基于新型傳感器的空三加密研究及精度分析

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063)

1　新型傳感器簡(jiǎn)介

目前，新型傳感器主要有兩種類(lèi)型：一種是機(jī)載三線(xiàn)陣數(shù)字傳感器，如ADS40，另一種是大幅面框幅式數(shù)字成像系統(tǒng)，如DMC、UltraCamD[1]。三線(xiàn)陣傳感器ADS40為單鏡頭系統(tǒng)，內(nèi)置POS(GPS/IMU)系統(tǒng)，在飛行瞬間獲取掃描行的外方位元素。DMC為多鏡頭成像系統(tǒng)，攝影時(shí)同時(shí)曝光，所獲得的四幅子影像經(jīng)一定的處理拼接而成一幅虛擬影像?？蚍紻MC成像系統(tǒng)由4臺(tái)全色相機(jī)和4臺(tái)多光譜相機(jī)組成，具有FMC(自動(dòng)像移補(bǔ)償)，攝影時(shí)8臺(tái)相機(jī)同時(shí)曝光，所獲得的(13 824×7 680)像素的大幅面虛擬影像由四個(gè)CCD面陣經(jīng)處理拼接而成，像素大小12 μm×12 μm。由于其成像系統(tǒng)是對(duì)中心投影影像的一種近似模擬，拼接時(shí)的誤差對(duì)影像有系統(tǒng)性的影響。為了提高影像精度，需要補(bǔ)償此類(lèi)系統(tǒng)誤差[2]。

鑒于自身具有的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，大面陣相機(jī)在高精度航天立體測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用基本可以分為兩種模式：①高分辨率交向立體攝影測(cè)量模式。②小基線(xiàn)立體攝影測(cè)量模式。

2　工程項(xiàng)目基本情況

2.1　概述

本次試驗(yàn)選用我國(guó)某條鐵路線(xiàn)中的一段外控點(diǎn)比較密集的地區(qū)進(jìn)行，該鐵路線(xiàn)路走向基本為東西向，地勢(shì)平坦，試驗(yàn)測(cè)區(qū)位于東經(jīng)117°15′～119°20′，北緯34°10′～34°50′。坐標(biāo)系統(tǒng)：平面采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，按3°分帶計(jì)算平面直角坐標(biāo)系，為方便施工建設(shè)，將中央子午線(xiàn)暫定為117°30′、118°00′、118°30′、119°00′；高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，高程抵償面根據(jù)設(shè)計(jì)線(xiàn)路高程和測(cè)區(qū)高程異常值確定(以滿(mǎn)足每公里投影變形小于10mm)。

2.2　資料準(zhǔn)備

收集測(cè)區(qū)所需2000國(guó)家坐標(biāo)系及1980西安坐標(biāo)系成果資料，平面點(diǎn)應(yīng)為國(guó)家四等(GPS點(diǎn)為C級(jí))及以上點(diǎn)；高程點(diǎn)應(yīng)為國(guó)家四等及以上水準(zhǔn)點(diǎn)。

航攝資料為DMC2001數(shù)碼相機(jī)拍攝的像片，焦距f=120 mm的鏡頭，攝影比例尺約1∶20 000左右，航向南北飛行，航向重疊為60%～65%，像元尺寸為12 μm，地面分辨率GSD為0.24 m，像幅大小為96 mm×168 mm。

3　實(shí)驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)主要選擇了兩款常用的軟件來(lái)進(jìn)行，即HELAVA數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站及INPHO攝影測(cè)量軟件。依據(jù)多年空三加密的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了四個(gè)大組、八個(gè)小組的試驗(yàn)方案，這些方案基本囊括了實(shí)際工作中可能遇到的一系列典型問(wèn)題。

試驗(yàn)中，設(shè)定四個(gè)空三加密處理的方案：方案A、方案B、方案C、方案D。首先進(jìn)行HELAVA軟件系統(tǒng)和INPHO軟件系統(tǒng)下四個(gè)方案內(nèi)部的比較，即全控制方案和外部為平面或高程點(diǎn)方案的比較，驗(yàn)證空三加密時(shí)測(cè)區(qū)外邊緣采用不同控制方案(即平面控制、高程控制、平高控制方案)對(duì)檢查點(diǎn)絕對(duì)精度的影響，以及對(duì)加密點(diǎn)相對(duì)精度的影響。其次是進(jìn)行兩個(gè)系統(tǒng)下四個(gè)方案之間的對(duì)比，驗(yàn)證外控點(diǎn)的數(shù)量及分布對(duì)檢查點(diǎn)絕對(duì)精度和加密點(diǎn)相對(duì)精度的影響。

