邵 軍，段志強(qiáng)，周 毅，周安發(fā)，許 國(guó)

（1.湖北省基礎(chǔ)地理信息中心，湖北 武漢430074）

空中三角測(cè)量是利用少量地面控制點(diǎn)將整個(gè)區(qū)域網(wǎng)連接成一個(gè)整體，通過(guò)區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算一個(gè)測(cè)區(qū)中所有影像的外方位元素和所有加密點(diǎn)的平面位置和高程的方法[1]。加密的精度直接影響后續(xù)DEM、DOM產(chǎn)品的生產(chǎn)，因此它是攝影測(cè)量的關(guān)鍵。如何提高加密的精度和速度，減少野外像控測(cè)量的成本，是在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中必須考慮的問(wèn)題，很多文獻(xiàn)論述了這一問(wèn)題[2]；筆者根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，采用PixelGrid4.0軟件來(lái)對(duì)這一相關(guān)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行初步探討。

1 PixelGrid4.0系統(tǒng)及其優(yōu)點(diǎn)

PixelGrid4.0是以全數(shù)字化攝影測(cè)量和遙感技術(shù)理論為基礎(chǔ)，針對(duì)目前高分辨率遙感影像的特點(diǎn)和現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理軟件及系統(tǒng)中仍然存在的困難和不足，采用基于RFM通用成像模型的遙感影像稀少控制區(qū)域網(wǎng)平差、基于多基線多重匹配特征的高精度數(shù)字高程模型自動(dòng)匹配、高精度影像地圖制作與拼接等技術(shù)開(kāi)發(fā)的新一代遙感影像數(shù)據(jù)處理軟件。系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)對(duì)多種高分辨率衛(wèi)星影像和航空影像（包括無(wú)人機(jī)航空遙感影像）的攝影測(cè)量處理，構(gòu)建集群分布式網(wǎng)絡(luò)，采用計(jì)算機(jī)多核并行處理、自動(dòng)化和人工編輯相結(jié)合的作業(yè)方式，完成遙感影像從空中三角測(cè)量到各種國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)比例尺的DLG、DSM/DEM、DOM等產(chǎn)品的生產(chǎn)任務(wù)[3]。

PixelGrid4.0系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)有：①多數(shù)據(jù)源支持：采用統(tǒng)一的RFM傳感器成像幾何模型、數(shù)據(jù)處理算法及作業(yè)流程，如高分辨率衛(wèi)星影像、傳統(tǒng)掃描航空影像數(shù)據(jù)和新型數(shù)字航空影像、無(wú)人機(jī)獲取高分辨率遙感影像及后續(xù)數(shù)據(jù)處理、支持ADS40/80推掃式航空影像等；②稀少控制點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)平差：采用基于RFM通用成像模型的先進(jìn)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)稀少或無(wú)地面控制點(diǎn)區(qū)域的區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)；③采用基于尺度/旋轉(zhuǎn)不變性特征的高精度多基線影像匹配算法；④高生產(chǎn)效率：PixelGrid軟件跟同類軟件相比，自動(dòng)化程度高，控制點(diǎn)的需求少，大大減少了外業(yè)控制點(diǎn)的測(cè)量工作量和費(fèi)用，還可以采用多機(jī)多核處理DEM匹配等耗時(shí)較多的工序。

2 基于PixelGrid4.0系統(tǒng)的航空影像數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

襄陽(yáng)市位于鄂西北，東經(jīng)110°45'～113°43'，北緯31°14'～32°37'，踞漢水中游。全市轄襄陽(yáng)、棗陽(yáng)、宜城、南漳、谷城、?？?個(gè)縣和代管老河口縣級(jí)市。東鄰隨州市，南界鐘祥市、荊門(mén)市、遠(yuǎn)安縣、宜昌縣、興山縣，西連神龍架林區(qū)、房縣、丹江口市，北接河南省鄧州市、新野縣、唐河縣、桐柏縣，邊境界線長(zhǎng)1 332.8 km。本研究區(qū)選取該測(cè)區(qū)比較典型的丘陵地形進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，面積約為200 km2，如圖1所示。

