機(jī)載GPS輔助像控布設(shè)在數(shù)字醴陵大比例尺航攝成圖中的應(yīng)用

田婉怡 劉正才 戴建初 田喜軍

摘 要 本文以數(shù)字醴陵項(xiàng)目為例，設(shè)計(jì)800 km2、1000 km2、1200 km2和1500 km2四個(gè)不同面積的加密分區(qū)，采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的方法，在區(qū)域四角布設(shè)平高地面控制點(diǎn)，敷設(shè)兩條構(gòu)架航線，研究滿足現(xiàn)行航空攝影測(cè)量作業(yè)規(guī)范的合理加密分區(qū)面積，并與常規(guī)光束法區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方案外業(yè)工作量進(jìn)行對(duì)比。研究表明：本次試驗(yàn)中利用上述方法在800 km2-1200 km2加密分區(qū)范圍內(nèi)能滿足規(guī)范要求，減少80 %左右的像片控制工作量，縮短航測(cè)成圖周期，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 GPS；光束法區(qū)域網(wǎng)平差；構(gòu)架航線

中圖分類號(hào)：P207+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Taking the project of digital city of Liling for example to design four aerotriangulation area with different area of 800 km2， 1000 km2， 1200 km2 and 1500 km2. Adopt the method of GPS-supported bundle block adjustment， when there are 4 XYZ ground control points around the corners of a block area， layouts 2 tie flights and research the reasonable size of aerotriangulation area which meet the current specifications of aerophotogrammetry and compare with the outside work of conventional bundle block adjustment. Research shows： In this experiment， the results confirms that the accuracy meets the requirement of the specifications in the range of 800 km?-1200 km?. It leads to more than 80% reduction in field survey for ground control points and shorten the period of mapping. As a result， the method illustrated in the paper is worthy of being widely applied.

Keywords： GPS； bundle block adjustment； tie flight

0 引 言

攝影測(cè)量需解決航攝像片的定向問(wèn)題。航攝像片的定向通常指在實(shí)驗(yàn)室采用物理的方法檢定像片內(nèi)方位元素，并依靠空中三角測(cè)量和大量的地面控制點(diǎn)間接求解像片加密點(diǎn)的大地坐標(biāo)或外方位元素的過(guò)程。其中，傳統(tǒng)空中三角測(cè)量需要大量的地面控制點(diǎn)。但是，對(duì)于植被茂盛、地勢(shì)險(xiǎn)峻的山地、丘陵以及沙漠、戈壁等特殊測(cè)區(qū)，找到合適的地面控制點(diǎn)較難，從而導(dǎo)致該成圖方法精度不高且效率低[1]。因此，在難以獲取地面控制點(diǎn)的測(cè)區(qū)，探究一種能減少甚至無(wú)需地面控制點(diǎn)來(lái)恢復(fù)攝影瞬間航攝像片外方位元素的方法至關(guān)重要。

攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差是空中三角測(cè)量中關(guān)鍵的步驟，通常是利用足夠數(shù)量的地面控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)由空中三角測(cè)量網(wǎng)到規(guī)定地面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，對(duì)模型網(wǎng)進(jìn)行絕對(duì)定向并改正系統(tǒng)誤差[2]。理論上，在各種區(qū)域網(wǎng)平差方法中，光束法區(qū)域網(wǎng)平差最為嚴(yán)密。基于該平差方法，為獲得最優(yōu)加密精度，必須在區(qū)域網(wǎng)中央平均每隔4條基線布設(shè)1個(gè)高程地面控制點(diǎn)，在區(qū)域網(wǎng)四周平均每隔2條基線布設(shè)1個(gè)平高地面控制點(diǎn)，并布設(shè)成鎖網(wǎng)狀。而GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差可利用GPS獲取攝站三維坐標(biāo)，將其作為輔助數(shù)據(jù)引入攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差，以取代地面控制點(diǎn)，從而減少地面控制點(diǎn)的數(shù)量。袁修孝[3]等通過(guò)帶有GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)的實(shí)際航攝資料對(duì)地面控制點(diǎn)的布設(shè)、構(gòu)架航線的敷設(shè)、無(wú)地面控制空中三角測(cè)量的精度等進(jìn)行了研究。研究表明，實(shí)際生產(chǎn)中，必須在測(cè)區(qū)的四角布設(shè)4個(gè)地面平高控制點(diǎn)。引入少量地面控制點(diǎn)是為了轉(zhuǎn)換GPS攝站坐標(biāo)和改正各種系統(tǒng)誤差，提高空三加密精度。王鐵軍[4]等對(duì)不同地面控制條件下GPS輔助空中三角測(cè)量精度進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證引入少量地面控制點(diǎn)與GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差可以有效地改正各種系統(tǒng)誤差，提高空三加密的精度。李安福[5]等通過(guò)四角布點(diǎn)加構(gòu)架航線的方法，對(duì)位于某空曠戈壁灘的測(cè)區(qū)進(jìn)行GPS輔助空中三角測(cè)量，并通過(guò)外業(yè)實(shí)地采集檢查點(diǎn)對(duì)地形圖進(jìn)行精度檢測(cè)，驗(yàn)證了該方法可行性，并說(shuō)明構(gòu)架航線能起到控制點(diǎn)的作用，可大量減少地面控制點(diǎn)的數(shù)量。秦修功[6]等基于無(wú)人機(jī)航空影像，分析構(gòu)架航線對(duì)GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差精度的影響，通過(guò)對(duì)不同試驗(yàn)方案進(jìn)行精度分析，論證了構(gòu)架航線在提高區(qū)域網(wǎng)平差精度有著重要作用，能實(shí)現(xiàn)外業(yè)控制點(diǎn)數(shù)量的減少。上述研究主要驗(yàn)證了GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法的可行性和四角像控點(diǎn)加飛構(gòu)架航線的像控布點(diǎn)方式可以提高空三成果的高程精度。在工程實(shí)踐中，受到地形、航攝資料等因素的影響，運(yùn)用四角像控點(diǎn)加飛構(gòu)架航線的像控布點(diǎn)方式在加密區(qū)面積增大至一定范圍后可能精度無(wú)法滿足規(guī)范要求。因此，研究在滿足規(guī)范精度要求的前提下加密區(qū)最大面積，能盡可能減少外業(yè)工作量，提高工作效率，具有良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

