光束法空中三角測(cè)量數(shù)據(jù)處理及精度分析

羅 勇

（長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430212）

光束法空中三角測(cè)量數(shù)據(jù)處理及精度分析

羅 勇

（長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430212）

空中三角測(cè)量的精度是無(wú)人機(jī)在攝影測(cè)量過(guò)程中的重要指標(biāo)，像片處理中各環(huán)節(jié)都影響攝影成果的質(zhì)量，空中三角測(cè)量的方法是其重要的影響因素。目前空中三角測(cè)量方法有三種，其中光束法區(qū)域網(wǎng)平差更為嚴(yán)密，應(yīng)用也最為廣泛。介紹光束法平差中解決一般粗差點(diǎn)及特殊粗差點(diǎn)的處理方法，并通過(guò)實(shí)例分析了控制點(diǎn)數(shù)量對(duì)成果精度的影響。

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量；光束法平差；精度分析

早期的無(wú)人機(jī)是作為軍事靶機(jī)而進(jìn)行應(yīng)用的，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊科技以及微電路科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)作為一種飛行平臺(tái)已發(fā)展成集數(shù)字化、輕材料和探測(cè)傳感器于一體的新型技術(shù)，目前，國(guó)產(chǎn)多元化、多用途的無(wú)人機(jī)不斷被生產(chǎn)出來(lái)，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行地理數(shù)據(jù)信息測(cè)量，逐漸成為當(dāng)前重要的地形數(shù)據(jù)獲取方式。特別是無(wú)人機(jī)搭載攝影傳感器能在復(fù)雜地形與惡劣氣候條件下能獲取精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息的能力，大大提高了外業(yè)數(shù)據(jù)采集的效率，但數(shù)據(jù)處理中粗差剔除和控制點(diǎn)的數(shù)量直接對(duì)光束法空中三角測(cè)量精度產(chǎn)生較大的影響。

1 光束法空中三角測(cè)量原理

光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量是以每張像片組成的一束光線作為平差的基本單元，以共線方程作為平差的基礎(chǔ)方程，通過(guò)各個(gè)光束在空中的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間公共點(diǎn)的光線實(shí)現(xiàn)最佳交會(huì)，并使整個(gè)區(qū)域納入到已知的控制點(diǎn)的地面坐標(biāo)系中，最后通過(guò)建立全區(qū)域統(tǒng)一的誤差方程式，整體解求全區(qū)域內(nèi)每張像片的六個(gè)外方位元素以及所有待求點(diǎn)的地面坐標(biāo)，原理圖如圖1所示。主要內(nèi)容包括根據(jù)共線方程求解每張像片的外方位元素，并按照空間前方交會(huì)求出地面點(diǎn)的地面坐標(biāo)。

圖1 光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量原理圖

2 光束法空中三角測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程

1）相機(jī)畸變差糾正：將檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)定的鏡頭畸變改正數(shù)導(dǎo)入，并進(jìn)行糾正；

2）航拍的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)坐標(biāo)、攝影地區(qū)信息等相關(guān)數(shù)據(jù)的整理；

3）金字塔影像的創(chuàng)建：原始影像按一定規(guī)則生成的由細(xì)到粗不同分辨率的影像集，創(chuàng)建金字塔影像提高了影像的匹配速度和穩(wěn)定性；

4）相對(duì)定向：采集相鄰像片上的同名點(diǎn)，利用匹配算法進(jìn)行匹配，得到相對(duì)定向后的點(diǎn)集；

5）控制點(diǎn)量測(cè)：引入控制點(diǎn)時(shí)，在像片上對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)；

6）區(qū)域網(wǎng)平差：第一步進(jìn)行自由網(wǎng)平差，剔除粗差點(diǎn)，第二部引入控制點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)平差；

7）絕對(duì)定向：計(jì)算出各像片的外方位元素，并求出像片點(diǎn)的地面坐標(biāo)值。

3 光束空中三角測(cè)量實(shí)例分析

本項(xiàng)目旨在高山城址位于四川省成都市大邑縣三岔鎮(zhèn)高山社區(qū)3組古城埂村，地處成都平原的西南邊緣，本次測(cè)繪面積為9km2，地理坐標(biāo)為北緯30°27′09.5″，東經(jīng)103°34′46.3″，海拔高度494.5米。本項(xiàng)目使用HDSY-G03無(wú)人機(jī)，索尼A5100相機(jī)為影像數(shù)據(jù)獲取手段，影像數(shù)據(jù)采用VirtuoZo NT數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行處理。