本研究的基本資料有120張航空影像數(shù)據(jù)，UltraCam Xp相機(jī)及航攝參數(shù)文件，相關(guān)航飛設(shè)計(jì)書(shū)和技術(shù)鑒定書(shū)等；成果檢查采用湖北省基礎(chǔ)地理信息中心整理的600 km2高精度1∶500 DLG成果（襄陽(yáng)本地坐標(biāo)系，1956黃海高程系），空三加密結(jié)果用于生產(chǎn)1∶2 000 DOM。

2.2 PixelGrid4.0空三加密主要步驟

利用PixelGrid4.0軟件進(jìn)行空三加密的主要步驟如圖2所示。

圖2 作業(yè)流程圖

1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及預(yù)處理。利用PixelGrid4.0軟件進(jìn)行自動(dòng)空三加密一般需要數(shù)字影像、相機(jī)參數(shù)及校檢文件、測(cè)區(qū)基礎(chǔ)控制測(cè)量和像片控制測(cè)量數(shù)據(jù)、技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)、航空攝影鑒定表、航攝分區(qū)結(jié)合圖等資料。在進(jìn)行空三加密前，一般需對(duì)航空影像進(jìn)行畸變差預(yù)糾正、彩色影像轉(zhuǎn)灰度、影像旋轉(zhuǎn)、新建航攝區(qū)參數(shù)文件等預(yù)處理。

2）自動(dòng)內(nèi)定向。在自動(dòng)內(nèi)定向之前應(yīng)預(yù)先生成索引影像。內(nèi)定向的目的是建立一個(gè)變換，該變換將從影像中測(cè)量或提取的特征變換到以相機(jī)攝影中心為原點(diǎn)的三維笛卡爾坐標(biāo)系下，該坐標(biāo)系稱為影像坐標(biāo)系；而數(shù)字影像的參考坐標(biāo)系為像素系。自動(dòng)內(nèi)定向就是無(wú)需人工干預(yù)而執(zhí)行整個(gè)內(nèi)定向的過(guò)程[4]。數(shù)字航攝影像PixelGrid4.0軟件能快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)影像的全自動(dòng)內(nèi)定向。此次襄陽(yáng)試驗(yàn)區(qū)120張航片，自動(dòng)內(nèi)定向約0.5 min完成。

3）自動(dòng)相對(duì)定向。相對(duì)定向是一個(gè)基本的較為完善的攝影測(cè)量過(guò)程，其目的是確定立體模型的定向元素，以便DEM生成和地圖測(cè)繪等后續(xù)工作能在立體環(huán)境下進(jìn)行。自動(dòng)相對(duì)定向關(guān)鍵在于影像的匹配，即找同名點(diǎn)[5]。由于此實(shí)驗(yàn)區(qū)屬于大測(cè)區(qū)生產(chǎn)，需要自動(dòng)相對(duì)定向時(shí)間較長(zhǎng)，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選2進(jìn)程進(jìn)行，避免3進(jìn)程夜間作業(yè)超負(fù)荷計(jì)算自動(dòng)停止。PixelGrid4.0針對(duì)自動(dòng)相對(duì)定向失敗的情況，可以刪除單個(gè)立體模型上下視差較大的點(diǎn)，再次執(zhí)行自動(dòng)相對(duì)定向直至該立體模型滿足相對(duì)定向?yàn)橹埂?/p>

