基于像素工廠處理ADS100 數(shù)據(jù)空中三角測(cè)量的研究

何麗敏

（山西省測(cè)繪地理信息院第一測(cè)繪院，山西 太原 030002）

0.引言

性能獨(dú)特的徠卡傳感器ADS 系列一直引領(lǐng)著機(jī)載數(shù)碼傳感器的創(chuàng)新方向，2013 年隨著ADS100 機(jī)載數(shù)碼傳感器的登場(chǎng)，開啟了高清影像獲取的新紀(jì)元。像素工廠(Pixel Factory)是由法國(guó)地球信息公司研發(fā)的一套海量遙感影像處理系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分發(fā)、并行計(jì)算等功能，能在少量人工干預(yù)下，快速高效地生產(chǎn)多種測(cè)繪數(shù)字化產(chǎn)品及一系列中間產(chǎn)品。尤其是空中三角測(cè)量模塊因其“嚴(yán)格的傳感器”模型，使其在效率和精度上占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又能直觀地進(jìn)行人機(jī)交互操作，在一定程度上提高了空三的可靠性。

1.ADS100 與ADS80 在主要技術(shù)參數(shù)上的區(qū)別

機(jī)載傳感器從ADS80 到ADS100，在軟件、硬件、技術(shù)參數(shù)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式等方面都有一定的變化。相應(yīng)的應(yīng)用軟件在版本上進(jìn)行了升級(jí)，但總體構(gòu)架并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。ADS100 在硬件上做了較大的改變，如鏡頭升級(jí)為SH100、使用最新陀螺穩(wěn)定平臺(tái)PAV100、更換了相機(jī)操作平臺(tái)、CC33 控制器變得更加小巧、存儲(chǔ)器容量的提升等等。其在技術(shù)參數(shù)上也有明顯變化，下面只選擇與空三加密相關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明。

1.1 數(shù)據(jù)采集波段的變化

ADS80（以 SH82 鏡頭為例）相機(jī)有 12 條線陣電荷藕合元件(Chargec coupled Device,CCD)。分別采集紅、綠、藍(lán)、近紅外和全色5 個(gè)波段信息。按照前視27°、底視0°、后視14°分為三組排列，前視組為一個(gè)全色CCD；底視組包含紅、綠、藍(lán)、近紅外各一條CCD和一對(duì)相錯(cuò)半個(gè)像素的全色CCD；后視組包含紅、綠、藍(lán)、近紅外和全色各一條CCD。ADS100 相機(jī)有13 條線陣CCD，分別采集紅、綠、藍(lán)和近紅外4 個(gè)波段影像信息，較ADS80 缺少全色波段影像信息。按照前視26°、底視0°、后視19°分為三組排列，前視組包括紅、綠、藍(lán)、近紅外等各一條CCD，底視組包括紅、藍(lán)、近紅外各一條CCD 和一對(duì)相錯(cuò)半個(gè)像素綠色CCD，后視組包括紅、綠、藍(lán)、近紅外各一條CCD。在空三加密中ADS100使用三個(gè)視角的綠色（GREEN）波段代替ADS80 的全色（PAN）波段。所以對(duì)于同等產(chǎn)品需求的工程，ADS100 數(shù)據(jù)量在一定程度上有所減小。

1.2 CCD 尺寸的變化

ADS80 CCD 尺寸為12000 個(gè)像元，且每個(gè)視角有效長(zhǎng)度相同，而ADS100 CCD 尺寸為20000 個(gè)像元，且其不同視角CCD 有效長(zhǎng)度是不同的。其中，底視CCD 有效長(zhǎng)度為20012 像元；前視CCD 有效長(zhǎng)度為16000 像元；后視CCD 有效長(zhǎng)度為18330 像元。這就使得在同等地面分辨率的情況下，ADS100 獲取的影像幅更寬，同面積測(cè)區(qū)中有效航線數(shù)相應(yīng)減少，從而在一定程度上減少了后序空三、檢查點(diǎn)布設(shè)、影像拼接、影像勻色、條帶接邊精度檢測(cè)等一系列工序的工作量。因不同視角CCD 有效長(zhǎng)度不同，在航線設(shè)計(jì)中，要以前視CCD 長(zhǎng)度為參考標(biāo)準(zhǔn)充分考慮旁向重疊要求進(jìn)行航線布設(shè)，以免因?yàn)楹骄€重疊過(guò)小或航線漏洞給后序空三、影像拼接增加難度，延誤工期。

