GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差像控布點(diǎn)方案在大比例尺航攝成圖中的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

盛亞欣 戴建初

摘 要? 隨著航空攝影測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，航攝成圖在大比例尺地形圖中的應(yīng)用不斷增加，但是常規(guī)的像控布點(diǎn)方案外業(yè)控制點(diǎn)工作量較大，并且空中三角測(cè)量的高程精度較難達(dá)到國(guó)家規(guī)范精度要求。本文通過(guò)對(duì)實(shí)際項(xiàng)目數(shù)據(jù)的分析，采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差像控布點(diǎn)方案，使用Imagination軟件進(jìn)行機(jī)載GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差之后，空中三角測(cè)量的精度（尤其是高程精度）能基本滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范的精度要求。

關(guān)鍵詞? 構(gòu)架航線;像控布點(diǎn);空中三角測(cè)量;機(jī)載GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差

中圖分類號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

Key Technologies Applied Research on the GPS-supported Bundle Block Adjustment Photo-control-point Layout Schemein the Task of Large-scale Photographic mapping

Sheng Yaxin， Dai Jianchu

（The First Surveying and Mapping Institute of Hunan， Hengyang Hunan 421000）

Abstract： Aerial photography plays an increasingly important role in the task of large-scale topographic mapping along with the continuous development of the aerial photogrammetry technology.However， the traditional photo-control-point layout scheme needs a lot of manpower and material resources，and the elevation accuracy of the aerialtriangulation can hardly meet the demands of the national standard.Through the analysis of the real project data，theImagination software is employed to handle the airborne GPS-supported bundle block adjustment in this paper，by which the accuracy of aerialtriangulation（especially the height accuracy） is completely meet the needs of? the national standard accuracy requirements.

Keywords： the control line; photo-control-point layout scheme; aerial triangulation; the airborne GPS-supported bundle block adjustment

0? 引言

隨著數(shù)碼航攝儀集成雙頻GPS[1-2]進(jìn)行測(cè)繪航空攝影的技術(shù)日益成熟，以及大量的大比例尺地形圖的需求，利用高分辨率數(shù)碼航攝影像進(jìn)行大比例尺地形圖成圖的方法越來(lái)越得到重視和廣泛的應(yīng)用。而常規(guī)的大比例尺航測(cè)成圖中需要大量的外業(yè)像片控制點(diǎn)，甚至對(duì)平坦地區(qū)進(jìn)行高程實(shí)測(cè)等才能達(dá)到國(guó)家規(guī)范的精度要求。因此，如何減少像控點(diǎn)數(shù)量，同時(shí)提高成圖精度，以達(dá)到減少外業(yè)工作量，提高工作效益，成為大比例尺航測(cè)成圖迫切的現(xiàn)實(shí)需求。

根據(jù)GPS輔助航空攝影及空三加密理論，如果空三加密時(shí)，采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差[3-4]，可以打破常規(guī)像控布點(diǎn)方法，減少外業(yè)像控點(diǎn)的同時(shí)，可以滿足大比例尺成圖的精度要求。下面以湖南省不動(dòng)產(chǎn)統(tǒng)一登記基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)衡山測(cè)區(qū)和數(shù)字醴陵兩個(gè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集為例，進(jìn)行GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差像控布點(diǎn)方案在大比例尺航測(cè)成圖中的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究，以確定利用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差，配合GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差像控布點(diǎn)方法從理論走向?qū)嵺`的關(guān)鍵技術(shù)。

1? 理論基礎(chǔ)

1.1 機(jī)載GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差基本原理

機(jī)載GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差是把航空攝影時(shí)測(cè)量的GPS/IMU數(shù)據(jù)中GPS數(shù)據(jù)提取出來(lái)，獲得攝影中心三維坐標(biāo)，然后與航測(cè)數(shù)據(jù)一起進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差。這種平差方式是利用GPS數(shù)據(jù)對(duì)航攝相片進(jìn)行空中定位，達(dá)到用GPS攝站作為空中控制來(lái)取代地面控制的目的，從而減少平差區(qū)域網(wǎng)對(duì)地面控制點(diǎn)的數(shù)量要求，同時(shí)提高空三加密的精度。