再進(jìn)行兩個(gè)系統(tǒng)之間的比較，利用INPHO系統(tǒng)時(shí)，加入了POS數(shù)據(jù)利用系統(tǒng)自動(dòng)生成模型進(jìn)行空三加密，在操作上比起HELAVA系統(tǒng)的手動(dòng)添加模型連接點(diǎn)的方案有很大的不同，POS數(shù)據(jù)作為外方位元素的引入，對(duì)于整個(gè)模型穩(wěn)定性起到多大的作用，也應(yīng)該能在兩個(gè)系統(tǒng)中相同檢查點(diǎn)的絕對(duì)精度和加密點(diǎn)的相對(duì)精度中體現(xiàn)出來(lái)。

為了盡可能減少人為因素對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的影響，選取了鐵路線(xiàn)路中相對(duì)外業(yè)控制點(diǎn)分布比較均勻，影像比較清楚的一段作為本次試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)區(qū)域。如圖1為依據(jù)外控點(diǎn)及空三加密后得出的加密點(diǎn)所做的像對(duì)結(jié)合圖。從圖1中可以看出，這一段區(qū)域采用的是鐵路測(cè)量中最常用的單基線(xiàn)雙模型方案布設(shè)外業(yè)控制點(diǎn)。

方案A：屬于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)于外業(yè)控制點(diǎn)，可以將其作為檢查點(diǎn)來(lái)檢驗(yàn)空三加密后得出的大地坐標(biāo)與真實(shí)大地坐標(biāo)，得到它們的絕對(duì)誤差；而對(duì)于加密點(diǎn)來(lái)說(shuō)，無(wú)法得知空三加密后加密點(diǎn)的絕對(duì)精度。因此，把方案A中20個(gè)外控點(diǎn)全控制下得出加密點(diǎn)的大地坐標(biāo)作為絕對(duì)真值來(lái)檢驗(yàn)本次試驗(yàn)后面幾個(gè)方案中加密點(diǎn)的精度變化。

方案B：針對(duì)目前很多項(xiàng)目工期緊，時(shí)間不充分的情況。在方案A的基礎(chǔ)上均勻抽稀外控點(diǎn)的布設(shè)，將單基線(xiàn)抽稀為三基線(xiàn)的情況，即12個(gè)外控點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域控制，計(jì)算8個(gè)檢查外控點(diǎn)和加密點(diǎn)的大地坐標(biāo)。此方案中這12個(gè)外控點(diǎn)在整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域仍然屬于均勻分布的情況。

方案C：可以說(shuō)是一種比較極限的試驗(yàn)，因?yàn)樵诖罅康膶?shí)踐工作中發(fā)現(xiàn)，在很多項(xiàng)目中會(huì)遇到大山、無(wú)人區(qū)、軍事禁區(qū)等一系列的困難地區(qū)，這些地區(qū)沒(méi)有辦法深入進(jìn)行外業(yè)控制點(diǎn)的采集，外控點(diǎn)非常有限。本方案就是以極限的狀況作為試驗(yàn)的部分來(lái)測(cè)試。本方案中把方案B中的12個(gè)外控點(diǎn)繼續(xù)抽稀為6個(gè)外控點(diǎn)

方案D：和方案C一樣屬于比較極限的試驗(yàn)，同樣是6個(gè)外業(yè)控制點(diǎn)，但在方案D中改變外業(yè)控制點(diǎn)的分布，將四周分布改為區(qū)域均勻分布。

4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

4.1　方案B

分析方案B的數(shù)據(jù)可以看出，整個(gè)區(qū)域從20個(gè)外控點(diǎn)抽稀為12個(gè)外控點(diǎn)之后，雖然說(shuō)也是屬于均勻分布，但對(duì)于區(qū)域網(wǎng)外圍的檢查點(diǎn)精度而言，已經(jīng)有很明顯的下降，平面絕對(duì)誤差達(dá)到了0.5 m，高程絕對(duì)誤差達(dá)到了0.6 m左右，依據(jù)“某客專(zhuān)航測(cè)制圖技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)”的要求，平面達(dá)到要求，而高程都屬于超限范圍，這樣的結(jié)果，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)測(cè)圖，精度將整體偏低。