1.3 視場(chǎng)范圍的變化

ADS100 前視與后視之間的夾角由原來(lái)ADS80 的41°升級(jí)為45°。這樣的設(shè)計(jì)使得在相同飛行高度下，ADS100 的基高比增大，構(gòu)成的立體模型垂直比例尺夸大明顯，立體效應(yīng)增強(qiáng)，易于觀測(cè)。

2.ADS100 數(shù)據(jù)預(yù)處理及像素工廠空三加密

從海量存儲(chǔ)器（MM30）下載原始ADS100 的L0級(jí)數(shù)據(jù)，在存儲(chǔ)路徑和存儲(chǔ)格式上與ADS80 有很大區(qū)別，所以其L0 級(jí)數(shù)據(jù)只能在徠卡公司相配套的Leica Xpro 下進(jìn)行后序處理。如果想利用像素工廠對(duì)ADS100 數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密，就需要將ADS100 的L0級(jí)數(shù)據(jù)在Leica Xpro 下進(jìn)行影像粗糾正處理為L(zhǎng)1 級(jí)數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)與像素工廠等外部軟件的對(duì)接。具體流程(如圖 1 所示)：

圖1 地理信息輔助審計(jì)工作流程圖

2.1 數(shù)據(jù)源情況

本次航攝使用塞斯納208 型飛機(jī)搭載徠卡ADS100(10520 型號(hào))數(shù)碼航空相機(jī)，獲取影像分辨率優(yōu)于0.2 米。該區(qū)域涉及1 個(gè)架次、3 條航線的航攝數(shù)據(jù)，旁向重疊度10%—21%，飛行面積約為800 平方公里。飛行當(dāng)天飛行條件狀況良好，飛行高度3008 米。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.2.1 數(shù)據(jù)下載

ADS100 數(shù)據(jù)通過(guò) Leica Xpro 6.4 下的 Data Preparation 工具進(jìn)行原始影像數(shù)據(jù)和GPS/IMU 觀測(cè)數(shù)據(jù)下載，下載的影像數(shù)據(jù)以 (*.lov) 內(nèi)部格式存儲(chǔ)于images 目錄下；影像附屬信息文件存儲(chǔ)于raw 目錄下；GNSS-IMU 原始文件解壓于gps-imu 相應(yīng)的raw 目錄下；ADS100 下載說(shuō)明文件存儲(chǔ)于mm 目錄下。在影像下載過(guò)程中，可以根據(jù)用戶需要選擇下載數(shù)據(jù)的命名規(guī)則。

2.2.2 POS 解算

ADS100 的機(jī)載 GPS/IMU 數(shù)據(jù)首先通過(guò)Inertial Explorer 8.70 軟件分離為GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)和IMU 記錄數(shù)據(jù)，然后對(duì)每個(gè)架次的GPS 數(shù)據(jù)和IMU 數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，生成每條掃描線的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)。一般情況下POS 數(shù)據(jù)融合的方法有兩種：一種是基于差分GPS(DGPS)技術(shù)；另一種是基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)(PPP)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)得知：基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)解算精度一般在0.2—0.4 米之間，且存在系統(tǒng)誤差。由于本項(xiàng)目精度要求較高，所以在此選用基于CORS 站數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算技術(shù)。本次使用的CORS 基準(zhǔn)站同步觀測(cè)數(shù)據(jù)是由GPS 中心提供，采樣間隔為0.5 秒。解算結(jié)果經(jīng)過(guò)分析，滿足《GB/T 20920.2-2012 數(shù)字航空攝影規(guī)范》第二部分推掃式航空攝影中相關(guān)精度要求。GPS/IMU聯(lián)合解算精度詳細(xì)情況(如表1 所示)：

