航空攝影測量中像控點的選擇與布設(shè)

鄭國平，李文強

(大同市勘察測繪院，山西 太同 037006)

航空攝影測量中像控點的選擇與布設(shè)

鄭國平*，李文強

(大同市勘察測繪院，山西 太同 037006)

航空攝影測量中像控點位置的選擇與布設(shè)直接影響到內(nèi)業(yè)成圖的數(shù)學(xué)精度和工作效率的最大化。以大同市 1∶500成圖比例尺要求的數(shù)碼航空攝影項目為基礎(chǔ)，通過分析像控點點位選擇的基本要求、像控點的布設(shè)方案和施測方案，提出了內(nèi)外業(yè)工作中常出現(xiàn)的問題并結(jié)合實踐歸納總結(jié)了一些像控點選擇與布設(shè)方面的技巧與方法。

航空攝影測量；像控點；基線數(shù)；選擇與布設(shè)；技巧與方法

1 引 言

像控點的選擇與布設(shè)是航空攝影測量解析空三加密和測圖工作的重要環(huán)節(jié)，是航攝工作得以順利進行的基礎(chǔ)。像控點位置選擇與布設(shè)的合理性、坐標測量的精確性直接影響作業(yè)成果的質(zhì)量與工程完成的效率。如果像控點的選擇與布設(shè)位置不當，不僅會給外業(yè)實地測量帶來困難，造成工期延長，還會直接影響內(nèi)業(yè)處理的正確預(yù)判、工作效率和質(zhì)量的控制。因此像控點的選擇與布設(shè)工作至關(guān)重要。

2 像控點的選擇與布設(shè)分析

2.1 像控點點位選擇的基本要求

像控點點位選擇時應(yīng)該遵守以下原則：①像控點的目標影像應(yīng)無遮擋、清晰易辨、紋理豐富；②像控點點位距離像片邊緣不應(yīng)小于 1 cm；③像控點一般選擇布設(shè)在航向及旁向6片或者5片重疊處；④為保證交會和定向精度，像控點距離方位線(影像邊線即相鄰像片像主點的連線)的距離不應(yīng)小于 3 cm；⑤對于分布在自由圖邊、待成圖邊及其他方法成圖的圖邊像控點，應(yīng)選在圖廓線外[1]。當然，實際工作中還會遇到許多特殊情況，要遵照標準規(guī)范靈活處理，不能以偏概全，盲目選擇。

2.2 像控點的布設(shè)方案

根據(jù)測區(qū)實際面積、地形地貌等情況及工程精度等要求的不同，像控點的布設(shè)方案有三種，分別是：全野外布點、稀疏布點和特殊情況布點[2]。

(1)全野外布點

全野外布點是指攝影測量內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中所需要的全部控制點都由外業(yè)測定的布點方案[3]。

攝影測量工作中，根據(jù)測區(qū)內(nèi)已知的一部分點的精確大地坐標，通過空三加密將全測區(qū)的任意一點坐標加密出來。由于各種原因，這些已知點有時無法從已有資料中獲得，需要使用傳統(tǒng)方法在測區(qū)內(nèi)布設(shè)測量一些平高控制點，比如GPS聯(lián)測，或者全站儀聯(lián)測等。實際工作證明，全野外布點方法工作量大，對外界條件要求較高，一般只有在小面積測圖及測圖精度要求高的情況下才會采用，即一般應(yīng)用于特殊要求和特殊地形。

(2)稀疏布點

稀疏布點是指在外業(yè)測量中只測定少量的像控點，然后通過內(nèi)業(yè)加密的方法得到其余大部分控制點的布點方案。解析空中三角測量的外業(yè)布點方案一般采用按航線網(wǎng)布點或區(qū)域網(wǎng)布點進行[4]。

航線網(wǎng)是由多條航帶組成，像控點應(yīng)沿航線方向按照一定的航向、旁向重疊度、基線數(shù)量均勻的布設(shè)平高控制點?？紤]到內(nèi)業(yè)加密精度，對于航帶首尾處一定要有像控點，而且每隔一定數(shù)量的像控點要布設(shè)檢查點。

