利用A3數(shù)碼航攝儀進(jìn)行復(fù)雜地形控制點(diǎn)布設(shè)的研究

蔣春華(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049;2.中國(guó)科學(xué)院地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430076)

一、引 言

航空攝影測(cè)量技術(shù)經(jīng)歷了模擬攝影測(cè)量和解析攝影測(cè)量階段，發(fā)展到今天的全數(shù)字?jǐn)z像測(cè)量階段，已經(jīng)成為快速測(cè)繪大面積4D產(chǎn)品的最重要手段［1］。隨著航空攝影技術(shù)在測(cè)繪行業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，航攝領(lǐng)域出現(xiàn)了一大批數(shù)碼航攝儀。目前以A3為代表的傾斜攝影儀嶄露頭角，A3航攝儀不僅測(cè)量快速、精確、經(jīng)濟(jì)，能夠減少野外作業(yè)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，而且不受地理?xiàng)l件的限制，因此是以后大面積數(shù)字成圖的一個(gè)重要發(fā)展方向。但是，目前在A3航攝儀外業(yè)控制布設(shè)方面并沒有明確的指導(dǎo)方法，現(xiàn)有航空攝影測(cè)量的相關(guān)技術(shù)規(guī)范主要針對(duì)傳統(tǒng)的攝影測(cè)量方式，傳統(tǒng)外業(yè)控制布點(diǎn)時(shí)在航向上主要由所跨的基線數(shù)決定，如果A3航攝儀還用所跨基線數(shù)來確定控制點(diǎn)分布，會(huì)產(chǎn)生太多不必要的外業(yè)控制點(diǎn)，無(wú)形中給外業(yè)增加不必要的工作量［2］。另外，現(xiàn)有的數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)方案較少且存在一定的局限性，并不能完全適應(yīng)于A3航攝儀。外業(yè)控制測(cè)量及控制點(diǎn)布設(shè)方面，理論支撐或可借鑒的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)也不多［3］。

本文針對(duì)A3航攝儀外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)，提出了5種控制點(diǎn)的布設(shè)方案，通過試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)解算，比對(duì)在不同控制點(diǎn)布設(shè)方案下，空三處理結(jié)果中地面定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)的精度變化，分析其變化規(guī)律性。提出一種既能滿足航測(cè)內(nèi)業(yè)量測(cè)精度要求又能減少外業(yè)工作量的合理布點(diǎn)方案，為A3航攝儀在生產(chǎn)應(yīng)用中提供可靠的控制點(diǎn)布設(shè)參考方案。

二、A3航攝儀優(yōu)勢(shì)分析

A3數(shù)字成像系統(tǒng)包括寬幅航空攝影相機(jī)與自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩部分。同常規(guī)數(shù)碼航攝儀相比，A3航攝儀具有以下優(yōu)勢(shì):①影像分辨率高，A3相機(jī)搭載300 mm的鏡頭，采用長(zhǎng)焦距光學(xué)鏡頭獲取高分辨率影像;②數(shù)據(jù)精度高，影像的高重疊度使得其點(diǎn)位精度較常規(guī)數(shù)碼航攝儀更高;③生產(chǎn)作業(yè)效率更高，A3最大可獲取約62 000像素×8000像素的超寬幅影像圖，同時(shí)地面處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全自動(dòng)化處理。A3航攝儀參數(shù)見表1。

表1 A3相機(jī)參數(shù)表

三、試驗(yàn)概述

本次試驗(yàn)選取中國(guó)西南山區(qū)某地作為試驗(yàn)區(qū)，飛行區(qū)域內(nèi)有平地、丘陵地和高山地，在該區(qū)域內(nèi)，分別采用密周布點(diǎn)、稀疏密周布點(diǎn)、拐點(diǎn)加中間布點(diǎn)、拐點(diǎn)布點(diǎn)、無(wú)控制點(diǎn)方案共5種布點(diǎn)方案進(jìn)行試驗(yàn)。

1.試驗(yàn)區(qū)域概況

該試驗(yàn)區(qū)位于經(jīng)度 105°43'30″—106°03'01″，緯度 32°36'04″—32°41'52″，面積大約 300 km2。周邊多山區(qū)，最高點(diǎn)海拔1370 m，最低點(diǎn)海拔530 m，高差800多米，地形較為復(fù)雜，具有一定的代表性。