表1 POS 解算精度

2.2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理與L1 級(jí)影像粗糾正

正常情況下L1 級(jí)影像糾正是在空三之后進(jìn)行，但由于ADS100 數(shù)據(jù)在下載后數(shù)據(jù)格式與像素工廠軟件所需格式不同，這里需要在導(dǎo)入像素工廠之前，對(duì)數(shù)據(jù)做預(yù)處理并進(jìn)行L1 級(jí)影像粗糾正。在Leica Xpro 6.4軟件下進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中，需根據(jù)項(xiàng)目要求選擇必要的影像及影像波段，通過(guò)Leica Xpro 軟件下的Product Generator 模塊生成相應(yīng)的L1 級(jí)數(shù)據(jù)。生成的L1 級(jí)數(shù)據(jù)文件類型和文件格式與引入像素工廠所需的文件類型與格式基本一致。所以對(duì)于像素工廠來(lái)說(shuō)，L1 級(jí)數(shù)據(jù)生成的過(guò)程實(shí)際上就相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)類型與格式的轉(zhuǎn)換過(guò)程。但由于產(chǎn)成的兩個(gè)L1 級(jí)影像頭文件(*.sup)有些許差別，為便于引入像素工廠，需對(duì)兩個(gè)影像頭文件內(nèi)部路徑分隔符方向進(jìn)行批量修改。

2.3 像素工廠空三加密

2.3.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與附屬文件屬性字段修改

設(shè)定工程為基于WGS84 橢球的通用橫軸墨卡托格網(wǎng)坐標(biāo)系 (Universal Transverse Mercator Grid System)進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入。ADS100 數(shù)據(jù)導(dǎo)入像素工廠后，需要對(duì)影像描繪文件的ID 字段進(jìn)行修改，ID 字段屬性值以每條航帶航攝日期的月+ 日+ 小時(shí)+ 分鐘+波段+視角+通道來(lái)填充(例如:12210454GRNB19A)。需要修改初始影像目錄(INIT)下數(shù)據(jù)描述文件(*.xml)中Track Number、Short Number 兩個(gè)字段屬性和定向結(jié)果目錄(GEOM)下數(shù)據(jù)描述文件(*.xml)中ID 字段屬性，通過(guò)編寫可執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)批量修改。

修改字段的目的在于使像素工廠軟件能根據(jù)以上字段屬性自動(dòng)區(qū)分航線，進(jìn)而區(qū)分連接點(diǎn)類型（航帶間連接點(diǎn)和航帶內(nèi)連接點(diǎn)），以便于在后序空三加密過(guò)程中，人機(jī)交互操作更加直觀地進(jìn)行粗差點(diǎn)剔除與連接點(diǎn)添加，及時(shí)調(diào)整連接較差區(qū)域，確保航帶間連接點(diǎn)數(shù)量滿足要求且連接點(diǎn)的分布更加合理，使空三結(jié)果更加可靠。

2.3.2 空三加密

像素工廠空三加密是一個(gè)連接點(diǎn)匹配、區(qū)域網(wǎng)平差、粗差點(diǎn)剔除與調(diào)整的循環(huán)過(guò)程。這里只對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵的步驟進(jìn)行解析。