區(qū)域網(wǎng)布點時，可沿著區(qū)域網(wǎng)的周邊布設(shè)6個或8個平高控制點。當航線和像對的像片重疊度不符合要求以及像對內(nèi)有大片云影、陰影影像時，不宜采用該方法布點。再者，由于平面點布設(shè)在區(qū)域網(wǎng)的四周，其跨度要大于高程點，所以在區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部要根據(jù)一定的基線數(shù)量布設(shè)若干排高程點來滿足高程的跨距要求。

(3)特殊情況布點

由于地形條件及航攝資料的影響，對于航攝區(qū)域接合處的布點、旁向重疊度不夠的布點、航向重疊度不夠的布點、像主點和標準點位落水的布點、水濱和島嶼的布點，均應(yīng)按照規(guī)范中特殊情況布點所規(guī)定的進行[5]。

當然，成圖比例尺、攝影比例尺、像幅大小、時間、地形、技術(shù)設(shè)備、經(jīng)濟條件等都是影響像控點布設(shè)方案選擇的重要因素。對于實際項目，一定要綜合考慮，選擇出一套最優(yōu)的像控點布設(shè)方案。

3 大同市像控點的具體施測方案

按照規(guī)范要求，傳統(tǒng)的膠片式航攝像片在 1∶500航攝數(shù)字化成圖時，像控點布設(shè)應(yīng)采用全野外布設(shè)方法。但在數(shù)碼航攝儀普遍使用的今天，傳統(tǒng)膠片式航攝像片布設(shè)像控點的方法已經(jīng)不再適用于數(shù)碼航攝像片，而目前與其相關(guān)的國家規(guī)范中又沒有對數(shù)碼航攝像片像控點的布設(shè)給出明確規(guī)定[6]。所以在大同市 1∶500成圖比例尺要求的數(shù)碼航空攝影項目中，選擇什么樣的像控點布設(shè)施測方案才能滿足 1∶500成圖精度成為我院工作人員的研究重點。

3.1 施測區(qū)域概況

本次像控點施測區(qū)域位于大同市主城區(qū)，地勢平坦，海拔在 1 020 m～1 220 m之間，施測面積為 268 km2。航攝時間為5月中下旬至7月初，航線方向沿地勢走向敷設(shè)(如圖1所示)，設(shè)計航向重疊度為65%，旁向重疊度為35%[7]，有效航攝像片數(shù)為 5 500張。航攝飛機為運五B-8055，航攝儀采用德國蔡司公司生產(chǎn)的高精度數(shù)碼航攝儀[8]DMC2001，焦距為 120 mm，像幅為 92 mm×166 mm，像元尺寸為 12 μm，地面分辨率GSD優(yōu)于 0.05 m。攝區(qū)范圍如圖2所示。

圖1 數(shù)碼航空攝影航線設(shè)計圖

圖2 攝區(qū)范圍圖

3.2 基線數(shù)計算

國家規(guī)范中沒有明確的航攝像片控制點布設(shè)基線數(shù)計算公式，需要根據(jù)規(guī)范中加密點精度估算公式，來反算推求基線數(shù)[9]。

空三加密點平面、高程中誤差計算公式如下[10]：

(1)

(2)

式中：Ms為空三加密點平面中誤差(mm)；Mh為空三加密點高程中誤差(m)；n為相鄰像控點間的基線數(shù)；K為航攝像片放大成圖倍數(shù)；mq為視差量測的單位權(quán)中誤差(mm)；H為相對航高(m)；b為航攝像片的基線長度(mm)。

相對航高計算公式如下：

(3)

式中：H為相對航高(m)；f為鏡頭焦距(mm)；a為像元尺寸(mm)；GSD為地面分辨率(m)。

航攝像片基線長度計算公式如下：

bX=LX(1-pX)

