Virtuozo自動空中三角測量方法與實踐

韓 梅

(山東東方道邇數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

1 自動空中三角測量的介紹

利用一個區(qū)域中多幅影像連接點的影像坐標(biāo)和很少的已知影像坐標(biāo)及其物方空間坐標(biāo)的地面控制點，通過平差計算，求解連接點的物方空間坐標(biāo)與影像的外方位元素，稱為區(qū)域網(wǎng)空中三角測量。通過區(qū)域網(wǎng)空中三角測量解算得出的影像的外方位元素，是后續(xù)的一系列攝影測量處理與應(yīng)用的基礎(chǔ)。

定義：

物方空間坐標(biāo)系坐標(biāo)：X、Y、Z

攝站(S)坐標(biāo)：Xs、Ys、Zs

旋轉(zhuǎn)角： φ、ω、κ

像點坐標(biāo)：x、y

像主點坐標(biāo)： x0、y0

航攝儀主距：f

其中像主點坐標(biāo)和航攝儀主距稱為內(nèi)方位元素，攝站坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角稱為外方位元素。內(nèi)方位元素定義：確定投影中心相對于航攝像片的位置所需要的元素即：x0、y0、f0其作用：一是將像點的框標(biāo)坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為像點的像空系坐標(biāo)；二是確定攝影光束的形狀。

外方位元素的定義：確定航攝像片及其投影中心在地輔系中的位置和方向所需要的元素。其作用是確定像空系在地輔系中位置和方向所需要的元素，即角元素和線元素。其中線元素為XS，YS，ZS三個位置元素；以及角元素三個φ、ω、κ 三個方向元素。

利用一個區(qū)域中多幅影像連接點的影像坐標(biāo)和很少的已知影像坐標(biāo)及其物方空間坐標(biāo)的地面控制點，通過平差計算，求解連接點的物方空間坐標(biāo)與影像的外方位元素，如果該方法是用數(shù)字?jǐn)z影測量工作站實現(xiàn)，則成為自動空中三角測量。通過數(shù)字?jǐn)z影測量工作站實現(xiàn)的空中三角測量解算得出的影像的外方位元素，是后續(xù)的一系列攝影測量處理與應(yīng)用的基礎(chǔ)。本論文就以自動空三軟件 VirtuoZo AAT 來介紹Virtuozo自動空中三角測量方法。

2 VirtuoZo AAT介紹

2.1 空中三角測量的定義

空中三角測量是攝影測量生產(chǎn)中的關(guān)鍵步驟，它利用少量的地面控制點來計算一個測區(qū)中所有影像的外方位元素和所有加密點的地面坐標(biāo)。在傳統(tǒng)作業(yè)方式下，空三是一項非常乏味和耗時的工作，它主要包括：選擇、轉(zhuǎn)測加密點，量測加密點和控制點的像片坐標(biāo)，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，檢測并剔除粗差等作業(yè)。

2.2 VirtuoZo AAT的介紹

VirtuoZo 全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)的影像配準(zhǔn)算法具有可靠、快速和精確的優(yōu)點。其中的自動空三量測(AATM)模塊除半自動量測控制點之外，其他所有作業(yè)(包括內(nèi)定向、選取加密點、加密點轉(zhuǎn)點、相對定向、模型連接和生成整個測區(qū)像點網(wǎng))都可以自動完成。PATB 光束法區(qū)域網(wǎng)平差程序具有高性能的粗差檢測功能和高精度的平差計算功能，是目前國際上公認(rèn)的著名平差軟件。所以，將上述兩個軟件的優(yōu)點結(jié)合在一起，即VirtuoZo AATM 和 PATB集成后就成為功能強(qiáng)大的自動空三軟件 VirtuoZo AAT。

VirtuoZo 工作流程見圖1。

圖1 VirtuoZo 工作流程

3 空中三角測量方法在工作中學(xué)習(xí)的流程簡介

在掌握以上Virtuozo自動空中三角測量的作業(yè)流程和使用方法后，針對工作中的應(yīng)用作如下簡要介紹，共分四個部分：第一部分是空三數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；第二部分是空三自動轉(zhuǎn)點；第三部分是空三加密；第四部分是空三完成后的測區(qū)合并與質(zhì)量控制。

