蘇 博

（南陽師范學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與旅游學(xué)院，河南 南陽 473061）

0 引言

普通數(shù)碼相機具有體積小、質(zhì)量輕、適用方便、靈活性強等特點，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于近景攝影測量領(lǐng)域。光束法是近景攝影測量中普通數(shù)碼影像量測的最主要的數(shù)據(jù)處理方法，有著精度高、易于引入系統(tǒng)誤差改正、適應(yīng)不同觀測值聯(lián)合平差的優(yōu)點。但是，該算法也存在著對控制點數(shù)量要求多、未知數(shù)多且相互干擾大、參數(shù)檢校精度不高等缺點。這些缺點在不同的應(yīng)用條件下，其影響會得以放大或縮小，然而至今對光束法的評價大都限于檢查點位中誤差，缺乏對各影響因素系統(tǒng)的、定量的研究，從而缺乏對作業(yè)的指導(dǎo)依據(jù)[1-4]。本文通過對不同物像條件和不同處理方法兩方面的影響進行試驗，研究控制點數(shù)量及分布、相機分辨率、相機內(nèi)方位元素已知/未知、子像元量測等幾方面對光束法精度的影響，作定量研究。

1 攝影測量試驗場的建立

為更加準(zhǔn)確和科學(xué)的分析普通數(shù)碼影像光束法特性，本文光束法試驗設(shè)計了2種不同的試驗場，室內(nèi)精密試驗場和室外控制場[5]。

1.1 室內(nèi)精密試驗場的建立

圖1 精密三維控制場普通數(shù)碼影像

圖2 三維控制場點位分布示意圖

1.2 室外控制場

室外控制場選取某大學(xué)教樓的正面，控制點的布設(shè)分三層，符合控制場立體布設(shè)控制點的要求，如圖3所示。在教樓正面的三個面上共布設(shè)了14個控制點，由遠及近分別布設(shè)第一層4個控制點、第二層4個控制點、第三層6個控制點，點號分別為01-14號點（如圖4）?？刂泣c布設(shè)方式為在墻上貼控制點標(biāo)志。控制點標(biāo)志為黑白相間的X形紙質(zhì)標(biāo)志，按左右對稱貼于墻面上。

圖3 室外控制場普通數(shù)碼影像

圖4 室外控制場點位示意圖

2 影像拍攝與控制點坐標(biāo)的獲取

2.1 影像拍攝

控制場影像拍攝的基線大致與控制場平面平行。在基線上左右兩邊各選一個拍攝點，拍攝點要求能觀察到幾乎所有的控制點，拍攝時控制場應(yīng)充滿整個相機屏幕。為滿足本實驗不同試驗方案要求，分別采用了固定對焦模式和實時對焦模式進行拍攝，實時對焦模式使用尺寸為2592*1944的分辨率（簡稱變焦L），固定對焦模式下分別使用尺寸為2592*1944、1600*1200和1024*768的分辨率（分別簡稱定焦L、定焦M1和定焦M2）。

2.2 控制點坐標(biāo)的獲取

控制點坐標(biāo)分為物方坐標(biāo)與像方坐標(biāo)。室內(nèi)三維控制場中的物方坐標(biāo)由T2經(jīng)緯儀測得，即在控制場正前方幾米處設(shè)置2個與控制場平面大致平行的測站，分別對55個控制點進行水平角和豎直角觀測，然后利用前方交會原理解算出控制點坐標(biāo)。室外控制場的物方坐標(biāo)是用免棱鏡全站儀自由設(shè)站觀測后經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到?？刂泣c像方坐標(biāo)則是直接通過影像坐標(biāo)量測獲得。

3 不同物象條件下光束法算法試驗及特性分析

由于光束法存在著對控制點數(shù)量要求多、不適用于平面控制等缺點，試驗場地（主要指控制場的布設(shè)）及試驗所需的儀器設(shè)備對光束法試驗精度結(jié)果產(chǎn)生很大影響[6-8]，本文分別對控制場中控制點數(shù)量和分布以及相機分辨率、像片拍攝距離等進行算法試驗和精度分析。