3.1 飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

無(wú)人機(jī)飛行情況：

1）像片航向重疊度為78%，旁向重疊度為50%，航帶6條；

2）影像旋轉(zhuǎn)偏角0-30；

3）攝影影像320張，格式為jpg；

4）飛行區(qū)域四周均勻布設(shè)平高點(diǎn)14個(gè)，平面控制點(diǎn)4個(gè)；

5）相對(duì)航高513米；

3.2 數(shù)據(jù)平差處理

通過(guò)一定的匹配算法在兩幅或多幅圖像中尋找同名點(diǎn)的過(guò)程，稱為影像匹配，在影像自動(dòng)匹配過(guò)程中，部分匹配的點(diǎn)位不是同名點(diǎn)，該點(diǎn)稱為粗差點(diǎn)。一般的粗差點(diǎn)在光束法平差過(guò)程中，可逐漸縮小閾值范圍來(lái)進(jìn)行剔除；如果是特殊的粗差點(diǎn)，由于軟件也無(wú)法識(shí)別，導(dǎo)致在光束法平差無(wú)法剔除，因此，該點(diǎn)只能通過(guò)人工識(shí)別的方法進(jìn)行剔除。

3.2.1 普通粗差點(diǎn)處理方法

在光束平差中，將軟件自動(dòng)匹配的同名點(diǎn)進(jìn)行自由平差，自由平差后得到每個(gè)像點(diǎn)在每張影像上兩個(gè)方向（x、y方向）的殘差值，將x、y的殘差值作為閾值進(jìn)行設(shè)定，殘差大于閾值的進(jìn)行刪除，再次進(jìn)行自由網(wǎng)平差和超閾值殘差剔除，直到超閾值點(diǎn)全部剔除完畢，則粗差點(diǎn)處理過(guò)程結(jié)束。

根據(jù)國(guó)家對(duì)規(guī)范對(duì)閾值的規(guī)定，匹配點(diǎn)最大殘差應(yīng)小于4/3個(gè)像素，且中誤差為2/3個(gè)像素，本次影像像素大小為3.9u，因此，本次匹配最大殘差應(yīng)小于5.2，且中誤差小于2.6。為滿足規(guī)范要求，本次無(wú)人機(jī)影像應(yīng)剔除所有大于5.2的粗差點(diǎn)。為了避免粗差點(diǎn)剔除太多導(dǎo)致構(gòu)網(wǎng)權(quán)重失衡和軟件程序識(shí)別問(wèn)題的出現(xiàn)，在剔除過(guò)程中，閾值的設(shè)定需要依據(jù)粗差點(diǎn)數(shù)與匹配點(diǎn)數(shù)構(gòu)成的比例進(jìn)行刪除。光束平差剔除一般粗差點(diǎn)見(jiàn)表1

3.2.2 特殊粗差點(diǎn)的處理方法

在一般粗差點(diǎn)剔除后，所有粗差點(diǎn)閾值小于設(shè)定閾值，但還是會(huì)出現(xiàn)在匹配的連接點(diǎn)中,存在部分有問(wèn)題的連接點(diǎn)，該類點(diǎn)稱為特殊粗差點(diǎn)，特殊粗差點(diǎn)采用常規(guī)的匹配算法無(wú)法剔除，根據(jù)同名點(diǎn)都位于同名核線上的原理，該類點(diǎn)多數(shù)是同時(shí)位于多張相片中，在進(jìn)行影像匹配時(shí)，由于點(diǎn)數(shù)量過(guò)多而軟件解算得到的虛擬同名點(diǎn)，這些點(diǎn)在像方坐標(biāo)系中的殘差點(diǎn)太小，程序無(wú)法識(shí)無(wú)法采用閾值進(jìn)行刪除。此時(shí)可以通過(guò)引入地面控制點(diǎn)進(jìn)行平差，再根據(jù)平差點(diǎn)與控制點(diǎn)誤差進(jìn)行比較來(lái)，以此來(lái)發(fā)現(xiàn)該類點(diǎn)并將其剔除，或者在地形相對(duì)平坦的區(qū)域采取過(guò)濾飛點(diǎn)的方法來(lái)找出特殊粗差點(diǎn)。

表1 光束平差剔除一般粗差點(diǎn)

3.3 絕對(duì)定向精度分析

在粗差基本剔除，且平差達(dá)到精度要求后，需要求解出各像片的外方位元素，并求出待定點(diǎn)的坐標(biāo)值，最后得到空中三角測(cè)量加密數(shù)據(jù)。加密數(shù)據(jù)的精度評(píng)定，要從控制點(diǎn)的平面和高程殘差中誤差進(jìn)行判斷。本實(shí)驗(yàn)成果精度按1:1000攝影比例來(lái)確定。項(xiàng)目中采用野外采集的18個(gè)控制點(diǎn)來(lái)進(jìn)行定向。均勻選取4個(gè)控制點(diǎn)、6個(gè)控制點(diǎn)和12個(gè)控制點(diǎn)分別進(jìn)行平差，其結(jié)果和野外控制點(diǎn)進(jìn)行較值分析，主要分析控制點(diǎn)的數(shù)量與成果精度之間存在的關(guān)系。航線及控制點(diǎn)布置圖如圖2所示，圖中的圓點(diǎn)表示控制點(diǎn)，直線表示航線。