3.1 空三數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

3.1.1 建立測區(qū)

包括設(shè)置測區(qū)基本參數(shù)、建立相機(jī)文件、輸入外業(yè)控制點、影像格式轉(zhuǎn)換及建立測區(qū)影像列表。

3.1.2 自動內(nèi)定向

內(nèi)定向是數(shù)字?jǐn)z影測量的第一步。這是因為數(shù)字影像是以“掃描坐標(biāo)系 O-I-J”為準(zhǔn)，即象素的位置是由它所在的行號 I 和列號 J 來確定的，它與像片本身的像坐標(biāo)系 o-x-y 是不一致的。一般說來，數(shù)字化時影像的掃描方向應(yīng)該大致平行于像片的x 軸，這對于以后的處理(特別是核線排列)是十分有利的。其步驟包括建立框標(biāo)模板和檢查自動內(nèi)定向結(jié)果。

3.1.3 確定航線間的偏移量

為了在航線間自動轉(zhuǎn)點，程序需要知道航線之間的相互關(guān)系，確定航線間的偏移量就是用來確定航線之間的相互關(guān)系的。通常，確定航線之間的相互關(guān)系，只需在相鄰的航線之間人工量測數(shù)個同名點，這些點我們稱之為航線間偏移點(Strip Offset點)。在普通航線(航向基本相同)之間和不同的航線組(交叉航線)之間，對航線間偏移點的數(shù)量有不同的要求：

對于兩條普通航線，基本要求為在航線的頭尾各量測一個點，當(dāng)航線比較長時，有時可以在航線中間再均勻的量測一個或多個點。

對于不同的航線組，基本要求為在兩個航線組(各包含多條航線)的公共區(qū)域內(nèi)，人工至少量測3個偏移點，而且要求這三個點不要分布在一條直線上。

3.1.4 輸入 GPS參數(shù)

在 VirtuoZo AAT中輸入 GPS或 INS參數(shù)，有以下幾點注意事項：

(1)創(chuàng)建測區(qū)時需要輸入正確的攝影比例尺。

(2)在影像列表設(shè)置時要輸入影像索引編號。

(3)準(zhǔn)備一個文本文件輸入 GPS 或者 INS 參數(shù)。

3.2 空三自動轉(zhuǎn)點

3.2.1 自動轉(zhuǎn)點

在做完上述數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作后，就可以開始自動轉(zhuǎn)點了，這部分作業(yè)計算機(jī)需要運算較長時間，但不需要作業(yè)員監(jiān)管，因此，一個好的計劃是盡量將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作安排在白天進(jìn)行，而將自動轉(zhuǎn)點過程安排到夜間進(jìn)行，這樣可以充分利用計算機(jī)而又減少人工的作業(yè)強(qiáng)度。另外，VirtuoZo AAT 的自動轉(zhuǎn)點模塊支持?jǐn)嚯娎^續(xù)運行，這樣即使自動轉(zhuǎn)點過程中遇到停電，作業(yè)員在第二天也可以讓程序重新啟動后繼續(xù)運行。

3.2.2 自動轉(zhuǎn)點中的異常處理

在自動轉(zhuǎn)點的最后，系統(tǒng)一般會給出整個自動轉(zhuǎn)點過程中的警告信息和錯誤信息，這是因為實際的數(shù)據(jù)情況千差萬別，一般說來，當(dāng)測區(qū)比較大時，總會存在少數(shù)自動轉(zhuǎn)點失敗的異常情況，所以如何解決這些異常問題就非常重要了。需要指出的是，只有當(dāng)用戶排除了自動轉(zhuǎn)點中的所有異常，才能夠進(jìn)入下一步作業(yè)，即自動挑點。

在 VirtuoZo AAT 中設(shè)置了幾個工具用于解決自動轉(zhuǎn)點過程中的異常問題。在每一次自動轉(zhuǎn)點后，用戶都應(yīng)該首先檢查轉(zhuǎn)點報告的最后是否有錯誤提示。

