基于UCX數(shù)字航空影像的空三加密像控點(diǎn)布設(shè)方案探討

鄭穎，喬煒，沈瑩，秦思嫻，高雅冰

（武漢市測繪研究院，湖北武漢 430022）

基于UCX數(shù)字航空影像的空三加密像控點(diǎn)布設(shè)方案探討

鄭穎?，喬煒，沈瑩，秦思嫻，高雅冰

（武漢市測繪研究院，湖北武漢 430022）

隨著數(shù)字航空攝影技術(shù)的成熟，數(shù)字航空攝影測量被越來越多地應(yīng)用于數(shù)字地形圖測繪?，F(xiàn)有的航空攝影作業(yè)規(guī)范對于外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)和內(nèi)業(yè)空中三角測量均有明確的規(guī)定，但在保證精度的前提下，若用已有規(guī)范要求的作業(yè)方法進(jìn)行處理，其外業(yè)像控點(diǎn)的布設(shè)工作量會(huì)非常大，工作效率也不高，其成本也高。本文利用2010年航飛的UCX數(shù)碼航攝影像，將生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與理論相結(jié)合，尋找一種既能滿足技術(shù)要求規(guī)定和生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范，又能減少外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)工作量、縮短工作周期、降低成本的數(shù)字航空影像空三加密像控點(diǎn)布設(shè)方案。

UCX數(shù)字航空影像；空中三角測量；空三加密；像控點(diǎn)布設(shè)方案

1 引 言

如今數(shù)字航空攝影技術(shù)雖然沒有傳統(tǒng)光學(xué)航攝那樣完善，數(shù)字航空攝影技術(shù)已經(jīng)越來越多地被用于測繪生產(chǎn)單位，其后期影像處理的技術(shù)環(huán)節(jié)也在逐步走向成熟。數(shù)字?jǐn)z影測量完全替代傳統(tǒng)的膠片攝影測量已成必然。UCX超大幅面數(shù)字航攝像機(jī)是美國Microsoft公司繼UCD之后推出的新一代數(shù)字航攝系統(tǒng)，是基于大面陣CCD設(shè)計(jì)和FMC電子像移補(bǔ)償，具有大幅面、高航向重疊度（≥90%）、高分辨率（6.0 um）、集成POS技術(shù)等優(yōu)勢，在GIS、遙感和制圖等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)膠片影像（23 cm×23 cm）相比較，UCX影像僅僅只有 9 cm×6 cm，如果對相同面積的區(qū)域航飛來進(jìn)行覆蓋，由于數(shù)字影像像幅比膠片影像小很多，其數(shù)量則會(huì)遠(yuǎn)大于膠片影像的數(shù)量。目前應(yīng)用最廣泛的作業(yè)技術(shù)指導(dǎo)規(guī)范為《城市測量規(guī)范》（CJJ/T8-2011），若按照該技術(shù)規(guī)范來指導(dǎo)生產(chǎn)，空三加密布點(diǎn)較傳統(tǒng)膠片的空三加密布點(diǎn)來說工作量大大增加，成本也提高不少，不僅沒能將新技術(shù)的優(yōu)勢發(fā)揮出來，反而因?yàn)閿?shù)字影像像幅小、基線短而大大增加了外業(yè)像空點(diǎn)布設(shè)的工作量。

《城市測量規(guī)范》對于大比例尺的區(qū)域網(wǎng)空中三角測量中像控點(diǎn)布設(shè)的基本要求為:對平高區(qū)域網(wǎng)或平面區(qū)域網(wǎng)，采用數(shù)字?jǐn)z影資料時(shí)，區(qū)域航線數(shù)不宜超過12條；基線數(shù)量不宜超過32條；當(dāng)采用聯(lián)合DGPS/ IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差時(shí)，航線數(shù)和基線數(shù)可適當(dāng)?shù)姆艑?。平高控制點(diǎn)宜采用區(qū)域周邊布點(diǎn)的方法，內(nèi)部可加布適當(dāng)點(diǎn)數(shù)的平高控制點(diǎn)。當(dāng)采用數(shù)字?jǐn)z影的資料時(shí)，平高控制點(diǎn)的航向跨度（基線）應(yīng)≤8條；旁向跨度（航線）應(yīng)≤6條。如此看來，一個(gè)測區(qū)如果被23 cm×23 cm的膠片覆蓋，測區(qū)共有5條航線，每條航線10張航片時(shí)，則整個(gè)測區(qū)需要布設(shè)至少15個(gè)像控點(diǎn)才能滿足規(guī)范要求。而如果相同的測區(qū)改用UCX進(jìn)行覆蓋，則需要7條航線，每條航線27張航片，則整個(gè)測區(qū)需要布設(shè)約35個(gè)像控點(diǎn)。由此對比得出，如果按照規(guī)范中的要求對相同區(qū)域分別利用 23 cm的傳統(tǒng)膠片和UCX影像進(jìn)行覆蓋后，UCX影像空三加密需要的控制點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 23 cm傳統(tǒng)膠片所需像控點(diǎn)的數(shù)量。