2.航攝參數(shù)

本次試驗(yàn)采用A3航攝儀進(jìn)行作業(yè)，航攝比例尺為1 ∶11 100，相對(duì)航高 3300 m，地面分辨率0.1 m，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)航線共有7條，航線間距1700 m，航線長(zhǎng)27～29 km，航向重疊度58%～67%，旁向重疊度60%～65%，航拍影像用來制作1∶1000的數(shù)字正射影像DOM，飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量良好，可以滿足空三加密的要求。

3.影像數(shù)據(jù)空三處理分析

空三加密對(duì)最終的成圖精度有很大影響，其原理是以一張像片組成的一束光線作為一個(gè)平差單元，以中心投影的共線方程作為平差的基礎(chǔ)方程，通過各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實(shí)現(xiàn)最佳交會(huì)，將整體區(qū)域最佳地納入到控制點(diǎn)坐標(biāo)系中，從而確定加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)及像片的外方位元素。像點(diǎn)、攝站及待求物方地面點(diǎn)遵循以下共線方程式［4］

共線方程線性化后誤差方程表示為

誤差方程法方程為

空三精度方面，區(qū)域網(wǎng)平差的平面精度與周邊的平面控制點(diǎn)密度及航帶數(shù)有關(guān)，在區(qū)域網(wǎng)邊緣有較密的平面控制時(shí)，其平面精度與區(qū)域網(wǎng)大小關(guān)系極小，同時(shí)與區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部平面控制關(guān)系也極小。區(qū)域網(wǎng)平差高程精度與高程控制航向跨度有關(guān)［5］。

A3地面處理系統(tǒng)Block Adjustment模塊完成影像的同名像點(diǎn)匹配和光束法區(qū)域平差，由于A3系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)相機(jī)特殊的成像方式(框幅+掃描式)，可獲得高重疊度的影像，同一點(diǎn)在多達(dá)數(shù)十幅上有影像響應(yīng)，可通過數(shù)十個(gè)多余觀測(cè)(共線方程)獲得解算，整個(gè)過程中，通過對(duì)像片間上百萬(wàn)個(gè)聯(lián)接點(diǎn)的自動(dòng)計(jì)算處理得到高精度的空三結(jié)果。

4.試驗(yàn)技術(shù)方案與精度分析

由于A3航攝儀跟常規(guī)的數(shù)碼航攝儀在像幅面大小和成像方式上都有不同，考慮到試驗(yàn)區(qū)域地形復(fù)雜，為了最大限度地降低外業(yè)作業(yè)工作量，同時(shí)又保證達(dá)到成圖精度要求，對(duì)試驗(yàn)區(qū)采用密周布設(shè)控制點(diǎn)，所有的控制點(diǎn)都為平高點(diǎn)。在能夠野外布設(shè)控制點(diǎn)的情況下，航向每隔5 km布設(shè)一個(gè)點(diǎn)，旁向每隔5 km布設(shè)一點(diǎn)，整個(gè)區(qū)域共布設(shè)15個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)分布如圖1所示，本次試驗(yàn)像控點(diǎn)采用GPS RTK施測(cè)，布設(shè)像控點(diǎn)均按平高點(diǎn)要求進(jìn)行布設(shè)。像控點(diǎn)距超寬幅影像邊緣不應(yīng)少于1.5 cm，像控點(diǎn)選在影像清晰的明顯地物點(diǎn)、接近正交的線狀地物交點(diǎn)、地物拐角點(diǎn)或固定的點(diǎn)狀地物上，局部高程變化小且點(diǎn)位周圍相對(duì)平坦［6］。