4.2　方案C

隨著外業(yè)控制點(diǎn)的減少，整個(gè)區(qū)域的模型也逐漸變差，表現(xiàn)在高程上尤為明顯，檢查點(diǎn)和外業(yè)控制點(diǎn)的平均誤差都為1 m左右，最大的甚至達(dá)到了1.5 m左右。從HELAVA系統(tǒng)的orima加密報(bào)告中看到加密報(bào)告顯示的結(jié)果很好，所有的外業(yè)控制點(diǎn)都在限差范圍內(nèi)，按平常的理解認(rèn)為這樣的加密報(bào)告滿(mǎn)足“某客專(zhuān)航測(cè)制圖技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)”的要求，空三加密的結(jié)果也能應(yīng)用于1∶2 000鐵路圖的繪制。但和外業(yè)控制點(diǎn)比較之后可知，這樣的精度不能用于制作1∶2 000的鐵路線(xiàn)劃圖。以方案A中全控制下的加密點(diǎn)大地坐標(biāo)為相對(duì)的真實(shí)大地坐標(biāo)值來(lái)進(jìn)行這一組的比較。從數(shù)據(jù)比較中看出，整個(gè)區(qū)域的加密點(diǎn)坐標(biāo)平面影響不大，而差異主要表現(xiàn)為高程方面。

外業(yè)檢查點(diǎn)的高程絕對(duì)誤差平均值

ξp全控制=0.802 5ξp平、高控制=0.889 8

加密點(diǎn)的高程絕對(duì)誤差平均值

ξT全控制=0.721 7ξT平、高控制=0.821 2

從以上平均值可以看出，在6個(gè)外控點(diǎn)，四周分布的情況下，平、高控制下的檢查點(diǎn)和加密點(diǎn)的絕對(duì)誤差要大于全控制下的誤差值；而對(duì)于加密點(diǎn)來(lái)說(shuō)，平均誤差值小于外業(yè)檢查點(diǎn)的平均誤差值。由此可以看出，對(duì)于整個(gè)空三加密的過(guò)程來(lái)說(shuō)，加密點(diǎn)是根據(jù)外業(yè)控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)計(jì)算得來(lái)的，本身加密的過(guò)程就會(huì)損失一部分精度。

INPHO系統(tǒng)下試驗(yàn)的兩個(gè)數(shù)據(jù)明顯的優(yōu)于HELAVA系統(tǒng)下的兩組數(shù)據(jù)。從表上看，平面的誤差基本滿(mǎn)足“某客專(zhuān)航測(cè)制圖技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)”的要求，誤差主要集中在高程方面。

4.3　方案D

與方案C同為6個(gè)外控點(diǎn)控制，但由于外控點(diǎn)位置的分布不同，對(duì)檢查點(diǎn)的精度影響很大。以方案A中的加密點(diǎn)作為真實(shí)值，方案D中加密點(diǎn)的絕對(duì)精度也是大大優(yōu)于方案C中加密點(diǎn)的絕對(duì)精度。下面求一個(gè)方案D中高程值的平均值。

外業(yè)檢查點(diǎn)的高程絕對(duì)誤差平均值

ξp全控制=0.324 4ξp平、高控制=0.307 0

加密點(diǎn)的高程絕對(duì)誤差平均值

ξT全控制=0.297 3ξT平、高控制=0.236 4

方案D中所求的平均值與方案C中的所求的平均值比較起來(lái)，有明顯的提高。在實(shí)際生產(chǎn)中可以利用外控點(diǎn)的分布來(lái)提高整個(gè)區(qū)域的作業(yè)精度。

與HELAVA系統(tǒng)不同，在INPHO系統(tǒng)下改變了外控點(diǎn)的分布之后，整個(gè)區(qū)域的加密點(diǎn)及檢查點(diǎn)的絕對(duì)精度也有所提高，但是變化不是很大。