為此，本文以數(shù)字醴陵地理信息基礎(chǔ)工程建設(shè)項(xiàng)目中的航測(cè)1∶2000 DLG制作為例，運(yùn)用GPS輔助空中三角測(cè)量，采用帶構(gòu)架航線的GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差像控布點(diǎn)方案得到空三成果數(shù)據(jù)，研究在該方案下滿足國(guó)家規(guī)范的空三成果的最大加密分區(qū)面積，并與常規(guī)方案下空三成果的精度和工作量做對(duì)比分析。研究結(jié)果將大幅提高大比例尺航攝成圖的整體精度，并大量減少像控點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量，減少外業(yè)工作量，提高生產(chǎn)效率。

1 試驗(yàn)方案

1.1 測(cè)區(qū)概況及航線敷設(shè)情況

醴陵市位于湖南省東部，以山區(qū)、丘陵地貌為主。攝影分區(qū)內(nèi)平均高程為385米，最高點(diǎn)840米，最低點(diǎn)35米，地形地貌復(fù)雜且北部為山區(qū)，不易布設(shè)像控點(diǎn)，且醴陵測(cè)區(qū)的行政界線形狀不規(guī)則。為減小航攝工作量和像控布點(diǎn)難度，醴陵測(cè)區(qū)的航線按照攝區(qū)行政界線形狀方向敷設(shè)（見(jiàn)圖1）。其中，N01-N25是普通測(cè)圖航線，N26-N28是構(gòu)架航線。攝區(qū)航空攝影基本技術(shù)要求如表1所示。

1.2 加密分區(qū)及像控布點(diǎn)方案

本次試驗(yàn)在A攝區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行，使用了測(cè)圖航線N01-N18和構(gòu)架航線N27-N28。為了確認(rèn)最大加密分區(qū)范圍，在A攝區(qū)內(nèi)依次選取四個(gè)不同面積的加密分區(qū)，并在每個(gè)加密分區(qū)的四個(gè)角上各布設(shè)一個(gè)平高點(diǎn)，在區(qū)域兩端敷設(shè)兩條構(gòu)架航線見(jiàn)（圖2）。像控點(diǎn)盡量布設(shè)在有明顯地面標(biāo)識(shí)物的區(qū)域。為減少外業(yè)像控工作量，能重復(fù)使用的像控點(diǎn)盡量重復(fù)使用。在每個(gè)加密分區(qū)的中間按品字形均勻分布檢查點(diǎn)，用于空三加密的檢查點(diǎn)計(jì)算。其具體方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。對(duì)每個(gè)加密分區(qū)分別進(jìn)行空三加密，將得到的平差結(jié)果（基本定向點(diǎn)殘差、檢查點(diǎn)誤差、連接點(diǎn)誤差、公共點(diǎn)較差）與國(guó)家規(guī)范[7]的精度指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，分析該方法對(duì)空三成果的精度有何影響和減少的外業(yè)工作量。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 內(nèi)業(yè)精度分析

