航空攝影測量POS模擬方法研究

鄧?yán)^偉　吳　昊

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

Research on the POS Simulation of Aerial Photogrammetry

DENG Jiwei　WU Hao

航空攝影測量POS模擬方法研究

鄧?yán)^偉吳昊

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

Research on the POS Simulation of Aerial Photogrammetry

DENG JiweiWU Hao

摘要針對無POS輔助航空攝影測量項(xiàng)目空三加密困難的問題，依據(jù)航空攝影測量航空攝影重疊度計(jì)算理論，提出POS模擬方法。該方法能較為精確地進(jìn)行空三加密文件的初始化，從而提高影像自動(dòng)匹配的成功率，對提高空三加密效率和精度具有很強(qiáng)的實(shí)用性和必要性。相應(yīng)研發(fā)的軟件不僅能應(yīng)用于幾類國內(nèi)外空三加密軟件的加密文件初始化，也可以用于航空攝影測區(qū)影像飛行質(zhì)量的檢查。

關(guān)鍵詞航空攝影測量POS模擬空三加密

航空攝影測量技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，已成為新建鐵路、新建公路選線和設(shè)計(jì)所需帶狀地形圖成圖的重要手段之一。一般來說，從航空攝影到基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)產(chǎn)品的獲取包括航空攝影、地面控制、空三加密、內(nèi)業(yè)測圖等幾個(gè)階段。其中，空中三角測量是攝影測量的關(guān)鍵步驟，它利用少量地面控制點(diǎn)將整個(gè)區(qū)域網(wǎng)連接成一個(gè)整體，通過區(qū)域網(wǎng)平差，計(jì)算一個(gè)測區(qū)中所有影像的外方位元素和所有加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)，用于模型定向以及后續(xù)4D產(chǎn)品的生產(chǎn)。空中三角測量是攝影測量內(nèi)業(yè)工作的核心，空三加密的精度高低和速度快慢直接影響到整個(gè)作業(yè)的精度和效率。

常規(guī)的空三加密辦法是在空三加密開始就加入外控成果，運(yùn)用外控成果進(jìn)行定向初始化，這樣能較為準(zhǔn)確地恢復(fù)像片的相對位置和攝影姿態(tài)，從而有利于提高匹配的成功率和匹配點(diǎn)的量測精度。實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常都是航攝過程中甚至航攝完成后才進(jìn)行外控成果的采集，外業(yè)采集外控成果通常需要一定的時(shí)間。在項(xiàng)目任務(wù)工期要求比較緊的時(shí)候，運(yùn)用常規(guī)辦法進(jìn)行空三加密，工期就將推遲，從而影響整個(gè)航測成圖。為了縮短在空三加密工序中的時(shí)間，通常在外業(yè)進(jìn)行外控成果采集的同時(shí)，內(nèi)業(yè)在自由網(wǎng)下進(jìn)行加密，待外業(yè)成果采集完成后再加入外控成果進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)聯(lián)立解算，從而完成空三加密工作。

相對定向時(shí)，在沒有外控成果的情況下，自動(dòng)量測模型連接點(diǎn)的成功率是比較低的，進(jìn)行連接點(diǎn)影像匹配時(shí)將不會(huì)很準(zhǔn)確，建立的立體模型精度也不會(huì)很高。只有在影像質(zhì)量比較好、拍攝姿態(tài)比較穩(wěn)定以及測區(qū)地形比較平坦時(shí)，自動(dòng)量測模型連接點(diǎn)的成功率才比較高；但同樣有很多點(diǎn)位需要重新調(diào)整，剔除粗差和修改工作量也比較大。在這種情況下，空中三角文件設(shè)置時(shí)，給出的航片初始外方位元素的精度尤為重要，較為準(zhǔn)確的加密初始化文件不僅能提高自動(dòng)匹配的成功率，而且也能減少加入外控成果進(jìn)行平差時(shí)的錯(cuò)誤率。例如利用SOCET SET進(jìn)行加密時(shí)，空三加密文件初始化的航高、平均地面高程以及重疊度的給定合理與否直接造成連接點(diǎn)匹配成功率成倍的增加或減少，給空三加密工序帶來極大的影響。從以往的空三加密經(jīng)驗(yàn)可知，在沒有POS數(shù)據(jù)的航攝項(xiàng)目或者POS無法解算的航攝項(xiàng)目中，空三工程的建立及空三匹配都十分困難，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)后續(xù)處理的效率，在此類項(xiàng)目中能否較為精確地進(jìn)行POS數(shù)據(jù)的模擬變得尤為重要。