(4)

式中：bX為航攝像片的基線長度(mm)；LX為像幅長度(mm)；pX為像片航向重疊度(%)。

依據(jù)上述已知參數(shù)及公式，得到相對航高為 500 m，基線長度為 32.2 mm，航攝像片放大成圖倍數(shù)為8，約取1/3像元(0.004 mm)為視差量測的單位權(quán)中誤差[9]。計算出Ms和Mh(如表1和表2所示)

空三加密點平面中誤差與基線數(shù)關(guān)系 表1

空三加密點高程中誤差與基線數(shù)關(guān)系 表2

3.3 加密點精度要求

根據(jù)《GBT 7930-2008 1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》要求，1∶500地形圖加密點的平面精度如表3所示；高程精度如表4所示。

平面位置中誤差 表3

高程中誤差 表4

依據(jù)表3，表4精度要求，結(jié)合實際統(tǒng)計驗證，從表1，表2中計算結(jié)果可以看出，為滿足 1∶500地形圖在非山地地帶的精度要求，沿航線方向布設(shè)像控點時，平面控制點每隔不超過4條基線布設(shè)一個，高程控制點每隔不超過6條基線布設(shè)一個。像控點選擇時，盡量選擇影像重疊度高、色調(diào)均勻、色彩分明、紋理豐富、比高最小的清晰平面地物，并且航帶首尾必須有像控點，必要時可增加航帶首尾的像控點數(shù)量。這樣能減少外業(yè)工作量，縮短內(nèi)業(yè)成圖周期，降低項目成本。

3.4 像控點的目標選擇

像控點的目標位置選擇是像控點測定中的一個關(guān)鍵步驟，直接影響內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和外業(yè)測量工作。在實際工作中，在可選區(qū)域內(nèi)要仔細考慮，選出可以在實地、影像上明確辨認、無遮擋的理想物點作為像控點。選擇像控點時，不僅要考慮規(guī)范要求、成圖要求，還要考慮地形測量視野廣闊(RTK對地形要求相對較低)、交會圖形理想等傳統(tǒng)測量方法的要求[11]。

總之，不論是平高點、平面點還是高程點，最好選擇在貼近地面又近似直角的可明確辨認的目標點位上。例如：白黃色斑馬線拐角點、平臺拐角點、道路交叉點等。

3.5 像控點的位置標定

像控點的位置標定是指在航攝像片上標示出像控點的準確位置。實際工作中，本文采用的方法是：①仔細反復(fù)核對影像目標與實際地物是否對應(yīng)正確；②確認無誤后，使用大頭針在影像上刺出像控點所在位置，并使用“△”或“○”在影像矩形框內(nèi)標記出刺點位置(見圖3像控點刺點圖)，便于在影像上尋找像控點位置；③翻轉(zhuǎn)影像圖，在影像背面繪制像控點所在位置草圖，并注明點號、點位、刺點人、檢查者、刺點日期等信息，并指出北方向，所有文字字頭朝北；④使用手機等拍照設(shè)備對像控點進行近景、遠景拍攝，并修改相片名，使其與點名一致，明確像控點與周圍地物的參照對應(yīng)位置關(guān)系。拍照時，一般由南向北拍攝；⑤如果有不確定目標點時，可在像控點可選范圍內(nèi)選擇布設(shè)多個像控點，以便內(nèi)業(yè)處理時有所選擇，避免返測。

圖3 像控點刺點圖

為簡化內(nèi)業(yè)工作，保證像控點精度，本文還制作了統(tǒng)一而又規(guī)范的像控點點位信息表，供外業(yè)測量人員使用，進一步提高作業(yè)效率。

3.6 像控點施測步驟

像控點選擇布設(shè)準備工作完成后，根據(jù)施測方案要求，在快拼影像上標出像控點概略位置，作為像控點測量的索引圖。即像控點應(yīng)選擇布設(shè)在圖4紅色圓圈(像控點概略位置)范圍內(nèi)。

