基于Xpro系統(tǒng)的ADS影像航測制圖流程探討

劉竹均 王 義

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610083)

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基于Xpro系統(tǒng)的ADS影像航測制圖流程探討

劉竹均 王 義

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610083)

結(jié)合某鐵路ADS攝影1∶2 000航測制圖項(xiàng)目，系統(tǒng)總結(jié)ADS影像基于Leica Xpro系統(tǒng)從GPS/IMU數(shù)據(jù)計(jì)算到空三加密和立體測圖的全套流程及相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)。

Leica Xpro ADS80 空三加密 立體測圖

2008年7月，瑞士徠卡公司在第21屆ISPRS大會(huì)上推出了基于線陣CCD掃描機(jī)載數(shù)字航空攝影測量系統(tǒng)Leica ADS80。ADS80采用高精度POS系統(tǒng)，集成了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和高精度的慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)(IMU)，能夠有效保證獲取到每條影像較為精確的外方位元素，減少外控作業(yè)，提升空三精度。另外，該系統(tǒng)采用三線陣CCD掃描和專業(yè)的單一大孔徑鏡頭，一次飛行就可同時(shí)獲取具有完整三度重疊，連續(xù)無縫且具有相同影像分辨率的前、下、后視長條帶全色和多光譜立體影像，能一定程度上減少立體測圖的模型拼接和定向環(huán)節(jié)，提升測圖精度和效率?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，ADS80影像數(shù)據(jù)對于條帶狀鐵路的航測制圖具有良好的應(yīng)用前景。

ADS80影像數(shù)據(jù)隨處理流程推進(jìn)共分L0、L1、L2三級(jí)影像，傳感器直接獲取得到的L0級(jí)影像存在較大影像畸變，且ADS80影像數(shù)據(jù)屬于多線陣推掃式成像模型，與傳統(tǒng)單中心成像模型的框幅式影像在成像原理上有本質(zhì)的區(qū)別，傳統(tǒng)的空三處理軟件無法直接解析處理。就此，徠卡公司推出Xpro軟件，并嵌入了現(xiàn)時(shí)主流的Orima平差模塊，提供了從傳感器影像下載到影像定向輸出的一體化數(shù)據(jù)處理解決方案，能夠有效提升ADS影像數(shù)據(jù)的生產(chǎn)處理效率。

利用某鐵路ADS80影像數(shù)據(jù)，探索基于Leica Xpro軟件的ADS80影像數(shù)據(jù)處理流程，總結(jié)相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)和作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，為鐵路航測內(nèi)業(yè)制圖工作提供高精度、高效率的解決方案。

1 ADS80影像處理和測圖流程

ADS80的影像處理和測圖流程如圖1。

圖1 ADS80影像處理和測圖流程

1.1 影像數(shù)據(jù)下載和預(yù)處理

數(shù)據(jù)下載是指從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中拷貝和提取包含gps-imu實(shí)時(shí)軌線文件(trajectory)、影像數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)支持文件等從航飛系統(tǒng)中獲取得到的ADS相關(guān)數(shù)據(jù)，并使用IPAS軟件下載精密星歷，解算ADS航帶外方位元素。然后通過Xpro系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，將相關(guān)地理數(shù)據(jù)和影像建立起對應(yīng)的地理坐標(biāo)關(guān)系和關(guān)聯(lián)信息，匹配像點(diǎn)地理信息坐標(biāo)，建立影像金字塔，為后面的空三加密提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備支持。另外，在數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊中，還可直接輸出快速L2級(jí)正射影像。

1.2 空三加密流程

利用IPAS軟件解算的ADS航帶外方位元素可以對航帶數(shù)據(jù)進(jìn)行初步定向，但為保證鐵路航測1∶2000測圖精度，還需通過空三加密流程進(jìn)一步匹配ADS航帶三視影像間、航帶與航帶之間的連接點(diǎn)以及加密地面控制點(diǎn)，從而進(jìn)行更加精準(zhǔn)的相對和絕對定向；同時(shí)糾正IMU的匹配偏差，修正基準(zhǔn)面的偏移。ADS80的空三處理可使用XPRO軟件的空三準(zhǔn)備和處理模塊完成，共包括以下五個(gè)流程。