本文的研究目的就是利用2010年航飛的UCX數(shù)碼影像，將生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與理論相結(jié)合，尋找一種既能滿足技術(shù)要求規(guī)定和生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范，又能減少外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)工作量、縮短工作周期、降低成本的數(shù)字航空影像空三加密像控點(diǎn)布設(shè)方案，盡可能在實(shí)際應(yīng)用中更高效地發(fā)揮UCX的優(yōu)勢。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)利用攝影測量工作站 Intergraph公司的SSK ISAT軟件根據(jù)光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差原理，來進(jìn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域的空三加密計(jì)算。航片采用2010年航攝的UCX航空數(shù)碼影像，沿著東西向飛行，飛行高度 1 800 m，攝影比例尺為 1∶18 000，地面分辨率約為 0.11 m。

? 收稿日期:2015—11—18

作者簡介:鄭穎（1985—），女，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)楹娇諗z影測量。

基金項(xiàng)目：精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（PF2015-10）

為了能夠更加清楚地說明該像控點(diǎn)布設(shè)方案，選取了一個(gè)8條航線、每條航線32張航片的測區(qū)，即每條航線32條基線，像片總數(shù)256張。影像航向重疊約65%，旁向重疊約30%。測區(qū)覆蓋面積約 115 km2，航線敷設(shè)情況如圖1所示，圖中的紅色“+”表示像主點(diǎn)。從圖1中我們可以看出整個(gè)測區(qū)地勢平坦，屬于水系、農(nóng)田和城鎮(zhèn)相加和的地勢。測區(qū)內(nèi)無山，有零星分布的水域，還有一條漢江貫穿西南。測區(qū)可歸類為“平地”等級。

本實(shí)驗(yàn)用網(wǎng)絡(luò)RTK測量模式進(jìn)行像控點(diǎn)的采集，并且利用大地水準(zhǔn)面模型進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換，平面和高程的精度都優(yōu)于 ±2 cm。測區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)為北京54坐標(biāo)系和1985國家高程基準(zhǔn)。由于該研究區(qū)域?qū)儆谄教箙^(qū)域，唯一一條可能影響測區(qū)連貫的漢江也并沒有影響到模型間的連接，因此像控點(diǎn)的選擇是根據(jù)均勻分布的原則，沒有過多地考慮地形的影響。通過以上資料，進(jìn)行 1∶2 000成圖比例尺空三加密測試。

圖1　航線敷設(shè)示意圖

為了清晰地說明像控點(diǎn)布設(shè)方案，首先將航攝區(qū)域8條航線的8×32個(gè)像主點(diǎn)坐標(biāo)按規(guī)律排列，如圖2所示。圖2中，橫坐標(biāo)x表示第x張航攝影像的像主點(diǎn)坐標(biāo)，縱坐標(biāo)整數(shù)y表示第y條航線，相鄰像主點(diǎn)之間的連線為航攝基線。由于像控點(diǎn)的獲取采用的是RTK技術(shù)，可同時(shí)獲取平面和高程值，因此像控點(diǎn)均是平高控制點(diǎn)。根據(jù)控制點(diǎn)布設(shè)的航線間基線數(shù)不同、航帶間隔不同，共設(shè)計(jì)了11種空三控制點(diǎn)布設(shè)方案，如圖2、表1所示。