圖4 局部像控點選擇布設(shè)索引圖

外業(yè)測量人員利用索引圖找到像控點概略位置后，使用該處高分辨率影像確定像控點實際位置進行多次測量，并刺點繪制草圖(如圖5所示)，填寫像控點點位信息表(如圖6所示)，供像控點轉(zhuǎn)刺、存檔時使用。

圖5 像控點點位草圖

圖6 像控點點位信息圖

每日測量完成的像控點坐標都要及時按照要求進行計算，然后轉(zhuǎn)交與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理人員。本文數(shù)據(jù)計算表格如圖7所示，計算結(jié)果超限數(shù)據(jù)自動標紅，對于此類數(shù)據(jù)酌情使用或重新測量。

4 內(nèi)外業(yè)工作中像控點的選擇與布設(shè)總結(jié)

本文已完成了大同市1∶500成圖比例尺要求的數(shù)碼航空攝影項目中所有像控點的選擇與布設(shè)。像控點測量的速度快，質(zhì)量高，充分發(fā)揮了像控測量人員的各項技能。像控點測量過程中，總結(jié)出了一套實用的像控點選擇與布設(shè)的技巧與方法。

4.1 像控點選擇布設(shè)中的常見問題

(1)許多特殊區(qū)域(如：軍事管轄區(qū)、工廠、陡山)大面積無像控點，空三精度無法保證。

(2)一些像控點被高大地物、植被、標志牌、陰影等遮擋，無法在航攝像片上明確刺點。

(3)一些像控點位置的紋理、色彩與周圍地物的紋理、色彩很接近，色差小，容易造成誤判，無法明辨像控點位置。

圖7 像控點數(shù)據(jù)計算表格截圖

(4)一些像控點位置所在地物發(fā)生變化(如：拍攝前正在建設(shè)，像控點測量時已經(jīng)建設(shè)完成)，無法在空三加密時轉(zhuǎn)刺像控點。

(5)由于航攝時飛機發(fā)生抖動、搖擺、顛簸，攝影時產(chǎn)生傾斜，使像片上的地物產(chǎn)生倒向，刺點時地物頂部和側(cè)面紋理一樣，無法明辨像控點具體位置，影響加密精度，延長工作時間。

(6)使用RTK測量像控點時，測量人員忘記改變桿高，導(dǎo)致高程發(fā)生異常，空三加密時出現(xiàn)錯誤。

4.2 像控點選擇與布設(shè)技巧與方法

(1)選擇像控點時，像控點的位置應(yīng)與周圍地物、環(huán)境紋理區(qū)分明顯，色彩差大(如：斑馬線、規(guī)則花壇內(nèi)角、平圍墻拐角等)。

(2)像控點位置最好位于沒有高低起伏的平面上，空三加密刺點時不容易出現(xiàn)高程異常。

(3)選擇像控點時，盡量避免或遠離高大建筑、樹木、墻體、煙囪、紅旗、廣告牌等，這些地物附近的像控點看似無遮擋，但航攝角度不同或稍加傾斜拍攝，就會造成遮擋，導(dǎo)致像控點無法使用。

(4)不能將像控點位置選在可移動、可能發(fā)生移動及新建的地物上。

(5)像控點測量時，對于一些不能確定、可能發(fā)生歧義的像控點，一定要在其周圍明顯地物上選測一些備用點位，避免重測。

(6)如果像控點的標準點位很難實測，最好在其附近(100 m范圍內(nèi))選擇布設(shè)像控點，以達到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理要求。

(7)如果在像控點標準點位及其附近無法選擇出理想的平高點，最好在此區(qū)域內(nèi)選測一個高程點，用來以提高該區(qū)域的高程精度。

(8)攝影時受太陽高度角的影響，空三加密立體情況下選刺像控點時，房屋北邊的房角或圍墻較為清晰易刺，所以在大片房區(qū)選擇像控點時，優(yōu)先選擇北邊房角或圍墻拐角。

