點精度指標

X方向檢查點的不符值最大為0.955 m，Y方向檢查點的不符值最大為1.129 m，符合限差(平地3.5 m)要求。Z方向檢查點的不符值最大為1.213 m，不符合限差(平地0.3 m)要求[4]。

(3)連接點精度指標

X方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.161 m，Y方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.162 m，符合平面位置中誤差(平地3.5 m)要求。Z方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.133 m，符合高程中誤差(平地0.3 m)要求。連接點上下視差最大殘差為 3.7 um，連接點上下視差中誤差為0.7 um，符合相對定向精度要求[4]。

3.M4方案ISO法空三加密指標

(1)基本定向點精度指標

空三加密后，X方向基本定向點殘差最大為0.314 m，Y方向基本定向點殘差最大為0.278 m，符合限差(平地3 m)要求。Z方向基本定向點殘差最大為0.044 m，符合限差(平地0.22 m)要求[4]。

(2)檢查點精度指標

X方向檢查點的不符值最大為0.791 m，Y方向檢查點的不符值最大為0.873 m，符合限差(平地3.5 m)要求。Z方向檢查點的不符值最大為0.880 m，不符合限差(平地0.3 m)要求[3]。

(3)連接點精度指標

X方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.089 m，Y方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.091 m，符合平面位置中誤差(平地3.5 m)要求。Z方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.093 m，符合高程中誤差(平地0.3 m)要求。連接點上下視差最大殘差為 3.1 um，連接點上下視差中誤差為0.7 um，符合相對定向精度要求[4]。

4.M9方案ISO法空三加密指標

(1)基本定向點精度指標

空三加密后，X方向基本定向點殘差最大為0.278 m，Y方向基本定向點殘差最大為0.352 m，符合限差(平地3 m)要求。Z方向基本定向點殘差最大為0.075 m，符合限差(平地0.22 m)要求[4]。

(2)檢查點精度指標

X方向檢查點的不符值最大為0.196 m，Y方向檢查點的不符值最大為0.249 m，符合限差(平地3.5 m)要求。Z方向檢查點的不符值最大為0.299 m，符合限差(平地0.3 m)要求[4]。

(3)連接點精度指標

X方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.041 m，Y方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.044 m，符合平面位置中誤差(平地3.5 m)要求。Z方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.079 m，符合高程中誤差(平地0.3 m)要求。連接點上下視差最大殘差為 3.1 um，連接點上下視差中誤差為0.7 um，符合相對定向精度要求[4]。

5.L方案ISO法空三加密指標

(1)基本定向點精度指標

空三加密后，X方向基本定向點殘差最大為0.351 m，Y方向基本定向點殘差最大為0.516 m，符合限差(平地3 m)要求。Z方向基本定向點殘差最大為0.098 m，符合限差(平地0.22 m)要求[4]。

(2)檢查點精度指標

X方向檢查點的不符值最大為0.282 m，Y方向檢查點的不符值最大為0.416 m，符合限差(平地3.5 m)要求。Z方向檢查點的不符值最大為0.272 m，符合限差(平地0.3 m)要求[4]。

(3)連接點精度指標

X方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.065 m，Y方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.066 m，符合平面位置中誤差(平地3.5 m)要求。Z方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.083 m，符合高程中誤差(平地0.3 m)要求。連接點上下視差最大殘差為 4.0 um，連接點上下視差中誤差為0.7 um，符合相對定向精度要求[4]。

四、精度檢測

運用MapMatrix系統對以上5套方案生產的成果數據進行精度檢測。在內業立體環境下采用量測已知點位的方式實施精度檢測。其檢測精度數據如下。

1.S方案精度檢測指標

S方案選擇測區中43個有效地物點作為精度檢測點實施精度檢測，其檢測精度如圖4所示。

圖4 S方案精度統計圖

根據精度統計數據，平面方向上，X方向最大誤差為1.182 m，Y方向最大誤差為-0.995 m，符合內業測圖平面最大誤差(平地7 m)要求。平面中誤差：X方向為0.455 m，Y方向為0.384 m，D方向為0.595 m，符合內業測圖平面中誤差(平地3.5 m)要求。高程方向最大殘差為-0.715 m，有1個檢測點超過高程注記點最大誤差(平地0.7 m)要求，記為粗差點，占總檢測點數的2.33%，符合粗差不大于5%的要求。高程方向中誤差為0.330 m，符合內業測圖高程中誤差(平地0.35 m)要求[5]。