綜上所述，深入進(jìn)行POS模擬相關(guān)工作的研究對空三加密具有很強(qiáng)的實(shí)用性和必要性，將研究成果直接運(yùn)用于實(shí)際的航測項(xiàng)目生產(chǎn)，對提高工作效率有重要的價(jià)值和意義。

1關(guān)鍵技術(shù)

1.1　影像的顯示、瀏覽與交互操作

根據(jù)工程處理速度和顯示效率的需要，將測區(qū)內(nèi)的影像按比例生成縮略圖，縮略圖的比例根據(jù)影像實(shí)際大小和顯示效果，由作業(yè)員自行決定。

可以同時(shí)打開一幅或多幅數(shù)字?jǐn)z影工作站常用格式的數(shù)字影像，在選擇影像的同時(shí)獲取影像的相關(guān)信息，如影像的高度、寬度、波段數(shù)等，并能設(shè)置影像的縮放比例，并顯示預(yù)覽圖。顯示過程中，影像可以實(shí)現(xiàn)半透明顯示，并能隨時(shí)調(diào)整影像顯示的透明度。

打開影像后，可以對選中的影像實(shí)行平移、旋轉(zhuǎn)及調(diào)整透明度等功能，可以通過點(diǎn)擊影像屬性條節(jié)點(diǎn)或者通過影像控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)。處理影像時(shí)，可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊拖拽的方式，也可以通過直接輸入偏移量的方式進(jìn)行。

1.2　簡易POS模擬

在測區(qū)影像飛行質(zhì)量較好的情況下，測區(qū)飛行比較均勻規(guī)則，基本按航線設(shè)計(jì)重疊度、設(shè)計(jì)航高飛行，為了提高空三初始化速度，可以采用該模塊。首先建立測區(qū)信息，設(shè)置好航帶相對位置關(guān)系，以及每條航帶內(nèi)影像位置關(guān)系，設(shè)置好航向、旁向重疊度，航攝絕對航高、平均地面高、影像信息(影像高度、寬度、內(nèi)方位元素等)[1，2]。

bX=LX(1-pX)

dY=Ly(1-qY)

式中bX——像片上的攝影基線長度/mm；

BX——實(shí)地上的攝影基線長度/m；

dY——像片上的航線間隔寬度/mm；

DY——實(shí)地上的航線間隔寬度/m；

LX、LY——像幅長度和寬度/m；

qX、qY——像片航向和旁向重疊度(以百分比表示)；

f——焦距/mm；

H——攝影航高/m。

簡易POS模擬軟件界面如圖1所示。

1.3　精確確定影像相對位置關(guān)系

精確確定影像相對位置關(guān)系分成兩種方式：第一種為手動(dòng)鼠標(biāo)拖拽的方式實(shí)現(xiàn)影像的旋轉(zhuǎn)平移等操作，從而確定影像間相對位置關(guān)系，具有較強(qiáng)的直觀性和交互性。第二種方式為手工精確選取相鄰影像間的兩個(gè)或兩個(gè)以上同名點(diǎn)，計(jì)算出影像間的旋轉(zhuǎn)偏移參數(shù)，實(shí)現(xiàn)相鄰影像間的相對位置關(guān)系確定。

第一種方式為客戶區(qū)可視化影像操作，精確計(jì)算外方位元素。通過手動(dòng)鼠標(biāo)拖拽的方式實(shí)現(xiàn)影像的旋轉(zhuǎn)平移等操作，從而確定影像間相對位置關(guān)系，具有較強(qiáng)的直觀性和交互性。

第二種方式為選取影像間同名點(diǎn)，精化外方位元素初始化。首先根據(jù)航線信息，建立好測區(qū)影像組織工程，然后在影像定向處理界面下導(dǎo)入影像組織工程，選取同名點(diǎn)并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算(如圖2、圖3所示)。

2軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1　POS模擬軟件作業(yè)流程

根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)中的思路，軟件共提供三種POS模擬方式，分別為通過客戶區(qū)交互式影像操作模擬POS數(shù)據(jù)，制定影像組織工程，然后通過選取影像間同名點(diǎn)模擬POS數(shù)據(jù)，通過測區(qū)及飛行數(shù)據(jù)簡易模擬POS數(shù)據(jù)等。POS模擬軟件作業(yè)流程如圖4所示。

2.2　POS模擬軟件模塊介紹

POS模擬軟件共分為三大模塊：影像處理模塊、POS模擬模塊及成果輸出模塊，系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。

3實(shí)例分析

為了驗(yàn)證所述算法的可行性，將軟件在山西某鐵路專用線初測項(xiàng)目中進(jìn)行了試用，該項(xiàng)目中使用的是無人機(jī)航飛，相對航高為750 m，平均地面高為1 020 m。本次試驗(yàn)使用選取影像間同名點(diǎn)進(jìn)行模擬POS的方式，模擬出來的POS數(shù)據(jù)如表1所示。

表1中，選擇了三條航線的其中部分片子進(jìn)行示例，利用模擬出來的粗略POS數(shù)據(jù)，使用INPHO攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行空三加密，取得了較好的效果。

隨后又在河北某地區(qū)正射影像項(xiàng)目中進(jìn)行了試用，利用該軟件模擬出的POS均能滿足空三加密軟件匹配所需的影像初始外方位元素的精度要求。實(shí)踐證明，該方法具備可行性，并能大幅提高空三匹配效率，減少人工添加同名點(diǎn)工作量。

4結(jié)束語

在無POS輔助的航空攝影測量項(xiàng)目中，依據(jù)航空攝影測量航空攝影重疊度計(jì)算理論，采用軟件對常用空三加密文件進(jìn)行初始化；利用人工交互對測區(qū)影像進(jìn)行相關(guān)操作的方式進(jìn)行測區(qū)POS數(shù)據(jù)的模擬，從而解決空三加密文件初始化精度差的難題。

該P(yáng)OS模擬方法的研究，明顯提高了無POS輔助航空攝影測量空三加密效率。相應(yīng)研發(fā)的軟件不僅能應(yīng)用于常用幾類國內(nèi)外空三加密軟件的加密文件初始化，也可以用于航空攝影測區(qū)影像飛行質(zhì)量的檢查，具有廣泛的應(yīng)用前景，效益明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T19294—2003航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2]GB/T 27919—2011IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)范[S]

[3]張劍清，潘勵(lì)，王樹根.攝影測量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2003

[4]喬瑞亭，孫和利，李欣.攝影與空中攝影學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2005．

[5]張永軍，熊金鑫，熊小東，等.POS數(shù)據(jù)的上下視差誤差源檢測及誤差補(bǔ)償回歸模型[J].測繪學(xué)報(bào)，2011(5):604-609

[6]劉力榮，左建章，關(guān)艷玲.POS輔助航空攝影測量精度分析[J].測繪科學(xué)，2012，37(4):197-198

[7]張祖勛.數(shù)字?jǐn)z影測量與計(jì)算機(jī)視覺[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2004，29(12)：1035-1039

[8]高文峰.POS輔助數(shù)碼航空攝影測量測繪既有鐵路精度分析[J].鐵道勘察，2015，41(1):17-21

[9]鄧?yán)^偉，張麗.基于DEM的鐵路帶狀數(shù)字航空攝影航線優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鐵道勘察，2011，37(5):34-37

[10]宗偉麗，甘俊.DMC230檢校場布設(shè)方案及檢校精度分析[J].鐵道勘察，2011，37(5):29-30

中圖分類號：P231

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)05-0016-03

作者簡介：第一鄧?yán)^偉(1986—)，男，2010年畢業(yè)于武漢大學(xué)攝影測量與遙感專業(yè)，工程師。

基金項(xiàng)目：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司基金支撐項(xiàng)目(821419)

收稿日期：2015-05-18