圖2　像控點(diǎn)布點(diǎn)方案示意圖

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 表1

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)用是Intergraph公司的SSK ISAT軟件，通過常規(guī)空三作業(yè)流程完成創(chuàng)建測區(qū)、添加航線信息、內(nèi)定向、自動(dòng)匹配相對定向、人工干預(yù)等步驟，直至建立好測區(qū)航片的相對關(guān)系網(wǎng)。它的相對定向中誤差RMSx=0.8 μm，RMSy=0.8 μm，sigma=1.0 μm，滿足規(guī)范要求。在進(jìn)行像控點(diǎn)采集時(shí)，同時(shí)獲取了在測區(qū)范圍內(nèi)均勻分布的60個(gè)檢查點(diǎn)，用于檢核各個(gè)空三加密實(shí)驗(yàn)區(qū)的成果，檢查點(diǎn)的分布情況如圖3所示。

檢查點(diǎn)采用網(wǎng)絡(luò)RTK測量模式進(jìn)行像片控制點(diǎn)的采集，平面和高程精度均優(yōu)于±5 cm。

11個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的空三加密精度統(tǒng)計(jì)，如表2所示。各個(gè)方案檢查點(diǎn)中誤差統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

圖3　檢查點(diǎn)分布圖

實(shí)驗(yàn)方案精度對比表 表2

檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表 表3

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果比較分析

從圖4中可以看到，方案一～方案十一的空三加密精度均滿足 1∶2 000定向精度要求。隨著控制點(diǎn)的密度增加，空三平差的精度越來越好，平面和高程精度最好的都是密集布點(diǎn)方案。

圖4　十一種方案的空三加密誤差

圖5　十一種方案的檢查點(diǎn)較差

利用檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表的數(shù)據(jù)來繪制中誤差曲線圖和最大較差柱狀圖見圖4和圖5，可以直觀看出檢查點(diǎn)的平面和高程精度都隨著控制點(diǎn)的增多而越來越好。方案一～方案五的平面中誤差均超限，方案一～方案四的高程中誤差均超限，方案七～方案十一均滿足規(guī)范精度要求。方案六～方案十一的精度幾乎都在一個(gè)精度范圍內(nèi)。從柱狀圖中可以可看出各個(gè)測區(qū)的穩(wěn)定性，由方案一～方案十一，檢核點(diǎn)較差活動(dòng)范圍逐漸減小，可見測區(qū)的穩(wěn)定性逐步遞增。

通過對測試數(shù)據(jù)的比較，方案六～十一的穩(wěn)定性、精度都比較高。其中方案十和方案十一是嚴(yán)格按照《城市測量規(guī)范》（CJJ/T8-2011）中要求來設(shè)計(jì)，規(guī)范指出若采用數(shù)字?jǐn)z影資料，平高控制點(diǎn)航向跨度（基線）應(yīng)該≤8條，旁向跨度（航線）應(yīng)該≤6條，方案十采用航線間隔8條基線，航帶間隔2條，一共布設(shè)25個(gè)控制點(diǎn)，方案十一采用航線間隔8條基線，航帶間隔1條，一共布設(shè)45個(gè)控制點(diǎn)。雖然方案十一的精度最優(yōu)，可是該方案需要布設(shè)45個(gè)控制點(diǎn)，由于外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)的效率直接決定整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度，同時(shí)考慮到外業(yè)控制點(diǎn)成本，并不推薦使用方案十一。而方案六～方案十一的穩(wěn)定性和精度都符合規(guī)范要求，但是這幾個(gè)方案中，方案六布點(diǎn)最少，只有20個(gè)，但是該方案的精度和方案十一在一個(gè)精度范圍內(nèi)，相差并不明顯，因此結(jié)合工作量和生產(chǎn)效率，特別是外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)成本等方面綜合考慮，方案六是相對經(jīng)濟(jì)并且有效的像控點(diǎn)布設(shè)方案。

4 結(jié) 論

通過本次的實(shí)驗(yàn)和分析，得出以下結(jié)論:

