利用ADS80影像測(cè)制西部地區(qū)大比例尺地形圖的快速流程

陳建斌，王明孝，張 萍，蔡曉麗

(1.68029部隊(duì)，甘肅蘭州730020;2.甘肅林學(xué)院，甘肅天水741000)

利用ADS80影像測(cè)制西部地區(qū)大比例尺地形圖的快速流程

陳建斌1，王明孝1，張 萍1，蔡曉麗2

(1.68029部隊(duì)，甘肅蘭州730020;2.甘肅林學(xué)院，甘肅天水741000)

利用ADS80影像對(duì)西部某區(qū)域進(jìn)行無(wú)控空中三角測(cè)量的精度作對(duì)比。研究考慮地形高差影響的高程異常擬合方法，提出利用ADS80影像快速測(cè)制西部大比例尺地形圖的作業(yè)流程，并將該流程成功應(yīng)用于某風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目中。

ADS80;西部地區(qū);快速流程;高程擬合;數(shù)據(jù)重構(gòu)

一、引 言

西部地區(qū)以高原高寒和沙漠戈壁為主，地形起伏大，航攝影像投影誤差大，外業(yè)工作開(kāi)展困難。航測(cè)成圖如果采用傳統(tǒng)模擬航片或面陣數(shù)字影像，由于其連接強(qiáng)度弱，接邊工作量大，地面依賴性高，勢(shì)必造成作業(yè)速度慢、周期長(zhǎng)、耗資巨大的結(jié)果。

ADS80是一種改進(jìn)的多線陣推掃式成像傳感器。它集成了POS系統(tǒng)，能直接獲取影像的外方位元素;它拍攝的長(zhǎng)條帶影像提高了后期處理的效率;大基高比能滿足大比例尺測(cè)圖要求;100%三度重疊影像能提供多種立體模型。

在某風(fēng)電場(chǎng)1300 km2基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目中，采用ADS80相機(jī)，共規(guī)劃拍攝33個(gè)條帶，條帶長(zhǎng)度從17 257 m到43561 m不等，像元大小6.5 μm，地面分辨率GSD為18 cm。

二、GNSS/IMU輔助空中三角測(cè)量精度分析

由于ADS采取的是連續(xù)推掃的成像方式，因此飛機(jī)的飛行姿態(tài)變化將直接影響成像的效果。雖然ADS配置的PAV陀螺穩(wěn)定平臺(tái)具有自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)的功能，在進(jìn)行中小比例尺航空攝影時(shí)，由于飛機(jī)高度相對(duì)較高，氣流比較平穩(wěn)，而且使用的運(yùn)8、安30等較大型航測(cè)飛機(jī)受氣流影響也相對(duì)較小，俯仰和傾斜變化通常不超過(guò)5°。但在大比例尺航空攝影時(shí)，一般使用運(yùn)5、運(yùn)12等飛機(jī)，該類飛機(jī)自重小，受氣流的影響很大，而低空氣流變化本身就較劇烈，俯仰和傾斜變化經(jīng)常超過(guò)5°。另一方面，PAV陀螺穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)姿態(tài)變化的修正需要一定的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)瞬間大姿態(tài)變化的修正往往反應(yīng)滯后，因此，空中飛機(jī)姿態(tài)的變化情況也能在連續(xù)推掃記錄的影像中完全體現(xiàn)出來(lái)，并直接影響影像的后續(xù)處理質(zhì)量。

GNSS/IMU觀測(cè)數(shù)據(jù)的引入，大量減少了外業(yè)控制測(cè)量的工作量。一直以來(lái)，許多學(xué)者都對(duì)GNSS/IMU輔助空三所需的控制點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行了研究［1］。在該項(xiàng)目中，筆者分別用無(wú)控、位于區(qū)域中心1個(gè)控制點(diǎn)、位于區(qū)域四周4個(gè)控制點(diǎn)、分布均勻的9個(gè)控制點(diǎn)等4種方案對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)?？杖馑闶褂肙RIMA軟件。結(jié)果如表1所示，其中，精度用檢查點(diǎn)中誤差表示。

表1 4種加密方案精度比較

試驗(yàn)結(jié)論如下:

1)在沒(méi)有地面控制的情況下，將POS(IPAS)數(shù)據(jù)作為帶權(quán)觀測(cè)值引入到區(qū)域網(wǎng)平差系統(tǒng)中，平差結(jié)果存在一定的系統(tǒng)誤差。