2.M1方案精度檢測指標

M1方案選擇測區中127個有效地物點作為精度檢測點實施精度檢測，其檢測精度如圖5所示。

根據精度統計數據，平面方向上，X方向最大誤差為-1.159 m，Y方向最大誤差為-2.351 m，符合內業測圖平面最大誤差(平地7 m)要求。平面中誤差：X方向為0.348 m，Y方向為0.635 m，D方向為0.724 m，符合內業測圖平面中誤差(平地3.5 m)要求。高程方向最大殘差為-1.384 m，共計9個檢測點超過高程注記點最大誤差(平地0.7 m)要求，記為粗差點，占總檢測點數的7.09%，超過粗差點不大于5%的要求，不符合精度統計要求[5]。

圖5 M1方案精度統計圖

3.M4方案精度檢測指標

M4方案選擇測區中127個有效地物點作為精度檢測點實施精度檢測，其檢測精度如圖6所示。

圖6 M4方案精度統計圖

根據精度統計數據，平面方向上，X方向最大誤差為-1.309 m，Y方向最大誤差為-2.057 m，符合內業測圖平面最大誤差(平地7 m)要求。平面中誤差：X方向為0.393 m，Y方向為0.479 m，D方向為0.620 m，符合內業測圖平面中誤差(平地3.5 m)要求。高程方向最大殘差為-1.326 m，共計7個檢測點超過高程注記點最大誤差(平地0.7 m)要求，記為粗差點，占總檢測點數的4.72%，符合粗差點不大于5%的要求，高程方向中誤差為0.322 m，符合內業測圖高程中誤差(平地0.35 m)要求[5]。

4.M9方案精度檢測指標

M9方案選擇測區中254個有效地物點作為精度檢測點實施精度檢測，其檢測精度如圖7所示。

根據精度統計數據，平面方向上，X方向最大誤差為1.639 m，Y方向最大誤差為-2.048 m，符合內業測圖平面最大誤差(平地7 m)要求。平面中誤差：X方向為0.419 m，Y方向為0.520 m，D方向為0.668 m，符合內業測圖平面中誤差(平地3.5 m)要求。高程方向最大殘差為-1.231 m，共計11個檢測點超過高程注記點最大誤差(平地0.7 m)要求，記為粗差點，占總檢測點數的4.33%，符合粗差點不大于5%的要求。高程方向中誤差為0.310 m，符合內業測圖高程中誤差(平地0.35 m)要求[5]。

圖7 M9方案精度統計圖

5.L方案精度檢測指標

L方案選擇測區中402個有效地物點作為精度檢測點實施精度檢測，其檢測精度如圖8所示。

圖8 L方案精度統計圖

根據精度統計數據，平面方向上，X方向最大誤差為-2.152 m，Y方向最大誤差為-2.416 m，符合內業測圖平面最大誤差(平地7 m)要求。平面中誤差：X方向為0.420 m，Y方向為0.560 m，D方向為0.699 m，符合內業測圖平面中誤差(平地3.5 m)要求。高程方向最大殘差為-0.761 m，有1個檢測點超過高程注記點最大誤差(平地0.7 m)要求，記為粗差點，占總檢測點數的0.25%，符合粗差點不大于5%的要求。高程方向中誤差為0.254 m，符合內業測圖高程中誤差(平地0.35 m)要求[5]。

五、數據分析

通過以上精度指標統計可以看出：當區域網范圍與常規空三加密區域網范圍相近時，采用ISO法實施空中三角測量，僅需5個地面控制點即可實現常規空三加密需30個左右地面控制點才能達到的精度水平。考慮到ISO法若進行POS系統檢校還需32個地面控制點，看似其方法并不經濟。但是，整個測區應包括若干個區域網，而在較短周期完成航攝的前提下，僅需1～2次系統檢校。因此，宏觀上看，ISO法比常規空三需要更少的地面控制，且測區越大，其能效比越高。