圖1 控制點(diǎn)布設(shè)示意圖

在整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程中空三處理是保證精度的主要環(huán)節(jié)，對(duì)試驗(yàn)區(qū)影像處理的過程中，按照一定的分布規(guī)律逐漸減少控制點(diǎn)參與空三解算，控制點(diǎn)選取按照下面5種方案:①密周布點(diǎn):所有15個(gè)外業(yè)控制點(diǎn)參加光束法平差;②稀疏密周布點(diǎn):按照旁向每隔5 km、航向每隔10 km一個(gè)平高點(diǎn)，共選取9個(gè)平高點(diǎn);③拐點(diǎn)加中間布點(diǎn):選取四周4個(gè)拐點(diǎn)和中心點(diǎn)，共5個(gè)平高點(diǎn);④拐點(diǎn)布點(diǎn):只選取四角4個(gè)平高點(diǎn)［7］;⑤無(wú)控制點(diǎn):無(wú)控制點(diǎn)參與解算。對(duì)上述5種控制點(diǎn)布設(shè)方案，依次進(jìn)行空三解算，空三處理后，地面定向點(diǎn)結(jié)果見表2。

表2 光束法平差結(jié)果 m

表2中，RMSx為定向點(diǎn)北坐標(biāo)x的中誤差;RMSy為定向點(diǎn)東坐標(biāo)y的中誤差;RMSxy為定向點(diǎn)的平面中誤差;RMSz為定向點(diǎn)的高程中誤差［8］。無(wú)控制點(diǎn)的情況下空三結(jié)果通過檢查點(diǎn)核算，對(duì)地面多余控制點(diǎn)進(jìn)行檢核計(jì)算，多余控制點(diǎn)精度見表3。

表3 檢查點(diǎn)精度結(jié)果 m

表3中，Mx為檢查點(diǎn)北坐標(biāo)x的中誤差;My為檢查點(diǎn)東坐標(biāo)y的中誤差;Mxy為檢查點(diǎn)的平面中誤差;Mz為檢查點(diǎn)的高程中誤差［9］。根據(jù)地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范可知，1∶1000山地空三地面定向點(diǎn)、多余控制點(diǎn)限差表見表4［10］。

表4 1∶1000山地空三定向點(diǎn)、多余控制點(diǎn)限差表m

通過比較表2、表3和表4可知:密周布點(diǎn)法、稀疏密周布點(diǎn)法、拐點(diǎn)加中間布點(diǎn)、拐點(diǎn)布點(diǎn)、無(wú)控制點(diǎn)布設(shè)這5種控制點(diǎn)布設(shè)方案都能夠滿足精度限差要求。密周布點(diǎn)法和稀疏密周布點(diǎn)解算精度很理想;拐點(diǎn)加中間布點(diǎn)和拐點(diǎn)布點(diǎn)解算中誤差明顯加大;由地面檢查點(diǎn)結(jié)果可知，無(wú)控制點(diǎn)布設(shè)情況下解算結(jié)果檢查點(diǎn)中誤差最大。總體來看，隨著像控點(diǎn)之間間隔距離的增加，參與解算像控點(diǎn)減少，定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差和高程中誤差呈增大的趨勢(shì)。

四、結(jié) 論

綜合試驗(yàn)生產(chǎn)工作量情況和各項(xiàng)成果的精度可得出以下結(jié)論:

1)采用A3航攝儀進(jìn)行山地區(qū)域航空攝影作業(yè)時(shí)，在控制點(diǎn)布設(shè)方案的選擇中，如果作業(yè)范圍較小可以選擇無(wú)控制點(diǎn)方案。但是范圍較大的情況下，為了保證空三結(jié)果精度更優(yōu)，選擇拐點(diǎn)加中間布點(diǎn)方案，在4個(gè)拐點(diǎn)與中心位置各布設(shè)一個(gè)控制點(diǎn)對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行控制，這樣整體空三的精度更可靠。

2)對(duì)于大范圍測(cè)區(qū)，建議按照稀疏密周布點(diǎn)布設(shè)方案，如果條件允許，5～10 km布設(shè)一個(gè)平高點(diǎn)，對(duì)于困難區(qū)域，可適當(dāng)放寬一點(diǎn)。

3)由于A3航攝儀的特殊作業(yè)方式，本次試驗(yàn)中無(wú)控制點(diǎn)空三解算后，精度可以達(dá)到要求，但是對(duì)于常規(guī)框幅式及推掃式數(shù)碼航攝儀無(wú)控制點(diǎn)布設(shè)方案的可行性，還需進(jìn)一步試驗(yàn)。

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