基于UCD/UCX航攝影像的像控點布設方案研究

鄧 芳，張 俊，劉 怡，李春華，劉國祥

(1.成都市勘察測繪研究院，四川成都610081;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

基于UCD/UCX航攝影像的像控點布設方案研究

鄧 芳1，張 俊1，劉 怡2，李春華1，劉國祥2

(1.成都市勘察測繪研究院，四川成都610081;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

為尋求像片控制點合理的布設方案，采用某地區(qū)的UCD/UCX航攝影像作為試驗數據，通過對區(qū)域網按均勻分布原則設置不同的平高控制點數，進行系列的空中三角測量試驗研究及精度評定，最后提出幾種在保證特定精度情況下，能減少外業(yè)工作量、降低生產成本、縮短生產周期的像片控制點布設方案。

UCD/UCX;像片控制點;精度;空中三角測量

一、引 言

進入21世紀以后，我國數字攝影測量以驚人的速度發(fā)展，DWP(處理對象為掃描形成的數字化影像)盛行至今已18年。2000年荷蘭阿姆斯特丹國際攝影測量與遙感大會上數碼航空相機開始出現［1］。目前國際上數字航攝儀產品主要有以下幾種:瑞士徠卡公司的ADS40，美國Z/I公司的DMC，奧地利的UCD/UCX，以及我國劉先林院士研制的SWDC系列數字航空攝影儀。

大幅面航空數碼相機影像較常規(guī)相機膠片影像更清晰，且無需掃描可直接獲取數字化影像，因此它在攝影測量的生產實踐中受到極大的關注［1］。然而航空數碼相機的攝影比例尺小于常規(guī)航空相機，使得其影像覆蓋范圍縮小，像對數(模型)增加，工作量加大。同時，由于航空數碼相機的交會角較小，還導致其高程量測精度較低，這些缺點都將限制其廣泛應用。但如利用計算機視覺的理念沖破傳統(tǒng)攝影測量的束縛，以圖幅為單位進行立體測圖、DEM生成、實現模型接邊自動化，或按多目視覺理論，利用多重疊影像增大交會角的方式，都可在一定程度上克服這些缺點［1］。

本文將在以上研究理論的基礎上，采用某地區(qū)UCD/UCX航攝影像作為試驗數據，通過對區(qū)域網按均勻分布原則設置不同的平高控制點數，進行系列的空中三角測量試驗研究及精度評定。最后提出在保證特定精度情況下，能減少外業(yè)工作量、降低生產成本、縮短生產周期的像片控制點布設方案。

二、研究區(qū)域

1.攝影參數及研究區(qū)域

數字航空攝影儀為UCD/UCX，其鏡頭由4臺黑白影像的全色波段(Pan)相機、4臺多光波(MS)相機組成，如圖1所示。

圖1 UCD/UCX相機鏡頭示意圖

UCD/UCX數碼相機為垂直中心投影，其主要性能參數如表1所示。

研究區(qū)域航攝資料的其他參數如下:相對航高為2 200 m，航攝比例尺為1∶21 000，南北方向飛行，地面分辨率優(yōu)于0.2 m。像片總數為102張，航線數為6條，每條航線17張影像，即每條航線16條基線。影像航向重疊大于65%～70%，旁向重疊大于30%。如圖2所示，其中“+”號表示像主點。

表1 UCD/UCX數碼相機主要性能參數表

圖2 研究區(qū)域DEM與像主點坐標的疊加圖/(°)

2.像控點信息

采用網絡RTK測量模式進行像片控制點采集，并利用該地區(qū)1'×1'格網似大地水準面模型進行高程轉換，平面和高程精度均優(yōu)于±5 cm，像片控制點共101個。坐標系統(tǒng)為地方獨立平面坐標系和1985國家高程基準。由于該研究區(qū)域屬于平坦區(qū)域，像控點的選擇僅根據均勻分布的原則，未過多考慮地形因素。

三、試驗驗證

1.試驗方案

本次試驗根據光束法區(qū)域網整體平差原理，分別利用攝影測量工作站JX-4和Virtuo Zo進行整個試驗區(qū)域的空三加密計算。

為了更清晰地說明像控點布設方案，首先將航攝區(qū)域6條航帶的6×17個像主點坐標按規(guī)則排列(如圖3所示)，圖中，橫坐標值整數x表示第x航帶，縱坐標值整數y表示相應航帶的第y張航攝影像的像主點坐標，相鄰像主點之間的連線為航攝基線。

圖3 像控點布設方案示意圖

以六點法為例，詳細說明第一種像控點布設方案。六點法的6個像控點位置大致分別位于(0.5，1)、(0.5，17)、(3.5，1)、(3.5，17)、(6.5，1)、(6.5，17)處。對此處的6個位置可進行如下描述:基線間隔數為16，航帶間隔數為3。因此，對像控點布設的9種方案(如圖4所示)可進行如下描述:①六點法，基線間隔數為16，航帶間隔數為3;②八點法，基線間隔數為16，航帶間隔數為2;③ 九點法，基線間隔數為8，航帶間隔數為3;④十二點法，基線間隔數為8，航帶間隔數為2;⑤ 十五點法，基線間隔數為4，航帶間隔數為3;⑥ 二十點法，基線間隔數為4，航帶間隔數為2;⑦二十七點法，基線間隔數為2，航帶間隔數為3;⑧三十六點法，基線間隔數為2，航帶間隔數為2;⑨六十三點法，基線間隔數為2，航帶間隔數為1。

圖4 像控點布設的9種方案

2.方案對比

利用攝影測量工作站JX-4和Virtuo Zo分別對整個試驗區(qū)域進行空三加密計算之后，再按照式(1)計算平面及高程中誤差。9種方案的空三加密統(tǒng)計結果如表2所示。