采用機(jī)載GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差，地面控制點(diǎn)數(shù)量只需滿足空中控制網(wǎng)到地面控制網(wǎng)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，同時(shí)這也可以解決航攝時(shí)GPS數(shù)據(jù)的系統(tǒng)飄移量問(wèn)題[5]。因此只需在每個(gè)加密分區(qū)的四角布設(shè)一個(gè)平高像控點(diǎn)，就可以完成坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。再在航線兩端加飛兩條構(gòu)架航線[6-8]，以消除GPS系統(tǒng)飄移量。如果沒(méi)有構(gòu)架航線，就在航線兩端近似垂直的位置布設(shè)一排高程控制點(diǎn)，同樣可以達(dá)到消除GPS飄移的效果。

1.2 Imagination（暢想）空三加密軟件簡(jiǎn)介

Imagination（暢想）空三加密軟件采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差原理，充分利用機(jī)載GPS/BD[9]數(shù)據(jù)，將時(shí)間作為參數(shù)納入平差。利用GPS后處理手段，使機(jī)載GPS/BD數(shù)據(jù)達(dá)到厘米級(jí)精度，從而直接獲取高精度的外方位元素之三個(gè)線元素，然后將其作為帶權(quán)觀測(cè)值參與區(qū)域網(wǎng)平差，最終實(shí)現(xiàn)在少量像片控制測(cè)量的前提下，完成空三加密，并使航測(cè)精度達(dá)到國(guó)家規(guī)范要求，尤其是大幅度提高航測(cè)高程精度[10]。

2? 實(shí)驗(yàn)區(qū)情況

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)1為湖南省不動(dòng)產(chǎn)統(tǒng)一登記基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)衡山測(cè)區(qū)，成圖比例尺為1：2000，面積約2500 km2。航線設(shè)計(jì)為東西向飛行，涉及原始航片1240張，地面分辨率0.2 m，焦距79.8 mm，像元大小5.2μm，像幅尺寸為13080×20010，21條航線，其中包含5條補(bǔ)飛航線，地形以丘陵為主。

實(shí)驗(yàn)區(qū)2為數(shù)字醴陵的部分區(qū)域，成圖比例尺為1：2000，面積約1200 km2。航線設(shè)計(jì)為西南-東北向飛行，涉及原始航片984張，地面分辨率0.2 m，焦距79.8mm，像元大小5.2μm，像幅尺寸為13080×20010，包含N01-N15共15條測(cè)圖航線，其中包含2條補(bǔ)飛航線;N27-N28共2條構(gòu)架航線，地形以丘陵為主。

2.2 實(shí)驗(yàn)區(qū)的像控布點(diǎn)方案

2.2.1 無(wú)構(gòu)架航線的實(shí)驗(yàn)區(qū)1像控布點(diǎn)方案

按照GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差理論，本項(xiàng)目區(qū)無(wú)構(gòu)架航線，則必須在區(qū)域網(wǎng)的四角各布設(shè)一個(gè)平高控制點(diǎn)，同時(shí)區(qū)域網(wǎng)兩端垂直于航線方向的旁向重疊中線附近各布設(shè)一排高程控制點(diǎn)。針對(duì)不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)，在其周邊增設(shè)像控點(diǎn)，凸角轉(zhuǎn)折處布設(shè)平高控制點(diǎn)，凹角轉(zhuǎn)折處為1條基線時(shí)，布設(shè)高程控制點(diǎn)，1條以上基線時(shí)，布設(shè)平高控制點(diǎn)。另外在區(qū)域網(wǎng)中間成“品”字形布設(shè)部分檢查點(diǎn)。

按照上述像控布點(diǎn)方案，針對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)1的航攝情況，具體像控布點(diǎn)情況如圖1所示。