2.3.2.1 分組文件編輯

像素工廠是一種支持推掃式相機(jī)傳感器模型的空三加密軟件，這種嚴(yán)格的傳感器模型有其無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，比如對(duì)測(cè)量誤差的全面穩(wěn)健評(píng)估、嚴(yán)密的內(nèi)部算法、快速優(yōu)化工藝流程等等，但也需要對(duì)模型系統(tǒng)誤差進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。目前一般需要調(diào)整的誤差模型參數(shù)有以下幾種：相機(jī)姿態(tài)參數(shù)(rxc、ryc、rzc)、導(dǎo)航姿態(tài)參數(shù)(rx0、ry0、rz0、rx1、ry1、rz1) 和非線性比例因子(srx、sry、srz)。而分組就是對(duì)這些參數(shù)在優(yōu)化中進(jìn)行必要的綁定。比如相機(jī)姿態(tài)參數(shù)按相機(jī)綁定、導(dǎo)航姿態(tài)參數(shù)按航帶綁定、非線性比例因子按飛行架次綁定。（這里需要特別說(shuō)明，ADS100 航攝儀采用PAV100 最新陀螺穩(wěn)定平臺(tái)并集成高精度、抗干擾、性能穩(wěn)定的慣性測(cè)量系統(tǒng)（IMU），能實(shí)時(shí)進(jìn)行姿態(tài)修正，獲得理想的定位姿態(tài)數(shù)據(jù)，因此對(duì)于ADS100 來(lái)說(shuō)，非線性比例因子優(yōu)化意義不大，可以忽略）。分組文件的正確組織在像素工廠空三優(yōu)化過(guò)程中起著舉足輕重的作用，在優(yōu)化之前檢查分組文件的正確性是保證整個(gè)空三精度的基礎(chǔ)性工作，是非常必要的。

2.3.2.2 航帶間連接點(diǎn)檢查

航帶間連接點(diǎn)的數(shù)量與質(zhì)量決定著整個(gè)區(qū)域空三加密成果的精度。有時(shí)會(huì)因?yàn)槟承┩獠吭驅(qū)е潞綆чg連接點(diǎn)匹配失敗或數(shù)量很少。這種情況下，雖然像素工廠內(nèi)部?jī)?yōu)化指標(biāo)能滿足要求，但并不能代表整個(gè)區(qū)域的實(shí)際空三結(jié)果符合精度要求。這就需要在現(xiàn)有連接點(diǎn)參與優(yōu)化后，手動(dòng)添加航帶間連接點(diǎn)作為種子點(diǎn)重新進(jìn)行航帶間連接點(diǎn)的自動(dòng)匹配，以滿足航帶間連接點(diǎn)數(shù)量與質(zhì)量的要求。

2.3.2.3 分組類型的選取

空三加密過(guò)程中，有時(shí)會(huì)遇到匹配的連接點(diǎn)數(shù)量很多，但平差后粗差點(diǎn)較多、粗差值較大的情況。查看這些粗差點(diǎn)在每張影像上的具體位置，會(huì)發(fā)現(xiàn)真實(shí)情況并沒(méi)有系統(tǒng)計(jì)算的誤差那么大。這時(shí)候不要急于剔除這些殘差較大的航帶連接點(diǎn)，可以在優(yōu)化過(guò)程中解除分組綁定，讓其進(jìn)行航線內(nèi)部微調(diào)，這樣優(yōu)化后殘差一般會(huì)滿足連接點(diǎn)精度指標(biāo)要求。但解除分組綁定后的空三成果通常會(huì)出現(xiàn)航帶間接邊有系統(tǒng)差的情況，這就需要在后序工作中，根據(jù)立體航線接邊檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行空三成果系統(tǒng)差修正。

2.3.3 成果導(dǎo)出

ADS100 數(shù)據(jù)經(jīng)像素工廠空三加密后，需將其導(dǎo)出為定向數(shù)據(jù)通用格式。像素工廠空三成果導(dǎo)出需要相應(yīng)影像的頭文件。通常情況下ADS80 直接引用影像L0 級(jí)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的頭文件即可，但ADS100 數(shù)據(jù)沒(méi)有L0級(jí)影像頭文件。所以需要把其L1 級(jí)數(shù)據(jù)的影像頭文件通過(guò)編寫可執(zhí)行程序進(jìn)行批量修改，具體修改規(guī)則如下：

(1)影像頭文件命名確保以“L0”開頭；

(2)影像頭文件中“IMAGE_ID”字段屬性與像素工廠影像描述文件“ID”字段屬性保持一致；

(3)確保影像頭文件中“AnchorPoint”字段名稱與其屬性值之間用一個(gè)空格鍵分隔。

修改完成后，用“pf2odf”命令進(jìn)行通用定向文件格式的轉(zhuǎn)換輸出。

3.空三精度檢測(cè)