外業(yè)檢查點(diǎn)的高程絕對(duì)誤差平均值

ξp全控制=0.378ξp平、高控制=0.273 5

加密點(diǎn)的高程絕對(duì)誤差平均值

ξT全控制=0.259ξT平、高控制=0.124 8

與方案C中的平均值比較起來(lái)，本方案中的平均值變化不是很大，因此說(shuō)明加入了POS數(shù)據(jù)的INPHO系統(tǒng)下，外控點(diǎn)的分布對(duì)于整個(gè)區(qū)域網(wǎng)的精度影響不大，因此也說(shuō)明了INPHO系統(tǒng)的區(qū)域網(wǎng)更穩(wěn)定。

5　結(jié)　論

為驗(yàn)證空三加密時(shí)測(cè)區(qū)外邊緣采用不同的控制方案(即平面控制、高程控制、平高控制方案)對(duì)檢查點(diǎn)的絕對(duì)精度的影響，以及對(duì)加密點(diǎn)的相對(duì)精度的影響，外控點(diǎn)的數(shù)量及分布對(duì)檢查點(diǎn)絕對(duì)精度和加密點(diǎn)相對(duì)精度的影響，POS數(shù)據(jù)輔助空三的結(jié)果精度影響等，選取某鐵路段作為試驗(yàn)測(cè)區(qū)，并設(shè)計(jì)四個(gè)加密方案進(jìn)行空三加密的對(duì)比試驗(yàn)。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，在幾個(gè)方案中平面的影響不大，而高程變化比較明顯。在helava和Inpho兩個(gè)系統(tǒng)中，本研究根據(jù)四個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)及結(jié)果分析比較，得出以下幾個(gè)結(jié)論：

第一，從四個(gè)方案的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，外業(yè)控制點(diǎn)的變化對(duì)于檢查點(diǎn)的平面坐標(biāo)精度影響較小，主要的誤差都變現(xiàn)在高程的變化上。在外業(yè)控制時(shí)對(duì)于困難地區(qū)可以適當(dāng)?shù)奶砑痈叱厅c(diǎn)或GPS點(diǎn)來(lái)提高空三加密的精度。

第二，隨著外業(yè)控制點(diǎn)的減少，檢查點(diǎn)的高程絕對(duì)精度有很明顯的下降。對(duì)于12個(gè)外控點(diǎn)均勻分布控制，相當(dāng)于三條基線(xiàn)布設(shè)航外業(yè)控制點(diǎn)，基本滿(mǎn)足航外控的精度要求。

第三，對(duì)于每個(gè)方案中的兩種狀況，即外業(yè)點(diǎn)采用全控制或采用部分平、高控制對(duì)整個(gè)區(qū)域的整體精度影響不大。因此，在實(shí)際空三加密作業(yè)中，遇到錯(cuò)點(diǎn)或者判斷不清的點(diǎn)可以有針對(duì)的選擇平面或者高程控制，提高整個(gè)區(qū)域的加密精度。

第四，從方案C和方案D的比較可以得出結(jié)論，外業(yè)控制點(diǎn)的分布對(duì)整個(gè)加密區(qū)域的影響比較大，均勻分布的方案D中，檢查點(diǎn)和加密點(diǎn)的絕對(duì)精度相較于方案C中的絕對(duì)精度有很大的提高。因此，也可以得出這樣一個(gè)結(jié)論，外業(yè)控制點(diǎn)的分布對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的影響是相同的，因此均勻布設(shè)外業(yè)控制點(diǎn)適用于傳統(tǒng)模式的相機(jī)拍攝，同樣也適用于新型數(shù)碼相機(jī)的拍攝，盡可能讓有限的外業(yè)控制點(diǎn)均勻分布于整個(gè)測(cè)區(qū)是提高精度的重要方法。

第五，helava系統(tǒng)的容差能力較強(qiáng)，而Inpho系統(tǒng)的粗差探測(cè)功能較強(qiáng)。INPHO系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯強(qiáng)于HELAVA系統(tǒng)。這些結(jié)果證明了加入POS數(shù)據(jù)輔助空中三角測(cè)量，可以有效地減少地面控制點(diǎn)的數(shù)量。而通過(guò)平、高的選擇實(shí)驗(yàn)方案也可以看出，平、高點(diǎn)的試驗(yàn)方案精度也高于全控制點(diǎn)的精度，由此也說(shuō)明，多增加外業(yè)控制點(diǎn)并不能提高整個(gè)區(qū)域的加密精度。

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