圖2 航線及控制點(diǎn)布置圖

以地面實(shí)際測(cè)量點(diǎn)為真測(cè)量值的前提下，平差計(jì)算的控制點(diǎn)與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，下面對(duì)設(shè)定控制點(diǎn)數(shù)目進(jìn)行分析：

1）設(shè)定四個(gè)角上選取4個(gè)控制點(diǎn)為定向點(diǎn)，平差計(jì)算定向值和實(shí)測(cè)地面控制點(diǎn)值進(jìn)行比較，兩者較差和中誤差見(jiàn)表2。

2）設(shè)定三條航線的起點(diǎn)和重點(diǎn)選取6個(gè)定向點(diǎn)，平差計(jì)算定向值和實(shí)測(cè)地面控制點(diǎn)值進(jìn)行比較，兩者較差和中誤差見(jiàn)表3。

3）設(shè)定選取9個(gè)定向點(diǎn)，平差計(jì)算定向值和實(shí)測(cè)地面控制點(diǎn)值進(jìn)行比較，兩者較差和中誤差見(jiàn)表4。從以上數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)控制點(diǎn)為6個(gè)時(shí)，加密點(diǎn)的精度比4個(gè)控制點(diǎn)時(shí)顯著提高，當(dāng)控制點(diǎn)數(shù)量為9個(gè)時(shí)，精度與6個(gè)控制點(diǎn)時(shí)相當(dāng)，因此，在合理布設(shè)控制點(diǎn)的情況下，光束法平差引入的控制點(diǎn)數(shù)目越多，其精度越高，但是其引入的控制點(diǎn)數(shù)目達(dá)到了一定飽和量，其精度提高變化也不明顯，趨于精度極限。

表2 4個(gè)控制點(diǎn)時(shí)實(shí)測(cè)值與平差值較值

表3 6個(gè)控制點(diǎn)時(shí)實(shí)測(cè)值與平差值較值

表4 9個(gè)控制點(diǎn)時(shí)實(shí)測(cè)值與平差值較值

4 結(jié)論

本文從光束法空中三角測(cè)量原理出發(fā)，分析了數(shù)據(jù)處理過(guò)程中粗差點(diǎn)的剔除方法，并在粗差剔除后的基礎(chǔ)上，采用相同精度不同數(shù)量的控制點(diǎn)進(jìn)行絕對(duì)定向，在不考慮外界其他因素對(duì)精度影響的情況下，加密點(diǎn)坐標(biāo)精度隨控制點(diǎn)的數(shù)量的增大而增大，但隨著控制點(diǎn)到達(dá)飽和后，精度趨于穩(wěn)定。

[1]袁修孝.GPS輔助空中三角測(cè)量的若干探討[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),1997,(1):17-21.

[2]董秀軍.三維空間影像技術(shù)在地質(zhì)工程中的綜合應(yīng)用研究[D].成都理工大學(xué),2015.

[3]陳姣.無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)測(cè)繪大比例尺地形圖應(yīng)用研究[D].昆明理工大學(xué),2013.

[4]史建青.機(jī)載LiDAR在省級(jí)基礎(chǔ)測(cè)繪中若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢大學(xué),2014.

[5]陳濤.機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在構(gòu)造地貌定量化研究中的應(yīng)用[D].中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,2014.

[6]鄭強(qiáng)華.低空無(wú)人機(jī)空中三角測(cè)量精度分析[D].東華理工大學(xué),2015.

［編校：楊 琴]

Data Processing and Precision Analysis of Aerial Triangulation by Beam Method

LUO Yong

(Changjiang Institute of Technology , Wuhan Hubei430212)

The accuracy of aerial triangulation is an important indicator of UAV in photogrammetriy proc ess, each link will affect the quality of photo processing in photography, and aerial triangulation methods is the important inf l uencing factors. There are three kinds of the aerial triangulation methods, among which bundle block adjustment is more rigorous, and is also widely used. This paper introduces the general and special gross error processing methods to solve bundle adjustment, and analyses the inf l uence of the number of control points on the accuracy of the results.

digital photogrammetry; bundle adjustment; precision analysis

P 231

A

1671-9654(2017)01-0069-03

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.2017.01.018

2017-01-20

羅勇（1982- ），男，江西九江人，講師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)闇y(cè)繪技術(shù)教育教學(xué)。