2)當(dāng)引入1個(gè)地面控制點(diǎn)時(shí)，精度得到了較大提高，平面達(dá)到1個(gè)像素，高程達(dá)到1.3個(gè)像素，高程精度提高明顯。這表明POS(IPAS)數(shù)據(jù)存在一定的系統(tǒng)誤差，高程分量尤為明顯。

3)當(dāng)引入4個(gè)地面控制點(diǎn)時(shí)，精度得到了進(jìn)一步提高，平面、高程精度都達(dá)到1個(gè)像素，但提高的幅度已不明顯。

4)當(dāng)引入分布均勻的9個(gè)控制點(diǎn)時(shí)，精度幾乎沒(méi)有提高。

試驗(yàn)表明，POS(IPAS)數(shù)據(jù)的引入，對(duì)地面控制點(diǎn)的要求降到了最低，只需1個(gè)位于區(qū)域中心的控制點(diǎn)，就能很好地抵償POS數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差。如果要解決坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，最好使用區(qū)域四周4個(gè)控制點(diǎn)的方案。

航測(cè)內(nèi)業(yè)規(guī)范對(duì)空三加密的精度的規(guī)定如表2所示［2］。

表2 空三加密內(nèi)業(yè)規(guī)范 m

限差放寬后，無(wú)控加密的最大誤差為0.40 m，小于規(guī)范中平地的高程中誤差限差±0.42 m，符合規(guī)范的要求。因此無(wú)地面控制的GNSS/IMU輔助空中三角測(cè)量的精度能滿足西部困難地區(qū)1∶2000成圖。

三、快速作業(yè)流程

1.ADS80通用作業(yè)流程

ADS80的推廣應(yīng)用，使得航測(cè)成圖效率大大提高。這得益于ADS80本身的特點(diǎn):

1)集成POS系統(tǒng)，可以直接獲取影像外方位元素，減少對(duì)地面控制的依賴。

2)長(zhǎng)條帶影像，提高了影像處理效率，航帶內(nèi)無(wú)需接邊，強(qiáng)度高。

3)100%三度重疊影像具有影像冗余，能以多種組合提供立體模型。

如圖1所示，對(duì)同一個(gè)測(cè)量任務(wù)，如果采用框幅式像片或面陣影像，外業(yè)控制測(cè)量、空三加密工作量將非常大。

當(dāng)采用ADS80通用流程時(shí)，空三加密工序被外業(yè)控制分割為前后兩部分:第1部分包括POS數(shù)據(jù)解算、連接點(diǎn)選取、L1級(jí)影像糾正、控制點(diǎn)概略選點(diǎn)、控制片制作;第2部分包括控制點(diǎn)轉(zhuǎn)刺量測(cè)、空三解算。兩部分之間是外業(yè)控制測(cè)量工序。這種流程不適用于應(yīng)急測(cè)繪項(xiàng)目。因?yàn)榭杖用?、外業(yè)控制測(cè)量耗時(shí)太長(zhǎng)。進(jìn)行外業(yè)控制測(cè)量時(shí)，內(nèi)業(yè)人員只能等待，在西部地區(qū)，外業(yè)展開(kāi)困難，影響外業(yè)進(jìn)度的因素太多，經(jīng)常會(huì)延誤。這種流程難以滿足緊急任務(wù)(如應(yīng)急保障、搶險(xiǎn)救災(zāi))的需求。

2.ADS80快速作業(yè)流程

在總結(jié)了上述兩種流程的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目提出ADS80快速作業(yè)流程，如圖1所示。

快速流程的特點(diǎn)如下:

1)快速流程采用無(wú)控空三加密(無(wú)控空三加密的精度下文有具體分析)，因?yàn)椴辉僖蕾囉诘孛婵刂?，空三加密還可以分區(qū)域進(jìn)行，子區(qū)域空三加密成果立刻可以提交下工序，這樣減少了下工序的等待時(shí)間。

2)外業(yè)控制測(cè)量工序可以與4D數(shù)據(jù)采編工序同時(shí)進(jìn)行，避免了內(nèi)業(yè)等待造成的窩工。

3)外業(yè)控制測(cè)量不再是提供控制點(diǎn)的必須工序，而是為矢量重構(gòu)提供轉(zhuǎn)換參數(shù)和高程異常的可選工序，如果有測(cè)區(qū)精確的轉(zhuǎn)換參數(shù)和高程異常，則可以省去外業(yè)控制測(cè)量工作。