(1)創(chuàng)建工程

在Xpro系統(tǒng)中的“空三準(zhǔn)備”模塊創(chuàng)建空三工程(Block)，創(chuàng)建的過程共計(jì)以下三道工序：①整合工程所包含的全部條帶數(shù)據(jù)，條帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在航帶測區(qū)文件夾中的*.stp文件；②設(shè)置工程坐標(biāo)參數(shù)，用戶可自定義所需的地理或投影坐標(biāo)系，另外還可在系統(tǒng)中添加測區(qū)內(nèi)的軌線*.sol文件，自動(dòng)計(jì)算投影帶信息；③引入地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。

(2)APM自動(dòng)同名點(diǎn)匹配

調(diào)用空三模塊下的APM程序自動(dòng)匹配ADS航帶連接點(diǎn)，連接點(diǎn)的提取是基于ADS L0級(jí)影像及其對應(yīng)的*.sup數(shù)據(jù)支持文件。APM程序提供三種自動(dòng)連接點(diǎn)提取模式：INLINE_ONLY，TRANSFER_ONLY和FULL模式，分別對應(yīng)航帶內(nèi)三視重疊影像的連接點(diǎn)提取、航帶間的連接點(diǎn)提取、航帶內(nèi)與航帶間連接點(diǎn)提取。為增強(qiáng)條帶間多視影像的連接，本測區(qū)采用FULL模式提取自動(dòng)同名點(diǎn)。另外，加密人員還可根據(jù)地形起伏的程度，調(diào)整匹配起始像素、匹配間隔、搜索窗口等同名點(diǎn)匹配策略。

(3)控制點(diǎn)量測

在創(chuàng)建工程的流程中已經(jīng)將野外控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入空三工程，而在空三處理模塊中，加密人員需要參考航測外業(yè)刺點(diǎn)成果示意圖，加密準(zhǔn)確的控制點(diǎn)點(diǎn)位。加密人員可以選擇手工量測模式，也可以選擇“cross-correlation”模式自動(dòng)匹配同名點(diǎn)。另外，還可根據(jù)需要在控制點(diǎn)量測窗口對影像的對比度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(4)區(qū)域網(wǎng)平差

程序自動(dòng)提取的相對定向連接點(diǎn)以及人工加密的野外地面控制點(diǎn)通過創(chuàng)建“項(xiàng)目方案(Scenario)”得以保存。項(xiàng)目方案是指向某一特定空三工程的一組條帶數(shù)據(jù)(包括空三工程數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、條帶信息和軌線文件等)以及空三加密的相關(guān)參數(shù)設(shè)定(包括地面控制點(diǎn)位、連接點(diǎn)位和檢查點(diǎn)位等)；空三加密過程中的平差解算就是在項(xiàng)目方案中執(zhí)行的。

因此，在自動(dòng)連接點(diǎn)、地面控制點(diǎn)提取和量測完成后，需要建立項(xiàng)目方案，保存定向點(diǎn)點(diǎn)位；同時(shí)通過觸發(fā)空三模塊嵌入的ORIMA光束法平差模塊，在迭代的過程中自動(dòng)比對地面點(diǎn)精度，剔除粗差連接點(diǎn)，調(diào)整控制點(diǎn)準(zhǔn)確位置，提高ADS條帶影像的定向精度。平差結(jié)果的評定主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①單位權(quán)中誤差sigma值穩(wěn)定且保持在1.0～3.0 μm之間時(shí)；②GPS、IMU的方差分量保持在0.8～1.2之間，在調(diào)整方差分量時(shí)，需勾選automatically adjust variance component允許系統(tǒng)，在平差過程中自動(dòng)調(diào)整方差分量，調(diào)整結(jié)果如圖2所示；③在加密1∶2 000測圖影像時(shí)，地面控制點(diǎn)x、y、z的殘差調(diào)至1 m以下。本項(xiàng)目測區(qū)控制點(diǎn)水平和高程精度都在1 m以下，滿足鐵路工程攝影測量規(guī)范1∶2 000地形圖的成圖要求，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