(9)像控點必須選擇在屋頂上時，要優(yōu)先選擇更容易在立體模型上刺準的平屋頂?shù)奈萁荹3]；屋頂和墻體顏色不同時，也要優(yōu)先選擇(房屋發(fā)生倒向時，屋頂和墻體色差大，容易區(qū)分像控點位置，易切準)。

(10)樓群聚集區(qū)域選擇像控點時，優(yōu)先選在墻角、門衛(wèi)房、電子門洞、花壇拐角內(nèi)角或道路斑馬線直角處。選擇斑馬線作為目標點時，要考慮現(xiàn)狀是否和攝影時一致，如果斑馬線被刷新，不建議選擇此目標。

(11)在無明顯特征地物稀少的地區(qū)(山區(qū)、野地、田地)選擇像控點時，優(yōu)先考慮墳頭祭臺、橋、涵洞、加固渠口、井房、界碑、里程碑、規(guī)則大石塊等。

(12)地物的銳角、直角、鈍角，優(yōu)先選擇則直角處作為像控點位置(由于受像片清晰度、拍攝角度、色差等因素影響，銳角處容易“消失”，鈍角處容易使人看成圓弧，無法明確判斷像控點位置)。

(13)類似于加固水池、垃圾池、花壇等規(guī)則帶寬多邊形，優(yōu)先選擇其內(nèi)角作為像控點位置(內(nèi)角紋理清晰，色差大，容易刺準位置)，如圖8所示。

(14)像控點照片拍攝時，拍攝角度最好為南北方向(與空三加密時刺點航片方向一致，易查找像控點點位)，拍攝范圍要開闊一些，將相對關(guān)系表現(xiàn)出來。

(15)有湖泊、公園湖等水域，要圍繞其周圍凸出、凹陷等特征明顯處盡可能多的布設(shè)像控點，以確保加密時的精度。

圖8 規(guī)則帶寬多邊形像控點位置

5 結(jié) 語

航空攝影測量中像控點的選擇與布設(shè)是空三加密、內(nèi)業(yè)成圖及精度檢查中的一個關(guān)鍵問題。目前，為了適應(yīng)各種數(shù)字航攝儀和不同地形條件的要求，滿足更多方面的應(yīng)用，像控點在選擇與布設(shè)的理論與實踐等方面都需要進行合理的改進和完善，需要行業(yè)人員的進一步探索研究。實際作業(yè)中，影響像控點質(zhì)量的因素是多方面的，需要工作者認真負責(zé)，不怕麻煩，借鑒前輩們的工作經(jīng)驗，不斷發(fā)現(xiàn)，不斷探索，不斷總結(jié)，在規(guī)范標準的基礎(chǔ)上，憑借豐富的經(jīng)驗，靈活的制定一套經(jīng)濟、可靠性高、較理想的像控點的選擇布設(shè)方案，用以指導(dǎo)生產(chǎn)，從而減少內(nèi)外業(yè)工作量，提高生產(chǎn)效率。

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Preliminary Discussion on the Selection and Layout of Image Control Point of Aerial Photogrammetry

Zheng Guoping，Li Wenqiang

(Datong Institute of Surveying and Mapping，Datong 037006，China)

Selection and layout of image control point position in the aerial photogrammetry has directly influence on mathematical precision of mapping and maximize efficiency. The basic requirement of image control point position selection，layout scheme and surveying scheme of image control point are introduced which are based on the project of 1∶500 mapping scale requirements of the digital aerial photography in Datong city. Some problems that often appear in the office and field work are proposed and some skills and methods of selection and layout of image control point are summarized which combined with practice.

aerial photogrammetry；image control point；baseline；selection and layout；skills and methods

1672-8262(2017)03-104-06

P231

B

2016—08—31

鄭國平(1990—)，男，助理工程師，主要從事測繪數(shù)據(jù)處理及航空攝影測量內(nèi)外業(yè)工作。