4)流程的最后是對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，包括坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、高程轉(zhuǎn)換。

圖1 作業(yè)流程對(duì)比

四、快速獲取更精確的水準(zhǔn)面精化文件

ADS80快速作業(yè)流程的最后是對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，主要解決高程基準(zhǔn)問(wèn)題，高程重構(gòu)的精度依賴于水準(zhǔn)面精化文件或高程異常模型。

我國(guó)似大地水準(zhǔn)面分為3個(gè)等級(jí)［3］，如表3所示。

表3 我國(guó)似大地水準(zhǔn)面等級(jí)

在西部廣大地區(qū)，缺少省級(jí)似大地水準(zhǔn)面成果，國(guó)家級(jí)成果精度只有±0.3 m(平地)，無(wú)法滿足1∶2000地形圖需要。因此，必須要用合適的擬合方法獲得更精確的似大地水準(zhǔn)面。

航測(cè)成圖時(shí)，一般不考慮地形高差變化對(duì)高程異常的影響。在西部地區(qū)，當(dāng)海拔為2000 m時(shí)，由地形因素引起的高程異常變化量最大可以達(dá)到0.2 m，已經(jīng)接近空中三角測(cè)量檢查點(diǎn)的中誤差限差，因此進(jìn)行高程異常擬合時(shí)，必須考慮地面高差引起的高程異常變化量。

精確地確定大地水準(zhǔn)面需要地球重力場(chǎng)模型及DEM高程模型，其公式為

對(duì)于小區(qū)域而言，前兩項(xiàng)NGM、NΔg變化相對(duì)穩(wěn)定，只需考慮Nh。如果將高程異常量作為研究對(duì)象，有如下公式

式中，ζ0為高程異常的長(zhǎng)波項(xiàng);ζTC為短波項(xiàng)。式(1)中的Nh，是由地形起伏引起的。

地形改正可以看做是重力場(chǎng)的噪聲。如果能求解ζTC，并在ζ中將ζTC扣除，則可近似認(rèn)為ζ0=ζ－ζTC為一個(gè)光滑的幾何曲面，這樣就可以利用測(cè)區(qū)中已知GPS水準(zhǔn)點(diǎn)的正常高和大地高確定一個(gè)多項(xiàng)式曲面函數(shù)，即小區(qū)域高程異常模型，再利用該模型確定其他點(diǎn)的ζ0值。然后，利用ζ=ζ0+ζTC，可求得ζ。

式中，Tc為地形起伏對(duì)地面擾動(dòng)位的影響;r為積分元到積分點(diǎn)p的距離;hi為參考高程;G為萬(wàn)有引力常數(shù);ρ為地球質(zhì)量密度;hi－h(huán)r是正常高差(小區(qū)域內(nèi)可近似用大地高差Hi－Hr代替)。

詳細(xì)計(jì)算步驟為:

1)引入全球格網(wǎng)間距為90 m的SRTM(shuttle radar topography mission)，SRTM數(shù)據(jù)主要是由美國(guó)太空總署NASA和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局NIMA聯(lián)合測(cè)量的全球DEM，用已知的地面控制點(diǎn)對(duì)區(qū)域SRTM進(jìn)行多項(xiàng)式糾正，得到最佳附合于已知點(diǎn)的區(qū)域DEM。再按式(3)求解DEM格網(wǎng)點(diǎn)的ζTC(格網(wǎng)點(diǎn))，結(jié)果如圖2所示。

2)利用多項(xiàng)式擬合的方法(此時(shí)，用二階多項(xiàng)式即可)，確定一個(gè)二次曲面，將DEM格網(wǎng)點(diǎn)帶入此二次曲面函數(shù)，求得每一格網(wǎng)點(diǎn)的ζ0(格網(wǎng)點(diǎn))，結(jié)果如圖3所示。

3)利用式(2)，求得每一格網(wǎng)點(diǎn)的ζ(格網(wǎng)點(diǎn))，結(jié)果如圖4所示。

圖2 ζTC(格網(wǎng)點(diǎn))

圖3 ζ0(格網(wǎng)點(diǎn))

圖4 考慮地形高差因素生成的高程異常模型

五、矢量數(shù)據(jù)重構(gòu)