圖2 單位權(quán)中誤差與GPSIMU方差分量調(diào)整結(jié)果

圖3 測區(qū)控制點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

(5)結(jié)果改進(jìn)與保存

如果由于連接點(diǎn)過少而引起條帶連接效果不好，可在“基本參數(shù)”標(biāo)簽欄下勾選“Densify points if needed”(如圖4所示)，以增加自動(dòng)同名點(diǎn)的匹配；或是人工增加連接點(diǎn)增強(qiáng)連接和定向精度。調(diào)整完成后，點(diǎn)擊“write to block”，將項(xiàng)目方案中的平差定向結(jié)果保存到空三工程中。

圖4 加密連接點(diǎn)匹配

1.3 L1級(jí)影像輸出和處理

ADS的L1級(jí)空三加密影像在Xpro系統(tǒng)中的“產(chǎn)品生成”模塊中進(jìn)行輸出。在加載完空三工程后，設(shè)置影像的輸出參數(shù)，然后執(zhí)行輸出。參數(shù)的內(nèi)容包括影像的類型(該模塊中可以輸出多個(gè)光譜通道的L1級(jí)和L2級(jí)影像)、輻射糾正方法、圖片參數(shù)、投影信息、輸出范圍和存儲(chǔ)路徑。輸出的產(chǎn)品包括：影像*.tif文件，數(shù)據(jù)支持文件*.sup，航線信息和影像索引文件*.ads，姿態(tài)及定向文件*.odf和平差定向文件*.odf.adj。此時(shí)，長條帶的ADS影像被自動(dòng)裁剪為多個(gè)小塊，每個(gè)條帶的裁剪影像索引儲(chǔ)存在*.ads文件中，并由*.ads文件鏈接到條帶支持文件*.sup中。另外，輸出的影像還需要在Photoshop中進(jìn)行對比度和色調(diào)的調(diào)整，以更好的適應(yīng)測圖。

1.4 JX4模型定向和測圖

JX4測圖軟件內(nèi)嵌“ADS”模塊，可對ADS影像數(shù)據(jù)進(jìn)行定向和矢量測圖。在定向之前，首先需要組織文件結(jié)構(gòu)，以便系統(tǒng)正確讀取相應(yīng)文件：建立與空三加密工程名稱相同的工程文件夾，影像、索引和定向文件放置在影像子文件夾下，*.sup支持文件直接放在同級(jí)目錄下；測區(qū)相機(jī)文件放置在系統(tǒng)安裝目錄的ADS文件夾下。文件組織結(jié)構(gòu)建立完成后，更改*.sup文件中*.ads索引文件路徑，使得系統(tǒng)能索引到相應(yīng)的影像路徑，從而進(jìn)行立體像對絕對定向。

為避免出現(xiàn)由于影像過大造成的JX4卡頓、影像加載不流暢的現(xiàn)象，還可在JX4中進(jìn)一步裁切影像。裁切的方式是對影像進(jìn)行橫向裁切，裁切文件如圖5所示。

圖5 JX4測圖ADS影像裁切文件

2 Xpro數(shù)據(jù)處理的經(jīng)驗(yàn)探討

2.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換問題

Xpro空三工程坐標(biāo)系的建立是基于ADS80數(shù)據(jù)gps-imu實(shí)時(shí)軌線文件的參考坐標(biāo)系，而鐵路一般呈條帶狀分布，鐵路航測制圖一般要求選用工程獨(dú)立坐標(biāo)系進(jìn)行分段分帶投影，會(huì)造成空三工程坐標(biāo)系與成圖坐標(biāo)系不一致的情況。例如本鐵路項(xiàng)目軌線文件的參考坐標(biāo)系是建立在UTM投影坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，而成圖要求是基于CGCS2000坐標(biāo)系分段投影。為簡化流程，本項(xiàng)目采用的方案是在空三加密和測圖流程均使用UTM投影坐標(biāo)系，成圖后再進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，整個(gè)流程共涉及到三個(gè)坐標(biāo)系要點(diǎn)：