劃分的區域網，范圍從200張像片，增加到633張像片，再增加到1045張像片，地面布設的控制點為5個、9個、8個。采用ISO法實施空三加密，無論是加密精度指標還是檢測精度指標均符合內業相關規范要求。同時，從精度統計數據可以看出，隨著區域網范圍的擴大，其精度指標有逐步收斂的趨勢。這是因為隨著區域網范圍的擴大，其所包含的像片數增加，隨之作為附加觀測值參與區域網平差的像片的POS數據也增多，其約束條件增多，區域網的控制強度增強，區域網整體平差精度提高了。因此，采用ISO法實施空三加密完全可以劃分比常規區域網加密大得多的范圍來實施加密，且地面控制密度要求明顯降低，外業控制作業工作量明顯減少。在條件允許時，區域網應劃分得盡量大一些更能體現ISO法POS輔助空中三角測量的優勢。由于本次試驗受數據及設備條件限制，未劃分更大范圍的區域網進行精度驗證。

對于633張像片的區域，當采用單點實施地面控制時，加密過程中檢查指標超限，其精度檢測精度也不合要求。其主要是高程方向精度不合要求，這與實施單點控制除POS數據外沒有其他條件約束，而POS數據本身高程就沒有那么高的精度水平有關。因此，單點地面控制的ISO法空三加密方案不可行。當采用四角點地面布控方式時，加密過程中的檢查指標超限，也反映在高程方向，但精度檢測時，成果尚能滿足內業測圖要求。這說明，四角布控方式結構不是很穩定，受數據誤差影響較大，采用ISO法空三加密時，網的強度較低，可靠性低。因此，四角點地面控制也不是理想的ISO法空三加密方案。當采用周邊加內部均勻較布設9個地面控制點方案實施ISO法空三加密時，加密及精度檢測各項指標均符合相關規范的要求。結合當區域網劃分有1045張像片時，用8個均勻布設8個地面控制點方案實施ISO法空三加密時，加密及精度檢測指標與之相當的事實，說明地面控制在達到8～9個點時，區域網的結構已經穩定，且其布控方式較為合理，其方式滿足相關規范精度要求。因此，采用周邊布控加中內部檢核的控制布設實施ISO法空三加密方案是較為合適的區域網空三加密方式。

六、結束語

機載POS輔助航空攝影測量對于我國測繪行業來說發展時間還不長，相應的技術規范還不能做到面面俱到，其在機載POS輔助航空攝影測量的區域網劃分和布設方面還沒有一個明確的規定。通過相關的技術試驗和探索，本文得出了“運用ISO法POS輔助空中三角測量，采用合適的區域網劃分和地面控制，完全可以滿足航空攝影測量內業生產要求”，“運用ISO法POS輔助空中三角測量，適當采用更大范圍的區域網，更能體現該技術的能效優勢”等的結論。

通過對機載POS技術的更深層次的研究和應用，勢必可以挖掘出該技術更多的優勢和應用方案，而其技術工藝流程也將更加成熟，并將在我國基礎測繪生產乃至其擴展領域發揮更大的作用。

[1] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 27919—2011 IMU/ GPS輔助航空攝影技術規范[S].北京：中國標準出版社，2012.

[2] 王樹根.攝影測量原理與應用[M].武漢：武漢大學出版社，2009.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.CJJ/T 8—2011城市測量規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 23236—2009數字航空攝影測量空中三角測量規范[S].北京：中國標準出版社，2009.

[5] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 13990—2012 1∶5000 1∶10 000地形圖航空攝影測量內業規范[S].北京：中國標準出版社，2012.

Analysis of Auxiliary Directional Aerial Triangulation Regional Network Control Plan

HUANG Jian，ZOU Xuezhong

P231

B

0494-0911(2014)07-0070-05

2013-03-21

2011年度江蘇省測繪科研項目(JSCHKY201116)

黃 健(1975—)，男，江蘇啟東人，高級工程師，研究方向為攝影測量與遙感、數字城市建設與應用等。

黃健，鄒學忠.輔助定向法空中三角測量區域網布控方案分析[J].測繪通報，2014(7)：70-74.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0229