3.1 控制點數(shù)量及分布對光束法的影響

3.1.1 控制點數(shù)量對光束法的影響

試驗分別采用室內(nèi)三維精密控制場中的12、16、20、24個控制點進行光束法試驗，其余點作為檢查點。12個控制點方案的控制點分別為三個面上的角點，即點1-1至1-4、2-1至2-4、3-1至3-4。16個控制點方案的控制點組合有3種，即A：點1-1至1-8、2-1至2-4、3-1至 3-4；B：點 1-1 至 1-4、2-1 至 2-8、3-1 至 3-4；C：點 1-1 至 1-4、2-1至2-4、3-1至3-8。20個控制點方案的控制點組合有3種，即A：點101-108、201-208、301-304； B：點 101-108、201-204、301-308；C：點1-1至1-4、2-1至2-8、3-1至3-8。24個控制點方案的控制點組合為：點1-1至1-8、2-1至2-8、3-1至3-8。不同控制點數(shù)量的光束法計算結(jié)果如表1。由表1可以看出，在其他條件一致，僅控制點數(shù)量不同時，所選控制點越多，光束法精度越高。

表1 控制點數(shù)量對光束法精度的影響

3.1.2 控制點分布（位置分布）對光束法的影響

鑒此，村落民俗志書寫是不能不將歷史學(xué)與民俗學(xué)的研究方法加以綜合運用的。就學(xué)科傳統(tǒng)而言，歷史學(xué)追求對“真相”的探索，其研究強調(diào)證實或辨?zhèn)?，而民俗學(xué)則關(guān)注民眾文化的記憶、傳承與運用。真正意義上的村落研究，不僅是要呈現(xiàn)被遮蔽已久的村民生活與文化，還要呈現(xiàn)村民的文化實踐及價值建構(gòu)的過程。遺憾的是，后者至今仍為包括民俗學(xué)者在內(nèi)的眾多學(xué)人所輕忽。

試驗分別從3個面取3-5個（共12個）控制點，按照控制點位置分布狀態(tài)，分別設(shè)計了控制點呈均勻分布、集中分布和四周分布三種控制點組合方式，其中集中分布并非指所選控制點均分布于像片中心附近，而是密集分布于控制場其他某一處。由表2可以看出，當(dāng)控制點均勻分布，或者布滿整個控制場時，其精度比控制點集中分布于控制場中心精度要高得多。

表2 控制點位置分布狀態(tài)對光束法的影響（定焦L）

3.2 相機分辨率對光束法的影響

按照常識，在相同拍攝條件及其他因素相同的情況下，相機分辨率越高，拍出的像片越清晰，而像片的清晰度決定著像片量測工作的精度[9-12]。本實驗將用數(shù)據(jù)來驗證以上常識，并對相機分辨率與光束法的關(guān)系作出定量分析。由表3可以看出，在相同拍攝模式下，相機分辨率（表中分辨率見文中2.1）越高，光束法精度越高；在相同相機分辨率的情況下，定焦比實時對焦的光束法效果要好。

表3 不同相機分辨率對光束法的影響

3.3 實時對焦自檢校光束法的適用距離（與定焦對比）

隨著相機拍攝距離增加，控制點標(biāo)志像片上的大小比例變小，像片量測的難度也隨之增加；實時對焦（變焦）與定焦模式拍攝下的像片，其量測結(jié)果也將不一樣。試驗分別對同一距離變焦與定焦，不同距離變焦與定焦的結(jié)果進行對比。

表4 室內(nèi)控制場變焦與定焦模式下光束法精度對比

表5 室外控制場拍攝距離30米變焦與定焦模式下光束法精度對比

表6 室外控制場拍攝距離200米變焦與定焦模式下光束法精度對比

綜合表4、表5、表6的試驗結(jié)果可以看出，用同樣模式拍攝像對，拍攝（量測）距離近，則光束法精度高;在遠距離拍攝控制場中，實時對焦模式比固定對焦模式拍攝下的光束法精度要略高。

4 不同處理方法下光束法算法試驗及特性分析

鑒于光束法存在未知數(shù)多且相互干擾大、參數(shù)檢校精度不高等缺點，本文針對內(nèi)方位是否已知以及子像元量測精度的不同處理方法，對光束法進行算法試驗及特性分析。