2.2.2 有構(gòu)架航線的實(shí)驗(yàn)區(qū)2像控布點(diǎn)方案

根據(jù)GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差原理，本實(shí)驗(yàn)區(qū)像控布點(diǎn)只需在區(qū)域網(wǎng)四角各布設(shè)一個(gè)平高點(diǎn)，再在區(qū)域網(wǎng)中間成“品”字形布設(shè)部分檢查點(diǎn)即可。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)2的航攝情況，具體像控布點(diǎn)情況如圖2所示：

2.3 空三加密情況

針對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)不同的航攝情況，分別利用Imagination（暢想）空三加密軟件，進(jìn)行GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的平差結(jié)果分別見(jiàn)表1、表2所示：

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 精度分析

通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的基本定向點(diǎn)殘差、檢查點(diǎn)最大誤差精度統(tǒng)計(jì)表，可以確定采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的像控布點(diǎn)方案，不論是無(wú)構(gòu)架航線的像控布點(diǎn)還是有構(gòu)架航線的像控布點(diǎn)，通過(guò)暢想空三加密軟件的GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差后，其精度是可以完全滿足國(guó)家規(guī)范的精度要求[11]。

3.2 像控點(diǎn)工作量比較

3.2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)1的像控點(diǎn)工作量比較

實(shí)驗(yàn)區(qū)1的成圖比例尺是1：2000，按GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的像控布點(diǎn)方案，共布設(shè)了36個(gè)像控點(diǎn)，13個(gè)檢查點(diǎn)。若采用常規(guī)的像控布點(diǎn)方案，一般是按照“4條航線×15條基線”的區(qū)域網(wǎng)法像控布點(diǎn)，并且在區(qū)域網(wǎng)的中間布設(shè)一個(gè)檢查點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)區(qū)1則需布設(shè)35個(gè)像控點(diǎn)，21個(gè)檢查點(diǎn)。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)區(qū)2的像控點(diǎn)工作量比較

實(shí)驗(yàn)區(qū)2的成圖比例尺是1：2000，按GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的像控布點(diǎn)方案，共布設(shè)了4個(gè)像控點(diǎn)，8個(gè)檢查點(diǎn)。若采用常規(guī)的像控布點(diǎn)方案，實(shí)驗(yàn)區(qū)2則需布設(shè)25個(gè)像控點(diǎn)，16個(gè)檢查點(diǎn)。

3.2.3 像控點(diǎn)工作量比較的結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)區(qū)1的像控布點(diǎn)方案工作量的比較，可以得出以下結(jié)論：常規(guī)像控布點(diǎn)若按“4條航線×15條基線”的原則，則航線的基線數(shù)大于60時(shí)，采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的像控布點(diǎn)方案的像控點(diǎn)數(shù)量比常規(guī)像控布點(diǎn)方案少，并且航線的基線數(shù)越多，按GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的像控布點(diǎn)方案減少的像控點(diǎn)數(shù)量越多;航線的基線數(shù)等于60時(shí)，兩個(gè)布點(diǎn)方案的像控點(diǎn)數(shù)量一樣;航線的基線數(shù)小于60時(shí)，采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的像控布點(diǎn)方案的像控點(diǎn)數(shù)量比常規(guī)像控布點(diǎn)方案多。

但是，采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的像控布點(diǎn)方案，除了加密分區(qū)四角的像控點(diǎn)要求是平高點(diǎn)外，其它均可以為高程點(diǎn)。高程像控點(diǎn)比平高點(diǎn)難度和工作量均小的多，因此即使像控點(diǎn)個(gè)數(shù)一樣，GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的像控布點(diǎn)方案還是具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)區(qū)2的像控布點(diǎn)方案工作量的比較，可以得出以下結(jié)論：有構(gòu)架航線的航攝情況下，采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的像控布點(diǎn)方案，可以減少80%左右的像控點(diǎn)數(shù)量，并且航線數(shù)越多，每條航線的基線數(shù)越多，減少的像控點(diǎn)數(shù)量越多，GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的像控布點(diǎn)方案的優(yōu)勢(shì)越明顯。