（1）由于數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行空三加密，可以不一定非要嚴(yán)格地按照現(xiàn)行規(guī)范要求的空三區(qū)域網(wǎng)像控點(diǎn)布設(shè)要求，這樣可以大大提高控制點(diǎn)間的基線數(shù)。1∶2 000的UCX數(shù)字航攝影像航向可采用12條基線布設(shè)平高點(diǎn)，旁向2條基線布設(shè)平高點(diǎn)，這個(gè)方案是一種精度佳，成本最省的空三加密方案。其他航攝比例尺的UCX數(shù)字航攝影像也可以參考本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及成圖比例尺的要求來綜合考慮。

（2）適當(dāng)?shù)卦黾又車钠矫娓叱炭刂泣c(diǎn)可以改善區(qū)域網(wǎng)平差后的中誤差，當(dāng)采用密集布點(diǎn)法的時(shí)候，中誤差明顯得以改善，從而達(dá)到相應(yīng)比例尺國家規(guī)范的要求。

（3）根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范要求，航向基線的跨度應(yīng)該小于等于8條，但依照本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，野外像控點(diǎn)布設(shè)可以放寬到12條。數(shù)字?jǐn)z影測量的空三加密，上下左右模型之間的連接強(qiáng)度大大增加，相對定向的點(diǎn)數(shù)、模型連接的點(diǎn)數(shù)以及加密點(diǎn)的數(shù)量也大大增加，刺點(diǎn)、轉(zhuǎn)點(diǎn)的精度和自動(dòng)匹配的觀測值精度也得到了大幅度地提高，再加上UCX影像傳統(tǒng)航攝膠片像幅小，像對的基線只有傳統(tǒng)航攝膠片的一半，因此把基線長提高到與傳統(tǒng)航攝膠片接近的長度空三加密也完全可以達(dá)到精度要求。

（4）根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范要求，野外像控點(diǎn)距像片邊緣的距離不應(yīng)小于 15 mm（23×23）或 5 mm（數(shù)碼相片），這是因?yàn)橛跋竦倪吘壸兓^大，對空三加密的成果有影像。但是對于UCX影像而言，由于影像是由4個(gè)單鏡頭影像拼接而成的，并且相機(jī)的鏡頭較小，影像邊緣變形也很小，可不必考慮傳統(tǒng)航空影像對影像邊緣的一些嚴(yán)格規(guī)定，即外業(yè)像控點(diǎn)可布設(shè)在影像的邊緣或靠近影像邊緣的位置，像控點(diǎn)布設(shè)在影像邊緣不會(huì)影像空三加密成果。

5 建 議

隨著數(shù)字航空攝影技術(shù)的不斷發(fā)展，其設(shè)備也在不斷成熟、不斷更新，但是大規(guī)模采用數(shù)碼航攝還有一定的局限性。例如設(shè)備投入太大、更新?lián)Q代速度較快、相應(yīng)的軟件購買成本較高。同時(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定在實(shí)踐中還不是最優(yōu)，相機(jī)檢定、后期影像處理技術(shù)還比較滯后，從事攝影測量和遙感人員對它的認(rèn)識(shí)也有待提高。為此，提出以下建議:

（1）不斷引進(jìn)新的技術(shù)，開發(fā)新航空攝影平臺(tái)。各個(gè)生產(chǎn)單位應(yīng)該大力開展技術(shù)培訓(xùn)和廣泛交流，配合軟件公司開發(fā)新的生產(chǎn)環(huán)節(jié)的軟件，不斷創(chuàng)新，找出更加實(shí)用的生產(chǎn)方法。與此同時(shí)，還需要對開發(fā)出的軟件進(jìn)行定期的更新，以跟上技術(shù)快速發(fā)展的腳步。

（2）開發(fā)的新軟件應(yīng)有很強(qiáng)的兼容性，不僅能讀各種格式的數(shù)據(jù)，而且對計(jì)算機(jī)配置的要求不宜過高，否則為購買該軟件首先還要使電腦配置達(dá)到軟件所需的運(yùn)行要求，造成成本過高。

（3）要根據(jù)新技術(shù)的要求及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下單機(jī)作業(yè)模式，要逐漸讓位于基于攝影測量服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集客戶端相結(jié)合的模式，新一輪的數(shù)據(jù)更新更加要求這樣的生產(chǎn)模式。要強(qiáng)化全數(shù)字化的空中三角測量環(huán)節(jié)，提升影像判讀能力，形成網(wǎng)絡(luò)一體化的航空攝影測量體系。