3.1 航線接邊精度檢測(cè)

航線接邊精度是加密區(qū)整體精度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。空三后恢復(fù)立體模型，在立體模型下沿航向在航線旁向重疊區(qū)每間隔2 公里采集一對(duì)同名地物點(diǎn)，取其坐標(biāo)分量差值，記作Δx、Δy、Δz。把同一重疊區(qū)所有同名點(diǎn)坐標(biāo)分量差值的均值作為相鄰兩條航線的接邊差，記作dx、dy、dz。如果三個(gè)分量差值均成正負(fù)均勻分布，變化量小于2 個(gè)像素，且均值小于1 個(gè)像素，我們認(rèn)為該航線接邊不存在系統(tǒng)誤差；若某分量差值正負(fù)符號(hào)單一，且差值之間變化小于1 個(gè)像素，我們認(rèn)為其存在系統(tǒng)誤差，需要修正對(duì)應(yīng)的航線空三結(jié)果文件；如果某分量差值呈現(xiàn)逐漸增大或減小趨勢(shì)，或呈現(xiàn)不規(guī)則變化趨勢(shì)，我們認(rèn)為其中某條航線空三存在問(wèn)題，需要返回查找原因，重新進(jìn)行相關(guān)航線的空三加密。按如上方法，經(jīng)檢測(cè)該測(cè)區(qū)航線接邊差Δx、Δy、Δz 均小于1 個(gè)像素，且不存在系統(tǒng)誤差。滿足《GB/T 23236-2009 數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》中相應(yīng)要求。

3.2 檢查點(diǎn)精度檢測(cè)

該項(xiàng)目利用山西省衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站服務(wù)系統(tǒng)（SXCORS），采用網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)建立圖根控制網(wǎng)，測(cè)量的控制點(diǎn)作為該項(xiàng)目的檢查點(diǎn)使用，共22 個(gè)。野外控制點(diǎn)量測(cè)的平面及高程精度均≤5cm。對(duì)照檢查點(diǎn)點(diǎn)之記，在空三后的立體影像上進(jìn)行相應(yīng)檢查點(diǎn)坐標(biāo)采集，與野外控制點(diǎn)量測(cè)成果進(jìn)行坐標(biāo)比對(duì)求取差值，記作ΔX、ΔY、ΔZ，每條航線檢查點(diǎn)坐標(biāo)分量差值的平均值記作dX、dY、dZ。經(jīng)檢測(cè) dX、dY 均小于1 個(gè)像素，dZ 有1.5 米左右的系統(tǒng)誤差。

3.3 系統(tǒng)誤差修正

系統(tǒng)誤差修正以航線為單位進(jìn)行航帶間接邊系統(tǒng)差修正和相對(duì)于控制點(diǎn)的系統(tǒng)差糾正。上述檢測(cè)結(jié)果顯示航帶間接邊精度滿足要求，只需對(duì)測(cè)區(qū)整體高程進(jìn)行系統(tǒng)誤差修正，修正后重新進(jìn)行檢查點(diǎn)精度檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè) ΔX 最大值為 0.29 米，dX 為 0.15 米；ΔY 最大值為 0.25 米，dY 為 0.09 米；ΔZ 最大值為 0.26 米，dZ為0.14 米。精度滿足《GB/T 23236-2009 數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》中相應(yīng)要求。

4.結(jié)束語(yǔ)

像素工廠在空中三角測(cè)量方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，而ADS100 為近幾年廣泛使用的主流數(shù)碼航攝儀。本文針對(duì)ADS100 數(shù)據(jù)的一些特征和優(yōu)勢(shì)，結(jié)合像素工廠軟件工程應(yīng)用實(shí)例，完成了無(wú)控空三加密，并進(jìn)行了成果精度分析與評(píng)定。結(jié)果表明這一生產(chǎn)技術(shù)流程完善可行，成果精度滿足相應(yīng)規(guī)范要求，對(duì)類似項(xiàng)目生產(chǎn)具有重要的參考價(jià)值。