本項(xiàng)目采用imagination軟件進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差。該軟件利用GPS/BD輔助技術(shù)把時(shí)間作為有效觀測(cè)值，運(yùn)用少量的地面已知點(diǎn)（像控點(diǎn)）即可實(shí)現(xiàn)像方坐標(biāo)到物方坐標(biāo)的整體空間轉(zhuǎn)換。結(jié)果表明：liling01，liling02，liling03三個(gè)測(cè)區(qū)的平差結(jié)果均滿足國(guó)家規(guī)范。但是，liling04分區(qū)有部分檢查點(diǎn)高程中誤差精度超限，其平差結(jié)果不能滿足國(guó)家規(guī)范。因此，采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差四角像控點(diǎn)加構(gòu)架航線的像控布設(shè)方法，在800 km-1200 km加密分區(qū)范圍內(nèi)能滿足規(guī)范要求，而1500 km2的空三加密分區(qū)范圍不能滿足國(guó)家規(guī)范。

為此，本試驗(yàn)liing04分區(qū)在連接點(diǎn)、像控點(diǎn)與檢查點(diǎn)點(diǎn)位均不變的前提下，按照在補(bǔ)飛航線集中的區(qū)域、補(bǔ)飛航線與原航線銜接處、區(qū)域網(wǎng)中間適當(dāng)增加像控點(diǎn)的原則，在liing04分區(qū)檢查點(diǎn)中選取三個(gè)檢查點(diǎn)（JC0014、JC0016、JC0018）改為像控點(diǎn)使用，并參與平差計(jì)算。

結(jié)果表明四個(gè)加密分區(qū)中，基本定向點(diǎn)的平面中誤差最大值為0.247 m，高程中誤差最大值為0.189 m；檢查點(diǎn)的平面中誤差最大值為0.358 m，高程中誤差最大值為0.238 m，均符合國(guó)家規(guī)范要求（見(jiàn)表3）。因此，通過(guò)在分區(qū)中間增加三個(gè)像控點(diǎn)來(lái)增強(qiáng)區(qū)域網(wǎng)的連接性，再進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差的補(bǔ)救方法是可行的。liling04分區(qū)內(nèi)補(bǔ)飛航線有5條之多，在航線連接處添加像控點(diǎn)之后的高程誤差雖然在精度范圍內(nèi)，但高程誤差仍比其他三個(gè)分區(qū)增加了約30%。而補(bǔ)飛航線兩條的liling03分區(qū)，高程中誤差相較于沒(méi)有補(bǔ)飛航線的liling01分區(qū)增加約9%，比有一條補(bǔ)飛航線的liling02分區(qū)減少約7%，說(shuō)明補(bǔ)飛航線小于等于兩條的時(shí)候，對(duì)高程精度影響不大，建議每個(gè)加密分區(qū)補(bǔ)飛航線條數(shù)應(yīng)不大于兩條。

2.2 外業(yè)精度分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證各不同面積大小空三加密成果的精度情況，在像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)分布較薄弱的地區(qū)，在范圍內(nèi)部分地物紋理清晰，特征明顯的位置均勻采集檢測(cè)點(diǎn)，用GPS-RTK到野外實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)的平面和高程坐標(biāo)，然后利用空三加密成果，恢復(fù)立體模型，采集同名點(diǎn)，比較其與實(shí)測(cè)坐標(biāo)之差，以檢測(cè)本次研究的空三加密成果精度。外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。平面檢測(cè)點(diǎn)和高程檢測(cè)點(diǎn)均達(dá)到了較高精度，地形圖精度良好，完全達(dá)到規(guī)范要求。

2.3像對(duì)差精度分析

為比較不同空三加密成果的不同像對(duì)之間是否存在像對(duì)差，利用外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，使用不同的空三加密成果，恢復(fù)立體模型，在立體模型下采集同名點(diǎn)在不同立體像對(duì)之間的坐標(biāo)，來(lái)比較不同的立體像對(duì)之間是否存在像對(duì)差。一般情況來(lái)說(shuō)，不同立體模型之間高程差的問(wèn)題較為常見(jiàn)。所以，本文主要比較同名點(diǎn)在不同立體模型之間的高程差，比較基準(zhǔn)起始點(diǎn)以每個(gè)同名點(diǎn)的最低高程值為準(zhǔn)來(lái)計(jì)算?？杖用艹晒耐c(diǎn)不同立體像對(duì)之間的坐標(biāo)差如表5所示。檢查立體模型之間的像對(duì)差，即檢查空三加密過(guò)程中的連接點(diǎn)。從上表可以看出，空三加密成果的同名點(diǎn)不同立體像對(duì)之間的坐標(biāo)差較小，說(shuō)明空三加密過(guò)程中的連接點(diǎn)分布情況較好，構(gòu)架航線能起到增強(qiáng)區(qū)域網(wǎng)模型連續(xù)性的作用。因此，利用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差，采用四角布點(diǎn)加飛構(gòu)架航線的像控布點(diǎn)方案，可以提高大比例尺航攝成圖的整體精度。