4）確定航帶的偏移。確定航線間偏移的目的是建立相鄰航線間的連接關(guān)系，航線連接點(diǎn)就是傳統(tǒng)空中三角測(cè)量中的拼接點(diǎn)，主要包括概略確定航線連接點(diǎn)和連接點(diǎn)的交互式編輯2方面內(nèi)容。當(dāng)每條航帶內(nèi)影像數(shù)不多于15 張時(shí)，在航帶首尾分別選擇一個(gè)初始點(diǎn)即可，若多于15張，則需要在航帶中間位置再加一個(gè)初始點(diǎn)，結(jié)合測(cè)區(qū)的形狀，該研究區(qū)共選取了20個(gè)航帶初始點(diǎn)。

5）自動(dòng)選點(diǎn)和轉(zhuǎn)點(diǎn)。在空三加密過(guò)程中，為了保證定向精度和便于后續(xù)易于探測(cè)粗差點(diǎn)，需要提取大量的連接點(diǎn)。PixelGrid4.0采用基于RFM通用成像模型的先進(jìn)算法，在選點(diǎn)、轉(zhuǎn)點(diǎn)過(guò)程中，只需少量的控制點(diǎn)，即可選取大量滿足精度要求的連接點(diǎn)。整個(gè)選點(diǎn)和轉(zhuǎn)點(diǎn)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。在加密過(guò)程中，PixelGrid4.0記錄并顯示詳細(xì)的轉(zhuǎn)點(diǎn)信息，用戶很容易發(fā)現(xiàn)如定向失敗、模型連接失敗等異常情況，能及時(shí)準(zhǔn)確地作出處理。PixelGrid4.0自動(dòng)選點(diǎn)和轉(zhuǎn)點(diǎn)主要是通過(guò)航帶間初始偏移量確定和自動(dòng)相對(duì)定向及模型連接功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

6）自動(dòng)挑點(diǎn)。PixelGrid調(diào)用著名的光束法區(qū)域網(wǎng)平差程序PATB，能高效、可靠和自動(dòng)地剔除像點(diǎn)網(wǎng)中的粗差點(diǎn)[6]。根據(jù)用戶選定的連接點(diǎn)分布方式，挑選精度最高的點(diǎn)作為加密點(diǎn)。對(duì)于本試驗(yàn)區(qū), 采用 3×5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位, 每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位5個(gè)點(diǎn)的方式進(jìn)行連接點(diǎn)的選取[3], 如圖3所示，最終產(chǎn)生5 160個(gè)連接點(diǎn), 單位權(quán)中誤差為2.67 μm, 用時(shí)8 min；經(jīng)檢查此試驗(yàn)區(qū)自動(dòng)模型連接情況良好, 無(wú)需人工干預(yù)。

7）連接點(diǎn)編輯與量測(cè)。通過(guò)自動(dòng)挑點(diǎn)，對(duì)剩余的5 160個(gè)正常點(diǎn)進(jìn)行連接點(diǎn)編輯與量測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)平差計(jì)算。連接點(diǎn)編輯與量測(cè)主要目的是實(shí)現(xiàn)2條航帶影像間的連接。PixelGrid4.0可以自動(dòng)顯示粗差點(diǎn)，方便用戶進(jìn)行調(diào)整；可對(duì)自動(dòng)挑點(diǎn)后的粗差點(diǎn)進(jìn)行編輯。編輯完所有的粗差點(diǎn)后，再調(diào)用PATB 解算，直至沒(méi)有粗差點(diǎn)，最后就可自動(dòng)創(chuàng)建加密點(diǎn)文件了。

圖3 連接點(diǎn)分布設(shè)置對(duì)話框

8）平差計(jì)算。它是空中三角測(cè)量中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，主要包括區(qū)域網(wǎng)平差與平差結(jié)果分析2部分。區(qū)域網(wǎng)平差用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊連接點(diǎn)編輯主界面工具條按鈕，調(diào)用PATB進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算，計(jì)算完畢后進(jìn)入下步作業(yè)。平差結(jié)果分析在交互式編輯界面中執(zhí)行菜單命令平差→顯示PATB粗差報(bào)告，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用Windows的記事本打開(kāi)PATB的平差報(bào)告。在PATB報(bào)告中，精度超限的像點(diǎn)會(huì)作為粗差觀測(cè)值不參與最后的平差計(jì)算，下面顯示的是PATB報(bào)告中的粗差報(bào)告部分。本研究區(qū)共選取15個(gè)平高點(diǎn)，10個(gè)高程點(diǎn)，基本定向點(diǎn)平面最大限差0.30 m，高程最大限差0.25 m，符合絕對(duì)定向后平面位置與高程限差相關(guān)要求，此空三加密成果符合1∶2 000 DOM精度。