4.1 內(nèi)方位已知/未知條件下的光束法精度對比

內(nèi)方位元素作為已知/未知數(shù)類型進行光束法計算時，運算過程中參與控制與檢查的參數(shù)不同，平差結(jié)果也不同，這樣使得光束法結(jié)果也不同。本實驗通過光束法計算結(jié)果，定量分析內(nèi)方位元素已知/未知的光束法精度對比。

該試驗方案采用室內(nèi)控制場數(shù)據(jù)，將內(nèi)方位元素分別作為未知/已知數(shù)類型進行計算。控制點選取控制場三個面上的共12個角點，即點1-1至1-4、2-1至2-4和3-1至3-4，其余控制點作為檢查點參與平差計算。由表7可知，在選取相同控制點的情況下，內(nèi)方位元素作為未知數(shù)時光束法精度比內(nèi)方位作為已知數(shù)時要高。

表7 內(nèi)方位元素已知/未知的光束法精度對比

4.2 子像元量測對光束法精度的影響。

子像元量測對光束法的影響是指相片量測得到的相片坐標(biāo)直接參與光束法計算和相片量測得到的相片坐標(biāo)四舍五入取整后參與光束法計算對光束法精度的影響。試驗分兩組進行，分別以近距離拍攝的控制場和中距離拍攝的控制場數(shù)據(jù)分別進行光束法試驗，從而對比其精度，探討光束法特性。

室內(nèi)控制場所選的控制點為三個面上的角點，即點1-1至1-4、2-1至2-4和3-1至3-4共12個點，其余點作為檢查點參與計算。

室外控制場選擇 1、2、7、8、13、14 號共 6 個點進行光束法計算，其余點作為檢查點參與平差計算。

表8 室內(nèi)控制場子像元量測對光束法精度的影響

表9 室外控制場子像元量測對光束法精度的影響

由表8可以看出，在近距離拍攝距離試驗中，當(dāng)像片量測所得相片坐標(biāo)四舍五入取整后，光束法精度相差不大；由表9可以看出，在中距離拍攝試驗中，當(dāng)相片量測所得坐標(biāo)四舍五入取整后，光束法精度明顯降低。

綜合以上2個試驗的結(jié)果，可知：當(dāng)相機拍攝距離很遠時，像片上單個像元代表的實際面積大，故相片坐標(biāo)取整后光束法精度會大幅度降低，即像片量測時在子像元內(nèi)部量測的結(jié)果比以子像元為單位量測的結(jié)果進行光束法時精度要高。

5 結(jié)論

本文按照不同物像條件、采用不同處理方法，分別對光束法進行算法試驗和特性分析。根據(jù)試驗結(jié)果，可得以下光束法特性：

（1）在試驗中，當(dāng)光束法計算條件一致，僅所選控制點數(shù)量不同時，所選取的控制點越多，光束法精度越高；在所選控制點數(shù)量相同的情況下，僅位置分布不一樣時，控制點呈均勻分布比控制點無規(guī)律分布時光束法精度高；當(dāng)控制點數(shù)量相同時，控制點均勻分布或布滿整個控制場的光束法精度比控制點集中分布的精度要高。

（2）獲取像對時，在相同拍攝模式下，相機分辨率越高，光束法精度越高；用相同相機分辨率拍攝時，固定對焦模式比實時對焦模式拍攝像對更符合光束法的精度要求。

（3）在分別進行了近距離拍攝試驗場試驗、中距離拍攝試驗場試驗、遠距離拍攝試驗場試驗，經(jīng)實時對焦與固定對焦處理對比結(jié)果得出，像片拍攝距離越近，光束法算法精度越高；在遠距離拍攝控制場中，實時對焦模式比固定對焦模式的光束法精度略高。

（4）在光束法其他試驗條件相同情況下，無論內(nèi)方位元素初值是給定還是相機檢校得出，其作為未知數(shù)比作為已知數(shù)得到的光束法精度要高，這與光束法其他參數(shù)參與平差有一定關(guān)系，具體情況未在本論文研究范圍內(nèi)。

（5）像片量測以像元為單位，當(dāng)量測得到的像方坐標(biāo)進行四舍五入取整后，光束法精度降低。

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