如果有則需要按本章介紹的方法排除錯誤，然后在主界面下單擊 TrianglationTie-point ExtractionContinue 菜單項繼續(xù)完成轉(zhuǎn)點過程，直至沒有任何錯誤提示(警告提示可以忽略)為止。

3.3 空三加密

完成自動轉(zhuǎn)點之后，開始進(jìn)入空三加密作業(yè)的最后一步，即編輯連接點并進(jìn)行平差。一般說來，加密作業(yè)的步驟為：

量測控制點。

在標(biāo)準(zhǔn)點位增加像點。

調(diào)用平差程序進(jìn)行平差計算。

刪除或編輯粗差像點。

重復(fù)第 3步和第 4步直至滿足加密要求。

輸出加密成果。

3.4 測區(qū)合并及質(zhì)量控制

3.4.1 測區(qū)合并

如果是單個測區(qū)加密完成后，直接輸出加密點，即可完成加密工作。但是在實際作業(yè)過程中，一個大的測區(qū)要分成多個子測區(qū)，這時就需要對每個子測區(qū)進(jìn)行合并，傳統(tǒng)的測區(qū)接連檢查對于無人機(jī)項目會有一定的誤差，這時選擇測區(qū)合并，是最理想的方法，同時可以彌補(bǔ)子測區(qū)缺少外業(yè)控制點的情況。

如果與本測區(qū)接邊的測區(qū)不在本機(jī)硬盤上，有兩種方法解決：

映射網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器；

將所須文件(測區(qū)名.tpc、所有的控制點文件、相機(jī)參數(shù)文件)拷貝到本機(jī)并建立測區(qū)進(jìn)行測區(qū)合并接邊。

3.4.2 質(zhì)量控制

每個作業(yè)流程(內(nèi)定向、相對定向、轉(zhuǎn)連接點、構(gòu)網(wǎng)、平差等)必須經(jīng)專職質(zhì)量檢查員檢查認(rèn)可。

凡是遇到超出精度指標(biāo)的情況，必須經(jīng)過質(zhì)檢人員確認(rèn)，方可處理。

每個作業(yè)流程均應(yīng)保留相應(yīng)的精度指標(biāo)記錄文件，將與成果一同上交。

空三加密過程中發(fā)現(xiàn)的控制點錯誤，必須一一作文字記錄，反饋給外業(yè)進(jìn)行核實。

每個區(qū)域在與周邊區(qū)域接邊后，需填寫圖例表，繪接邊示意圖，標(biāo)明定向點、檢查點、公共點連接點誤差數(shù)值。

生產(chǎn)管理和質(zhì)檢人員應(yīng)繪制每個區(qū)域的質(zhì)量記錄圖表，包括像對數(shù)、作業(yè)人員、質(zhì)量等級、完成日期等。

4 結(jié)束語

隨著全世界科技的發(fā)展，用于城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的城市地形圖DOM需求量增多，數(shù)字正射影像圖大規(guī)模的制作與應(yīng)用已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，同時數(shù)字影像地形圖是“數(shù)字城市”發(fā)展的必然趨勢，為正在建設(shè)中的現(xiàn)代化提供有力的信息支持和信息保障。

另一方面攝影測量數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的迅猛發(fā)展，雖為地理信息產(chǎn)業(yè)打開新的領(lǐng)域，但也為攝影測量提出了新的問題，除了上述的數(shù)據(jù)獲取手段的迅速發(fā)展，攝影測量由模擬、解析發(fā)展到今天的數(shù)字?jǐn)z影測量，它在理論到實踐上如何進(jìn)一步發(fā)展？

在以后的專業(yè)應(yīng)用中空中三角測量必將得到更加充分的應(yīng)用的發(fā)展，為此，更快捷的獲取和處理數(shù)據(jù)、海量數(shù)據(jù)，以及準(zhǔn)確地提取特征地物的數(shù)字信息正在面臨著更加嚴(yán)峻的考驗，同時自動空中三角測量的方法和理論研究必將在攝影測量這一領(lǐng)域得到越來越艱巨的困難，希望在以后的工作和實踐中能夠得到更加深入和前沿性的學(xué)習(xí)。