4? 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 像控布點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)構(gòu)架航線的像控布點(diǎn)點(diǎn)位要求與常規(guī)像控布點(diǎn)一致，一般要求像控點(diǎn)必須是5片或6片重疊區(qū)域內(nèi)的特征點(diǎn)，測(cè)區(qū)邊緣像控點(diǎn)應(yīng)布在測(cè)區(qū)邊緣線外4mm以上，像控點(diǎn)距像片的各類標(biāo)志應(yīng)大于1.0mm。有構(gòu)架航線的像控布點(diǎn)只要是在構(gòu)架航線與測(cè)圖航線的交點(diǎn)區(qū)域處布點(diǎn)就行，不用考慮常規(guī)像控布點(diǎn)的6片重疊情況，可供選擇的像控布點(diǎn)區(qū)域范圍較大，像控布點(diǎn)較為容易。補(bǔ)飛航線集中的區(qū)域可適當(dāng)在補(bǔ)飛航線與原航線銜接的位置處增加像控點(diǎn)。

4.2 構(gòu)架航線關(guān)鍵技術(shù)

構(gòu)架航線應(yīng)盡量與航攝航線垂直;位于攝區(qū)周邊的構(gòu)架航線，要保證其像主點(diǎn)落在攝區(qū)邊界線上或邊界線之外，兩端要超出攝區(qū)邊界線四條基線;位于攝區(qū)內(nèi)部加密分區(qū)間的構(gòu)架航線，要保證其像主點(diǎn)落在所跨乘的加密分區(qū)界線兩側(cè)測(cè)圖航線半條基線的范圍內(nèi)，兩端要超出分區(qū)界線四條基線;構(gòu)架航線的絕對(duì)航高應(yīng)比測(cè)圖航線的絕對(duì)航高高5%-15%，應(yīng)不少于80%的航向重疊度，要保證隔號(hào)像片能構(gòu)成正常重疊的立體像對(duì);構(gòu)架航線如其本身出現(xiàn)局部的相對(duì)漏洞或有其他缺陷（如：云影、脫膜、斑痕等），在不影響整條航線內(nèi)業(yè)加密選點(diǎn)和模型連接的情況下可不補(bǔ)攝。凡需要補(bǔ)攝時(shí)，應(yīng)整條航線重?cái)z;構(gòu)架航線由于相機(jī)脈沖輸出裝置故障引起的時(shí)標(biāo)信號(hào)丟失，在一條航線上連續(xù)不超過(guò)三張時(shí)，不必補(bǔ)攝;當(dāng)構(gòu)架航線出現(xiàn)GPS攝站丟失時(shí)，應(yīng)整條航線重?cái)z[12-14]。

5? 結(jié)論

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)可以確定，GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的像控布點(diǎn)方案完全可應(yīng)用于航測(cè)大比例尺成圖，并且使用暢想空三加密軟件，按照機(jī)載GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法進(jìn)行空三加密，其空中三角測(cè)量成果的精度較高，大大提高航攝成圖的大比例尺地形圖的精度。采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的像控布點(diǎn)方案在無(wú)構(gòu)架航線航攝分區(qū)航線基線較多的情況下，比常規(guī)的像控布點(diǎn)方案可以減少像控點(diǎn)的數(shù)量，并且除四角是平高點(diǎn)外，其余的控制點(diǎn)可以是高程控制點(diǎn)，大大降低外業(yè)像控點(diǎn)的難度。

有構(gòu)架航線的航攝方案，采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的像控布點(diǎn)方案在航攝設(shè)計(jì)階段就可以確定像片控制點(diǎn)的位置，故可以在航攝設(shè)計(jì)階段，利用衛(wèi)星影像，將航攝區(qū)域調(diào)整到地面有明顯標(biāo)志地物的位置，便于像控布設(shè);或者根據(jù)需要提前進(jìn)行地面布標(biāo)。較之傳統(tǒng)的航測(cè)作業(yè)流程可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)換，可以像控和航攝同時(shí)進(jìn)行，甚至可以先做好像控，縮短項(xiàng)目工期。并且只需四個(gè)平高像控點(diǎn)就可以滿足精度要求，較之常規(guī)的像控布點(diǎn)方案減少約80%的像控點(diǎn)數(shù)量，減少外業(yè)像控點(diǎn)的成本。

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