(1)在空三準(zhǔn)備階段，引入的地面控制點(diǎn)坐標(biāo)首先要轉(zhuǎn)換為UTM投影坐標(biāo)，使其與空三工程坐標(biāo)系保持一致。

(2)JX4測圖定向時(shí)也要使用UTM投影坐標(biāo)，具體的操作方法是更改JX4安裝目錄下JX4G.ini文件中的投影方法，并在定向參數(shù)窗口設(shè)置投影帶號(hào)和中央經(jīng)線。

(3)最后將測圖成果進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和換帶處理，以滿足鐵路航測成圖要求。

2.2 控制點(diǎn)布設(shè)與內(nèi)業(yè)加密

在Xpro系統(tǒng)控制點(diǎn)量測過程中無法進(jìn)行立體量測，因此地面控制點(diǎn)的布設(shè)與傳統(tǒng)航測制圖也有一些區(qū)別。首先，在布設(shè)地面控制點(diǎn)時(shí)，應(yīng)著重考慮在條帶間以及同一條帶三視影像間的點(diǎn)位控制；根據(jù)本項(xiàng)目1∶2 000鐵路航測制圖布點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，可采用類似傳統(tǒng)的五點(diǎn)法布點(diǎn)方式，即在沿鐵路線位兩側(cè)各10 km外控范圍內(nèi)，每兩個(gè)ADS條帶間各布設(shè)一對控制點(diǎn)，并沿線位走向每5 km加設(shè)一個(gè)控制點(diǎn)。其次，地面控制點(diǎn)的選刺應(yīng)盡量選擇貼近地面的特征點(diǎn)，例如田角、路角等，而諸如房頂角、圍墻頂角等距離地面較高處的特征點(diǎn)，內(nèi)業(yè)加密可能無法準(zhǔn)確判識(shí)而導(dǎo)致高程誤差，影響控制點(diǎn)和加密精度。

3 結(jié)論

結(jié)合某鐵路ADS攝影1∶2 000航測制圖項(xiàng)目，系統(tǒng)總結(jié)了ADS影像基于Leica Xpro系統(tǒng)從GPS/IMU數(shù)據(jù)解算到空三加密和立體測圖的全套制圖流程以及相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)；制圖成果與交叉鐵路線老圖接邊，滿足鐵路工程攝影測量規(guī)范要求。ADS影像對于鐵路航測制圖具有以下優(yōu)勢：(1)ADS系統(tǒng)集成了GPS和IMU，具有高精度POS系統(tǒng)，增強(qiáng)了測區(qū)內(nèi)條帶拼接，提升了模型間的內(nèi)符合精度；(2)長條帶影像較傳統(tǒng)膠片和數(shù)碼片，立體模型數(shù)量減少，從而降低了測圖定向的次數(shù)以及模型間的接邊差；(3)較傳統(tǒng)航測，ADS影像的控制點(diǎn)布設(shè)有所減少，可一定程度上降低外業(yè)工作量，節(jié)約時(shí)間和費(fèi)用成本。因此，ADS影像在鐵路航測制圖工作中有較好的適用性和應(yīng)用前景。

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Discussions on the ADS Image Mapping Process Based on XPro

LIU Zhujun WANG Yi

2016-08-18

劉竹均(1990—)，女，2014年畢業(yè)于英國倫敦大學(xué)學(xué)院地理信息技術(shù)專業(yè)，理學(xué)碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)06-0013-04

P231

A