矢量數(shù)據(jù)重構(gòu)解決兩個(gè)問(wèn)題:平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。

1.平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換通過(guò)七參數(shù)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，七參數(shù)模型如式(4)、圖5所示。涉及3個(gè)線元素、3個(gè)角元素、1個(gè)尺度元素［4］。

圖5 七參數(shù)轉(zhuǎn)換示意圖

2.高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換

矢量重構(gòu)之高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換較復(fù)雜。因?yàn)闇y(cè)區(qū)內(nèi)的高程異常值不是常數(shù)，不能用統(tǒng)一增加常數(shù)的方法解決。要先按本文前述的方法擬合出一個(gè)高程異常格網(wǎng)模型，再與矢量數(shù)據(jù)套合疊加，生成新的矢量數(shù)據(jù)。這種方法適用于對(duì)水系、植被、高程點(diǎn)等要素。

因?yàn)榈雀呔€有其特殊性:一根等高線上的高程值唯一。而用這種方法重構(gòu)等高線，生成的曲線上的高程值不再唯一，得到的將是“非等高線”。

解決方法:先將等高線構(gòu)建TIN、生成DEM，對(duì)DEM進(jìn)行重構(gòu)建，最后再反生成等高線，如圖6所示。

圖6 等高線重構(gòu)流程

在構(gòu)建TIN時(shí)，如果遇到長(zhǎng)舌狀的等高線，很容易會(huì)產(chǎn)生平三角，即單根等高線自構(gòu)。

GeoTIN軟件采用自動(dòng)增加特征點(diǎn)的方法來(lái)解決此問(wèn)題。如圖7所示，在平三角處自動(dòng)增加特征點(diǎn)，進(jìn)行二次構(gòu)網(wǎng)。但仍不可避免會(huì)有自構(gòu)問(wèn)題。

圖7 自動(dòng)增加特征點(diǎn)并重新構(gòu)網(wǎng)

本項(xiàng)目采用了另外的構(gòu)網(wǎng)思路，如圖8所示，通過(guò)設(shè)定適當(dāng)?shù)乃阉靼霃?，使等高線在一定范圍內(nèi)只能與相鄰等高線構(gòu)網(wǎng)，避免“自構(gòu)”，減少了等高線重構(gòu)產(chǎn)生的錯(cuò)誤。

圖8 強(qiáng)制與相鄰等高線構(gòu)網(wǎng)

圖9為在WGS-84坐標(biāo)系、大地高基準(zhǔn)上采集的矢量數(shù)據(jù)。圖10為重構(gòu)后的矢量數(shù)據(jù)。

圖9 基于WGS-84坐標(biāo)系、大地高的矢量數(shù)據(jù)

圖10 重構(gòu)后的矢量數(shù)據(jù)

六、應(yīng) 用

該技術(shù)在某風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)測(cè)繪任務(wù)中得到了實(shí)際應(yīng)用。測(cè)區(qū)覆蓋面積1300 km2，海拔高度在830～1420 m之間，地貌上表現(xiàn)為戈壁平原，以山前沖積為主，地勢(shì)開(kāi)闊，植被稀少。利用該技術(shù)在2個(gè)月時(shí)間內(nèi)完成了風(fēng)電場(chǎng)航攝、外業(yè)控制、1∶2000地形圖內(nèi)業(yè)成圖任務(wù)，極大地節(jié)約了人力物力。

［1］ 劉軍.GPS/IMU輔助機(jī)載線陣CCD影像定位技術(shù)研究［D］.鄭州:信息工程大學(xué)，2007:66-82.

［2］ 國(guó)家測(cè)繪局.GB/T 23236—2009數(shù)字航空攝影空中三角測(cè)量規(guī)范［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009:2-3.

［3］ 國(guó)家測(cè)繪局.GB/T 23709—2009區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化基本技術(shù)規(guī)定［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009: 2-3.

［4］ 熊介.橢球大地測(cè)量學(xué)［M］.北京:解放軍出版社，1985:311-312.

A Quick Working Flow of Large Scale Mapping in Western Region Based on ADS80 Images

CHEN Jianbin，WANG Mingxiao，ZHANG Ping，CAI Xiaoli

0494-0911(2012)08-0043-04

P23

B

2012-01-13

陳建斌(1976—)，男，甘肅隴西人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感。