2.4像控點(diǎn)工作量比較與分析

常規(guī)像控布點(diǎn)方案中，像控點(diǎn)點(diǎn)位應(yīng)布設(shè)在影像的六度重疊區(qū)域。而本文采用的方案只需在構(gòu)架航線與測(cè)圖航線的交點(diǎn)區(qū)域處布點(diǎn)，布點(diǎn)區(qū)域范圍較大，更易于選擇紋理清晰、特征明顯的像控點(diǎn)點(diǎn)位。在航攝方案設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)Google Earth軟件確定像控布點(diǎn)的大致區(qū)域，適當(dāng)調(diào)整構(gòu)架航線與測(cè)圖航線的交點(diǎn)區(qū)域，盡量使交點(diǎn)落在有居民地等明顯地物特征聚集的區(qū)域，便于確定像控布點(diǎn)的位置，在航攝的同時(shí)做好外業(yè)像控點(diǎn)，與常規(guī)先航攝后像控布點(diǎn)再進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量的流程相比，可以實(shí)現(xiàn)航攝與外業(yè)像控同時(shí)進(jìn)行，大大縮短項(xiàng)目的作業(yè)周期。

根據(jù)《數(shù)字航空攝影測(cè)量 控制測(cè)量規(guī)范》（CH/T3006-2011），常規(guī)像控布點(diǎn)方案中像片控制點(diǎn)采用區(qū)域網(wǎng)布設(shè)，四角雙點(diǎn)法，結(jié)合湖南省內(nèi)已有帶POS數(shù)據(jù)1∶2000航攝成圖項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，POS數(shù)據(jù)像片控制點(diǎn)布設(shè)區(qū)域網(wǎng)原則上為“4條航線×15條基線”，同時(shí)，在區(qū)域網(wǎng)中間增加一個(gè)檢查點(diǎn)。按此規(guī)范布設(shè)醴陵測(cè)區(qū)的像控點(diǎn)，需布設(shè)30個(gè)像控點(diǎn)，20個(gè)檢查點(diǎn)。具體分布情況如下圖3所示，外業(yè)像控工作量統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表6。

采用有構(gòu)架航線的GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差像控布點(diǎn)方案可以減少80%左右的外業(yè)像控點(diǎn)工作量，大大提高外業(yè)像控作業(yè)效率，降低外業(yè)像控的成本。

3 結(jié)論

（1）采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差，在每個(gè)加密分區(qū)的四個(gè)角上各布設(shè)一個(gè)平高點(diǎn)（或高程點(diǎn)）作為像控點(diǎn)，同時(shí)敷設(shè)兩條垂直構(gòu)架航線的像控布設(shè)方案是可行的。本次試驗(yàn)中利用上述方法在800 km2-1200 km2加密分區(qū)范圍內(nèi)能滿足規(guī)范要求。

（2）補(bǔ)飛航線對(duì)高程精度的影響是顯著的，在一個(gè)加密分區(qū)內(nèi)，補(bǔ)飛航線的條數(shù)應(yīng)不大于兩條。

（3）采用此方法與常規(guī)像控布設(shè)方法相比可減少80%的像控點(diǎn)數(shù)量，減少外業(yè)成本和測(cè)繪外業(yè)作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

（4）采用此方法，像控點(diǎn)布設(shè)范圍更大，更易于布設(shè)像控點(diǎn)，能做到航攝與外業(yè)像控同步進(jìn)行，縮短項(xiàng)目生產(chǎn)周期，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)/References

[1] 袁修孝. GPS輔助空中三角測(cè)量原理及應(yīng)用[M]. 北京：測(cè)繪出版社，2001： 7-8.

[2] 1：10000、1：50000地形圖IMU/DGPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)定（試行）[S]. 北京. 國(guó)家測(cè)繪局出版社，2004： 3.

[3] 袁修孝， 李德仁. GPS輔助空中三角測(cè)量的若干探討[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，1997，26（1）： 14-19.

[4] 王鐵軍， 袁曉宏， 劉雪松. GPS 輔助的構(gòu)架航線區(qū)域網(wǎng)平差精度分析[J]. 地理信息世界，2012，4： 23-5.

[5] 李安福， 榮幸. 構(gòu)架航線在測(cè)制大比例尺地形圖中的應(yīng)用[J]. 地理空間信息，2013，11（6）： 129-130.

[6] 秦修功， 陳曦， 楊遼. 構(gòu)架航線對(duì)無(wú)人機(jī)影像區(qū)域網(wǎng)平差精度影響分析[J]. 測(cè)繪科學(xué)， 2017，42（1）： 150-157，163.

[7] GB/T23236-2009， 數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范[S]. 北京. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2004： 5-7.