構(gòu)架航線在空三加密中的應(yīng)用研究

張艷紅 鄒小香 朱雪輝

（江西省基礎(chǔ)測繪院 江西南昌 330209）

1 引言

構(gòu)架航線在空三加密中被普遍應(yīng)用：中小比例尺地形圖應(yīng)用方面如在國家西部1：50000地形圖空白區(qū)測圖工程中利用構(gòu)架航線兩端公路上的控制點(diǎn)，采用稀少控制區(qū)域網(wǎng)平差方法加密得到滿足1：10000測圖要求的加密點(diǎn)，用作藏北無人區(qū)范圍SPOT-5 HRS影像的像控點(diǎn)，解決了藏北無人區(qū)范圍像控點(diǎn)量測困難的問題[1]。大比例尺地形圖應(yīng)用方面如GPS攝站坐標(biāo)加一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)，一般只在測區(qū)四角布設(shè)四個地面平高控制點(diǎn)，在區(qū)域兩端敷設(shè)兩條垂直構(gòu)架航線[2]或者垂直于航線方向布設(shè)兩排地面高程控制點(diǎn)即可獲得滿足 1：2000、1：1000的精度要求的空三加密成果。這種地面控制方案已形成共識，并被普遍采用。在實(shí)際生產(chǎn)中構(gòu)架航線的敷設(shè)雖然能為減少像控點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量，減輕外業(yè)的工作量，但其對航飛質(zhì)量要求較高，在空三加密過程中經(jīng)常會遇到各種問題，本文以鉛山測區(qū)加密為例，探討有構(gòu)架航線的空三加密過程中的精度和效率問題。

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

測區(qū)工作范圍隸屬于上饒市鉛山縣縣城及其周邊范圍。鉛山縣處于東經(jīng) 117°26′-118°00′，北緯 27°48′-28°24′之間，東近浙江，西接贛中，南鄰福建，北望安徽，境內(nèi)地勢由東南向西北逐漸傾斜，南北最大跨度66.62公里，東西最大寬度55.71公里。鉛山縣城坐落于河口鎮(zhèn)，河口鎮(zhèn)是明清時期江西四大名鎮(zhèn)之一，保存有2.5千米的明清古街，現(xiàn)被評為中國歷史文化名鎮(zhèn)。

試驗(yàn)區(qū)為2015年9月無人機(jī)航攝的0.08m分辨率、航高為15000m、焦距51.458525mm的數(shù)碼影像，每張航片均有pos數(shù)據(jù)，影像覆蓋整個測區(qū)，數(shù)碼影像共計1229張，21條航線，包括構(gòu)架航線5條，總共覆蓋面積約50平方公里，航線結(jié)合圖可見布點(diǎn)方案中圖3。

3 資料分析與實(shí)驗(yàn)

下面以inpho 5.4對鉛山區(qū)域空三數(shù)據(jù)處理結(jié)果詳細(xì)說明不同像控點(diǎn)布設(shè)方案下測區(qū)精度的變化。本次像控點(diǎn)布設(shè)方案按照從少到多的思路進(jìn)行設(shè)計，具體思路是先在測區(qū)周邊布設(shè)像控點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上逐漸增加控制點(diǎn)數(shù)量，形成不同的像控點(diǎn)布設(shè)方案。同時調(diào)整基線的長度的同時對每種方案進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差解算，對于不同布點(diǎn)方案的區(qū)域網(wǎng)平差解算結(jié)果利用相同的野外檢查點(diǎn)進(jìn)行檢測。本次實(shí)驗(yàn)了五種方案（本文中的像控點(diǎn)均為平高點(diǎn)），無構(gòu)架線的測區(qū)為兩種方案，一種是僅在測區(qū)周圍布點(diǎn)，角點(diǎn)無構(gòu)架（以下稱為方案1），另一種是在測區(qū)周圍布點(diǎn)的基礎(chǔ)上航向每隔一段距離增加一個平高點(diǎn)，密集點(diǎn)無構(gòu)架（以下稱為方案2）；有構(gòu)架線的測區(qū)為三種方案，一種是僅在測區(qū)周圍布點(diǎn)，角點(diǎn)有構(gòu)架（以下稱為方案3），另一種是在測區(qū)周圍布點(diǎn)的基礎(chǔ)上在測區(qū)中間增加幾個平高點(diǎn)，角點(diǎn)有構(gòu)架加中間點(diǎn)（以下稱為方案4），再一種就是在測區(qū)周圍布點(diǎn)的基礎(chǔ)上航向每隔一段距離增加一個平高點(diǎn)，密集點(diǎn)有構(gòu)架（以下稱為方案5）。具體的布點(diǎn)位置見下圖1-5：

圖1 方案1

圖2 方案2

圖3 方案3

圖4 方案4

圖5 方案5

五種布點(diǎn)方案的平差結(jié)果統(tǒng)計如下表1：

表1 不同布點(diǎn)方案平差結(jié)果統(tǒng)計（單位：米）

表1中檢查點(diǎn)高程超限，說明平差不合格，考慮可能以下幾個方面存在問題：地面控制點(diǎn)布設(shè)、構(gòu)架航線敷設(shè)和觀測值的權(quán)等：