（4）根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況和技術(shù)的發(fā)展，不斷修訂和完善航空攝影和攝影測量的標(biāo)準(zhǔn)，使其能更加適用于實(shí)際工作，同時(shí)還應(yīng)考慮到工作成本的控制問題。航空攝影相機(jī)檢定、航空攝影規(guī)范、航空攝影質(zhì)量評定、航空攝影測量等系列的標(biāo)準(zhǔn)均有待修訂，使其在生產(chǎn)工作中更符合實(shí)際工作情況。

［1］孫家炳.遙感原理與應(yīng)用［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

［2］Visiontek公司.MapMatrix用戶手冊［R］.

［3］王佩軍，徐亞明.攝影測量學(xué)［M］.武漢，武漢大學(xué)出版社，2005.

［4］黃世德.航空攝影測量學(xué)［M］.北京：測繪出版社.

［5］吳巧玲.大比例尺數(shù)碼影像航測像控點(diǎn)布點(diǎn)方案探討［J］.測繪通報(bào)，2009（5）：35～37.

［6］余詠勝，游寧君.數(shù)碼航攝像機(jī)——傳統(tǒng)膠片航攝像機(jī)的替代者［J］.測繪通報(bào)，2005（3）.

［7］許婭婭、王月莉.全數(shù)字空中三角測量數(shù)據(jù)檢查驗(yàn)收及質(zhì)量評價(jià)方法的探討［J］.測繪通報(bào)，2006，52（1）：33～35.

［8］張祖勛.航空數(shù)碼相機(jī)及其有關(guān)問題［J］.測繪工程，2004，13（4）：1～5.

［9］祝曉坤，張海濤，董明.基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)字?jǐn)z影資料空三布點(diǎn)方案選擇［J］.北京測繪，2006（4）：1～5.

［10］李德仁.攝影測量與遙感的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，25（1）：1～6.

［11］Stewart Fotheringham&Peter Rogerson.Spatial Analysis and GIST.aylor&Francis，1994.

［12］Stan Aronoff.Geographic Information Systems：A Management Perspective.WDL publication Ottawa，Canada，1991.

［13］Jihong Guan，Shuigeng Zhou，Aoying Zhou，Moble-Agent Based Distributed WebGis［J］.Lecture Notes in Computer Science，2011，2172：53-66.

［14］Monchen Dficiency of Photogrammertric Precisidn Methods for Densification of Control Networks［J］.1977：46～50.

［15］CJJ/T8-2011.城市測量規(guī)范［S］.

［16］CH 1002-95.測繪產(chǎn)品檢查驗(yàn)收規(guī)定［S］.

［17］CH 1003-95.測繪產(chǎn)品質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［18］GB/T 18316-2001.數(shù)字測繪產(chǎn)品檢查驗(yàn)收規(guī)定和質(zhì)量評定［S］.

［19］GB 7930-87.1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范［S］.

Research on the Layout of Photo-Control-Point of Aerotriangulation in UCX Digital Aerial Photograph

Zheng Ying，Qiao Wei，Shen Ying，Qin Sixian，Gao Yabing
（Wuhan Geomatics Institute，Wuhan 430022，China）

With the mature of digital aerial photography technology，digital aerial photography is increasingly used in surveying and mapping production units.Traditional aerial photography data for the field as the locus of control and aerial triangulation in the industry has more mature method.But on the premise of guarantee accuracy，if using the same method to process the digital aerial photography data and using traditional conventional film production technology specification，to guide the production of aviation digital imaging，the field as the control point layout of workload is several times of traditional conventional film and really costs more money.The purpose of this paper is to use the UCX digital aerial photography flying in 2010 of Wuhan geomatic institute，combining production experience and theory，looking for a kind of method which can satisfy the technical requirement and production specification，and can reduce the field as the control point layout work，shorten the working period，reduce the cost of digital aerial images three encryption as the control point layout scheme.

UCX digital aerial image；aerial triangulation；aerial triangulation encryption；photo-control-point layout plan

1672-8262（2016）02-79-05中圖分類號：P231

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