式中，mS為平面中誤差;mh為高程中誤差;(xi，yi，hi)為第i個檢測點加密坐標;(x'i，y'i，h'i)為指第i個點的實測坐標;單位為m。

表2顯示JX-4與Virtuo Zo兩套軟件的平面誤差基本一致，中誤差約為±0.2 m，即一個像元的精度。其中JX-4試驗結果為:平面中誤差介于［0.20 m，0.25 m］之間，最大誤差介于［0.35 m，0.54 m］之間;高程中誤差介于［1.09 m，0.30m］之間，最大誤差介于［2.01 m，0.62 m］之間。Virtuo Zo試驗結果為:平面中誤差介于［0.16 m，0.21 m］之間，最大誤差介于［0.40 m，0.49 m］之間;高程中誤差介于［2.26 m，0.29 m］之間，最大誤差介于［3.47 m，0.63 m］之間。以上平面精度完全達到了《1∶500 1∶1000 1∶2 000地形圖航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》《GB/T 7930—2008》中1∶1000地形圖空三加密的精度要求。9種方案的平面中誤差與高程中誤差統(tǒng)計圖如圖5所示。

表2 空三加密結果統(tǒng)計表

圖5 9種方案的平面中誤差與高程中誤差統(tǒng)計圖

如圖5所示，方案1和方案2(基線間隔數為16)的高程中誤差明顯比其余7種方案所計算的高程中誤差大，因此，剔除這兩種方案。其余7種方案的高程中誤差基本一致，如使用JX-4的計算結果介于［0.37 m，0.30 m］之間，利用Virtuo Zo的計算結果介于［0.45 m，0.29 m］之間，高程中誤差分布如圖6所示。

圖6 方案3—方案9高程中誤差分布圖

如圖7所顯示，9種方案所需定向點個數的變化趨勢為逐次遞增。方案1和方案2由于所計算的高程中誤差較大，已經被剔除。因此僅考慮其余7種方案隨著定向點數目的增加高程加密精度的改進情況。觀察圖6～圖7，可發(fā)現隨著定向點數量的增加，高程加密精度略有改善，但9個定向點與63個定向點的所計算的高程中誤差為同一個數量級，而控制點的數量卻增加了4倍，大大增加了外業(yè)工作量，延長了生產周期。

圖7 定向點數量分布圖

為了進一步驗證以上部分像控點布設方案的優(yōu)越性，特選取了研究區(qū)域中的3個子區(qū)域進行全野外像控點布設，每個模型(一個立體像對)6個定向點，若干檢查點，采用獨立模型法區(qū)域網空中三角測量的方式解算檢查點坐標，并進行精度統(tǒng)計，精度統(tǒng)計結果如表3所示。

表3 全野外模型檢查點誤差統(tǒng)計表

以上數據表明，在全野外像控點布設方案中采用獨立模型法區(qū)域網空中三角測量，與在試驗方案中采用光束法區(qū)域網空中三角測量所計算出的平面精度(方案1—方案9)保持在同一數量級，并且大小相近，高程精度(方案3—方案9)也保持在同一數量級，大小也相近(高程精度全野外模型略優(yōu))。但全野外像控點布設方案的控制點數量卻大大增加，為試驗方案3(9點法)的24倍(如采用全野外像控點布設方案，該區(qū)域需布設 221個，即17×13個)。

四、結束語

為了減少外業(yè)工作量、降低生產成本、縮短生產周期，本文采用某地區(qū)的UCD/UCX航攝影像作為試驗數據，設計了9種像片控制點布設方案，通過光束法區(qū)域網空中三角測量的方法計算出每一種方案的平面及高程測量精度，并與全野外像控點布設方案的結果進行了對比，得出如下結論:①對于該數字航空攝影儀，就平面精度而言，其航攝比例尺與成圖比例尺可放寬至20倍，即可以用1∶20 000航攝資料制作1∶1 000數字線劃圖;②全野外像控點布設方案與試驗方案1—方案9的平面精度完全一致，約為1個像元大小(0.2 m)的精度，而高程精度隨著控制點數量的成倍增加略有改善，因此，建議采用九點法或十二點法布設像片控制點，既保證了平面精度，又兼顧了高程精度。如只考慮平面精度，可采用六點法的布設模式。

［1］ 張祖勛.航空數碼相機及其有關問題［J］.測繪工程，2004，13(4):1-5.

［2］ 戴騰，張勇，楊華先，等.UCD數碼相機影像在武漢測區(qū)的應用［J］.地理空間信息，2008，6(3):130-132.

［3］ 俞旭升.DMC航攝影像外業(yè)像控布點的實驗研究［J］.測繪科學，2006，31(6):77-79.

［4］ 孫粉霞，鄒學忠.UCD航攝像片在大比例尺地形圖中的應用［J］.現代測繪，2009，32(4):47-48.

［5］ 郭冬娥，張擁軍，劉振軍，等，DMC數碼航攝區(qū)域網控制點布設方案的精度試驗［J］.山東國土資源，2007，23(10):42-45.

［6］ 國家測繪局標準化研究所.GB/T 7930—2008 1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量內業(yè)規(guī)范［S］.北京:中國標準出版社，2008.

On Distribution Scheme of Photo Control Points for UCD/UCX Aerial Imagery

DENG Fang，ZHANG Jun，LIU Yi，LI Chunhua，LIU Guoxiang

0494-0911(2011)08-0009-04

P231.4

B

2010-09-02

鄧 芳(1978—)，女，湖南懷化人，碩士，工程師，主要從事攝影測量與遙感技術應用以及數據加工等方面的研究。