（1）地面控制點(diǎn)布設(shè)

由于本次像控點(diǎn)布設(shè)相比于傳統(tǒng)布點(diǎn)方法，減少了大量的像控布設(shè)點(diǎn)，在檢查像控點(diǎn)的過程中發(fā)現(xiàn)部分點(diǎn)的布設(shè)由于影像的投影差與影像之間存在難以轉(zhuǎn)刺的現(xiàn)象，比如其中有一個點(diǎn)轉(zhuǎn)刺只能刺在橋欄桿上，像控點(diǎn)布設(shè)在橋沿處的地面上。

如果在區(qū)域的四周布設(shè)平面控制點(diǎn)，當(dāng)區(qū)域范圍較大時，可以考慮點(diǎn)組形式進(jìn)行布設(shè)（比如對于無人機(jī)攝影，把控制點(diǎn)之間的距離相離200-300m的幾個點(diǎn)作為一個點(diǎn)組比較合適），避免存在控制點(diǎn)利用不上時無替換控制點(diǎn)可以利用的情況，有利于提高整體精度?；蛘邷y區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)布設(shè)均勻，在測區(qū)邊沿加強(qiáng)控制點(diǎn)布設(shè)的方案精度會較高。航向和旁向重疊區(qū)域的大小不同也可以在像控點(diǎn)的布設(shè)上有所不同。

（2）構(gòu)架航線敷設(shè)

傳統(tǒng)空三加密像控點(diǎn)布控時在航線兩端上下要布設(shè)高程控制點(diǎn)，作用是為了有效的改正航攝系統(tǒng)的漂移誤差。構(gòu)架航線目的在于逐條航線進(jìn)行航攝系統(tǒng)的漂移誤差改正[3]，在每個加密分區(qū)的兩端都加攝了兩條帶GPS攝站坐標(biāo)的垂直構(gòu)架航線。從表1無地面控制點(diǎn)、角點(diǎn)加轉(zhuǎn)折點(diǎn)兩種情況的平差結(jié)果可以看出，在無GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差時構(gòu)架航線對平差結(jié)果的改善作用有限。

（3）觀測值的權(quán)

權(quán)是表征各觀測值方差之間比例關(guān)系的相對數(shù)字指標(biāo)。對于精度各異的觀測值，平差系統(tǒng)中如何正確給定它們的權(quán)是確保平差結(jié)果質(zhì)量的一個重要因素，正確給定各類觀測值的權(quán)是一項非常復(fù)雜的工作，目前有部分軟件會自動確定觀測值的權(quán)值，方法就是在平差的迭代過程中將驗(yàn)后權(quán)來自動修改先驗(yàn)權(quán)[4]。

考慮是否因?yàn)榭刂泣c(diǎn)和像點(diǎn)權(quán)值對平差結(jié)果的影響，將四周控制點(diǎn)無構(gòu)架線方案和四周控制點(diǎn)有構(gòu)架線方案設(shè)置不同控制點(diǎn)權(quán)值進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，控制點(diǎn)權(quán)值為1/5時是合理的分析控制點(diǎn)權(quán)值為1/5時像點(diǎn)權(quán)值對平差的精度影響，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出像點(diǎn)權(quán)值在2/3像元時，平差精度不再受影響。此時檢查點(diǎn)高程仍然超限，平差依舊不合格。接著檢查GPS權(quán)值對平差的影響，通過更改GPS權(quán)值進(jìn)行平差可以看出，對于像點(diǎn)和控制點(diǎn)及GPS權(quán)值的設(shè)定，在inpho軟件中通過人為更改權(quán)值的大小是不起作用的，程序已經(jīng)設(shè)定通用值。

GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差就是將相位差分動態(tài)GPS定位技術(shù)精確測定攝影中心的三維坐標(biāo)作為輔助數(shù)據(jù)參加攝影測量與非攝影測量觀測值的聯(lián)合平差，目的就在于利用GPS攝站作為空中控制來取代地面控制點(diǎn)，此時區(qū)域網(wǎng)平差所需的地面控制點(diǎn)會大大減少，少到只要解決數(shù)據(jù)基準(zhǔn)和消除GPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差的程度。5種方案下GPS輔助光束法平差結(jié)果見表2：