9）生成加密點(diǎn)文件。當(dāng)測(cè)區(qū)接邊和相對(duì)定向成果均符合限差要求時(shí)，在主界面中點(diǎn)擊生成并檢查加密點(diǎn)坐標(biāo)生成加密點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將最終的加密點(diǎn)成果寫(xiě)入*.ctl文件(如果加密文件是以*.pas命名，則加密文件中會(huì)包含1∶500 DLG上選取的點(diǎn))，共生成1 275個(gè)加密點(diǎn)。

2.3 空三加密結(jié)果精度的檢測(cè)

區(qū)域網(wǎng)平差的實(shí)際精度是通過(guò)多余控制點(diǎn)的地面實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)與攝影測(cè)量加密點(diǎn)坐標(biāo)值的差值來(lái)計(jì)算的，將二者坐標(biāo)的差值視為真差值，由這些真差值計(jì)算點(diǎn)位坐標(biāo)精度[7]。這些多余的控制點(diǎn)被當(dāng)作空三加密的檢查點(diǎn)，一般使用檢查點(diǎn)中誤差值作為評(píng)定空三成果精度的依據(jù)[8]。研究區(qū)涉及的標(biāo)準(zhǔn)1∶10 000圖幅共6幅，每幅圖的檢點(diǎn)數(shù)量視具體情況而定，一般不少于20個(gè)點(diǎn)，共抽取120個(gè)平高點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，在1∶500 DLG上讀取明顯目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)并輸入計(jì)算機(jī)中，與數(shù)字正射影像上同名點(diǎn)坐標(biāo)相比較，其平面中誤差計(jì)算公式為：

式中，Ms為點(diǎn)位中誤差； Xi為坐標(biāo)X的檢測(cè)值；xi為原值；Yi為坐標(biāo)Y的檢測(cè)值；yi為原值；n為檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)數(shù)。

數(shù)字高程模型點(diǎn)的中誤差公式為：

式中，Δhi為高程較差；n為檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)式（1）和式（2），可得出研究區(qū)標(biāo)準(zhǔn)1∶10 000圖幅參與檢測(cè)的加密點(diǎn)平面和高程中誤差，如表1。

表1 加密點(diǎn)平面與高程中誤差表/m

對(duì)于試驗(yàn)區(qū)6幅標(biāo)準(zhǔn)1∶10 000圖幅精度檢測(cè)，結(jié)果符合內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)對(duì)附近野外控制點(diǎn)的平面和高程中誤差要求，因此空三加密成果符合生產(chǎn)1∶2 000數(shù)字正射影像精度的要求。

3 PixelGrid4.0在空三加密中的主要優(yōu)點(diǎn)

試驗(yàn)表明，采用PixelGrid4.0進(jìn)行空三加密主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）PixelGrid4.0空三加密采用多級(jí)多核并行處理方式，可多臺(tái)機(jī)器同時(shí)進(jìn)行空三處理，也可1臺(tái)機(jī)器多核并行處理，大大提高了空三處理速度。

2）PixelGrid4.0空三過(guò)程中，采用基于RFM通用成像模型的先進(jìn)算法，只需極少量的控制點(diǎn)就能滿足空三加密的精度要求，大大減少了外業(yè)控制點(diǎn)的測(cè)量工作。