表2 5種方案GPS輔助光束法平差結(jié)果（單位：米）

關(guān)閉所有控制點(diǎn)，檢查GPS參數(shù)的精度情況，見表3：

表3 無控制點(diǎn)時GPS輔助光束法平差結(jié)果（單位：米）

從表2、表3可以看出通過GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差對結(jié)果的影響更加的明顯和直接，構(gòu)架航線的GPS攝站坐標(biāo)的精度相對于攝影測量加密自身的精度要低太多，起不到補(bǔ)償區(qū)域網(wǎng)的系統(tǒng)誤差的作用。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，通過GPS輔助空三、少量地面控制點(diǎn)的綜合應(yīng)用可以有效地改正各種系統(tǒng)誤差。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為檢驗(yàn)地形圖的精度，我們在整個實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)部均勻采集了60個檢查點(diǎn)，再通過建好的立體模型采集這些點(diǎn)，為了避免不同作業(yè)員之間因?yàn)橐暡罴安杉?xí)慣不同產(chǎn)生采集誤差導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不可靠，本次采集由同一個作業(yè)員進(jìn)行采集。比較內(nèi)業(yè)采集點(diǎn)和野外實(shí)測同名點(diǎn)之間的平面和高程精度，結(jié)果如表4所示。

表4 內(nèi)業(yè)采集點(diǎn)和野外實(shí)測同名點(diǎn)精度比較（單位：米）

從上表4中的結(jié)果加密精度不符合要求，從本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)流程來分析，可以得出以下幾個結(jié)論：

（1）在有高精度pos數(shù)據(jù)參與平差的情況下，在測區(qū)周圍布控角點(diǎn)，無構(gòu)架線的精度比有構(gòu)架線的精度高，構(gòu)架航線作用不明顯。也有文章提出在航線兩端布設(shè)高程控制點(diǎn)的方案要優(yōu)于航線兩端布設(shè)構(gòu)架線的方案。

（2）GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差只需在區(qū)域網(wǎng)的周邊布設(shè)拐點(diǎn)處的平高地面控制點(diǎn)就可以達(dá)到較高的解算精度，而且會不隨區(qū)域網(wǎng)的大小變化而變化。無控制點(diǎn)無構(gòu)架線方案下剔除變形區(qū)后精度符合1：1000測圖精度，加入控制點(diǎn)后精度反而沒有得到提高，這說明提高區(qū)域網(wǎng)的定向精度時，應(yīng)側(cè)重于提高像控點(diǎn)測量精度和轉(zhuǎn)刺精度，而不在于提高像控點(diǎn)數(shù)量。為保證該方案的精度，可以在外業(yè)現(xiàn)場多量測幾個多余觀測點(diǎn)（以點(diǎn)組的形式），選擇精度最高的四周像控點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（3）無控制點(diǎn)無構(gòu)架線方案下的平差精度和采集點(diǎn)實(shí)際精度差別很大，理論上來說加入少量控制點(diǎn)與GPS進(jìn)行聯(lián)合平差就能有效改正各種系統(tǒng)誤差，但從表4檢查結(jié)果來看：變形區(qū)主要集中在測區(qū)中間，檢查測區(qū)中間的控制點(diǎn)不存在轉(zhuǎn)刺困難的情況，說明平差后的數(shù)學(xué)模型和實(shí)際地面模型不符合，說明誤差數(shù)學(xué)模型不嚴(yán)密?？罩腥菧y量軟件光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法在應(yīng)對復(fù)雜空三問題時，存在一定程度的缺陷。

（4）遺留問題：一是加密后能不能檢查出是否存在變形區(qū)？實(shí)際生產(chǎn)中不可能有足夠多的檢查點(diǎn)來檢查平差后的實(shí)際精度，那么如何快速有效的檢查出測區(qū)的平差實(shí)際精度？二是本次加密平差結(jié)果不理想，也可能受飛行質(zhì)量、檢校場距離攝區(qū)的距離、影像質(zhì)量、影像航向旁向重疊度等等因素的影響，本次實(shí)驗(yàn)沒有針對影像質(zhì)量及飛行情況進(jìn)行分析。

5 結(jié)束語

無地面控制GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差可用于中小比例尺測圖的加密，最好是在航線兩端布點(diǎn)困難的測區(qū)、大面積、長跨度的測區(qū)，像沙漠、冰川、叢林、極地、海岸線等這樣難以到達(dá)的區(qū)域，采用構(gòu)架航線區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行平差有著及其重要的現(xiàn)實(shí)意義。大比例尺測圖中利用少量像控點(diǎn)與GPS攝站坐標(biāo)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，能滿足大比例尺測圖的精度要求，少量的像控點(diǎn)布設(shè)方案是可行可靠的，此時構(gòu)架航線的作用是提高測區(qū)區(qū)域網(wǎng)平差時的粗差探測能力，進(jìn)一步減少控制點(diǎn)的數(shù)量。無地面控制依賴于高質(zhì)量的航攝，此時再實(shí)施構(gòu)架航線對于測區(qū)的加密精度可以提供安全的保障；就目前而言，航攝質(zhì)量參差不齊，布點(diǎn)方案宜參考飛行公司的布點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)選擇合適的像控點(diǎn)布設(shè)方案。保守布點(diǎn)方法是四周角點(diǎn)加測區(qū)中間1-2個平高點(diǎn)的布設(shè)方法。希望今后能選取質(zhì)量穩(wěn)定的影像進(jìn)行空三加密方面的相關(guān)實(shí)驗(yàn)并積累更多生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。