3）PixelGrid4.0采用基于尺度/旋轉(zhuǎn)不變性特征的高精度多基線影像匹配算法，大大提高了匹配精度。

4）PixelGrid4.0提供斷點(diǎn)繼續(xù)處理的方式，避免了斷電、死機(jī)等原因造成重新處理數(shù)據(jù)的問(wèn)題，大大減少了工作量。

4 空三加密過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)

1）像控點(diǎn)的選取應(yīng)嚴(yán)格控制在大比例尺DLG成果上，在滿足規(guī)范的同時(shí)顧及內(nèi)業(yè)加密的需要，選取易于判讀的點(diǎn)位如小道路交叉口、田埂角、水泥地角等，而內(nèi)業(yè)不易判準(zhǔn)的圍墻角根部，高差變化較大斜面上的目標(biāo)以及界限不明顯的地角等，應(yīng)當(dāng)盡量避免。

2）PixelGrid嵌入了POS(GPS/IMU)輔助空三加密模塊，在中小比例尺成圖過(guò)程中，用少量外業(yè)控制點(diǎn)即可滿足加密精度要求，在大比例尺成圖過(guò)程中，應(yīng)用此模塊可減少控制點(diǎn)的量測(cè)，從而提高成圖的效率和節(jié)約成本。

3）在設(shè)置航帶偏移點(diǎn)的過(guò)程中設(shè)置航帶間的偏移應(yīng)保證上下航帶之間有至少一對(duì)同名影像點(diǎn)，偏移點(diǎn)分布是以上下航線的2頭均勻分布，間隔10～15個(gè)影像為宜。

4）為使模型與模型之間、上下航帶之間有足夠的連接點(diǎn)，在自動(dòng)提取加密點(diǎn)過(guò)程中加密點(diǎn)采用3×5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位的方式進(jìn)行連接點(diǎn)的選取，可刪除一些錯(cuò)點(diǎn)和一些誤差較大的點(diǎn)，減少計(jì)算量，提高平差精度。

5）在模型連接的過(guò)程中，由于某些模型的30重疊點(diǎn)被刪除后失去連接，需對(duì)其補(bǔ)充模型連接點(diǎn)，如果平差后粗差仍超限，需人工進(jìn)行微調(diào)而不是一味刪除，某些不易調(diào)的點(diǎn)需在立體環(huán)境下進(jìn)行微調(diào)。

6）在實(shí)際航空攝影過(guò)程中，由于種種原因，2個(gè)航帶接邊處經(jīng)常會(huì)遇到重疊區(qū)域只存在5幅影像不足6幅或者個(gè)別影像模糊不清的情況，即旁向無(wú)60重疊區(qū)域，這時(shí)要盡量在這些影像中選取質(zhì)量好的影像進(jìn)行重疊區(qū)域控制點(diǎn)的選取。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用PixelGrid4.0軟件對(duì)襄陽(yáng)城區(qū)東南的航攝成果進(jìn)行空三加密處理，應(yīng)用實(shí)踐表明PixelGrid4.0軟件與同類軟件相比，滿足同樣的精度對(duì)控制點(diǎn)的要求較少，且自動(dòng)選點(diǎn)、挑點(diǎn)速度快而準(zhǔn)、大大減少了外業(yè)的測(cè)量工作和內(nèi)業(yè)空三加密的工作量；在數(shù)據(jù)處理方面，PixelGrid4.0在相關(guān)步驟中可實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算，大大提高了數(shù)據(jù)的處理速度。由于軟件的自動(dòng)作業(yè)模式，一鍵式的操作，可實(shí)現(xiàn)夜間無(wú)人作業(yè)，生產(chǎn)的主要工作全部由計(jì)算機(jī)完成，極大地解放了作業(yè)員的生產(chǎn)力。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用PixelGrid4.0軟件進(jìn)行空三加密相比其他傳統(tǒng)遙感處理軟件，其生產(chǎn)效率提高了2～3倍。

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