黃 健，鄒學(xué)忠

(江蘇省測繪工程院，江蘇南京 210013)

輔助定向法空中三角測量區(qū)域網(wǎng)布控方案分析

黃 健，鄒學(xué)忠

(江蘇省測繪工程院，江蘇南京 210013)

設(shè)置了輔助定向法空中三角測量區(qū)域網(wǎng)劃分和地面控制點布設(shè)的不同方案，通過試驗驗證并比較其精度，試圖找出一種合理的、適用于實際生產(chǎn)作業(yè)的輔助定向法空中三角測量區(qū)域網(wǎng)布控方案。本文貼近作業(yè)生產(chǎn)，切合實際，對于測繪生產(chǎn)具有較好的參考作用。

POS；ISO；航空攝影測量；空中三角測量；區(qū)域網(wǎng)

一、引 言

輔助定向法[1](integrated sensor orientation，ISO)是機載POS輔助航空攝影測量技術(shù)的一種空中三角測量方法，又稱為集成傳感器定向法，是采用IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)，得到每張像片的外方位元素，與地面控制點共同參與空中三角測量，再進行定向測圖的航空攝影測量方法。

當GPS、IMU與航攝儀三者之間的空間關(guān)系未知或不精確時，需要有適量的地面控制點參與，通過將DGPS/IMU系統(tǒng)獲取的三維空間坐標和空間姿態(tài)數(shù)據(jù)作為空中三角測量的附加觀察值參與區(qū)域網(wǎng)平差，從而高精度獲取每張像片的外方位元素[2]。

輔助定向法實際上是在現(xiàn)階段利用POS數(shù)據(jù)進行直接定向無法達到項目生產(chǎn)精度要求時的一種折中方案。采用布設(shè)一定數(shù)量的地面控制點，通過空中三角測量的方法，實現(xiàn)更加精確的定姿定向。它相比于直接定向法[1](direct georeferencing，DG)，實現(xiàn)了更加精確的定向結(jié)果。它相比于常規(guī)光束法空中三角測量，由于有POS數(shù)據(jù)的附加觀測值的參與，能夠大大減少所需要的地面控制點的數(shù)目。由于既有POS數(shù)據(jù)的約束，又有地面控制點的約束，輔助定向法具有比直接定向法和常規(guī)光束法空中三角測量更好的容錯能力和粗差剔除能力。

常規(guī)航空攝影測量中，控制測量是一個耗時耗力，又必不可少的環(huán)節(jié)。一個區(qū)域網(wǎng)需要布設(shè)大量的地面控制點才能滿足相關(guān)精度要求。而根據(jù)POS輔助航空攝影測量輔助定向法空中三角測量的相關(guān)理論，僅需少量地面控制點布設(shè)即可滿足空中三角測量的精度要求。但是，少量究竟可以少到一個怎樣的程度，目前相關(guān)文獻還沒有定論。本文試圖通過結(jié)合與實際生產(chǎn)相關(guān)的一系列試驗，給出一個符合江蘇省基礎(chǔ)測繪生產(chǎn)實際情況的較合理的POS輔助航空攝影測量輔助定向法空中三角測量控制點布設(shè)方案。

二、試驗概況

本文中相關(guān)的一系列試驗為江蘇省測繪地理信息局科研基金項目《機載POS技術(shù)在省級基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)更新中的應(yīng)用研究》課題項目的一部分。該科研項目結(jié)合省級基礎(chǔ)測繪生產(chǎn)，試圖為江蘇省“十二五”省級基礎(chǔ)測繪1∶10 000數(shù)據(jù)更新項目的生產(chǎn)探索出一條可行的技術(shù)路徑。

根據(jù)區(qū)域網(wǎng)布點原則，有“……采用數(shù)字攝影資料時，區(qū)域的航線數(shù)不宜超過12條，基線數(shù)不宜超過32條，……控制點跨度應(yīng)符合：航向≤8條基線，旁向≤6條航線……”[3]的規(guī)定。在實際作業(yè)中，如按此最低要求進行區(qū)域網(wǎng)布設(shè)，高程精度往往不能滿足作業(yè)精度要求。因此，實際生產(chǎn)中通常是采用“丘陵地區(qū)以不大于4條航線，航向相鄰控制點間的跨度不大于6條基線布設(shè)像控點，32條基線為一個區(qū)域網(wǎng)?！瓍^(qū)域網(wǎng)劃分的航線仍為4條航線，但航向跨度不得大于8條基線”的方式進行區(qū)域網(wǎng)劃分，并在其中加密布設(shè)高程控制點。因此在實際生產(chǎn)中，一個常規(guī)光束法空三加密區(qū)域網(wǎng)的大小通常為4條航線，不超過200張像片的區(qū)域范圍需要布設(shè)約30個左右的地面控制點。

為比較輔助定向法的布控優(yōu)勢，試驗設(shè)置了3塊不同大小的區(qū)域網(wǎng)及5套控制方案：

1)第1塊區(qū)域網(wǎng)設(shè)置為包含5條航線，共計200張航片的區(qū)域網(wǎng)，選用5個平高地面控制點作為基本定向點進行控制，選用4個平高地面控制點作為檢查點，記為常規(guī)區(qū)域網(wǎng)方案(S方案)。其區(qū)域劃分和布控如圖1所示。

圖1 常規(guī)區(qū)域網(wǎng)布設(shè)略圖

2)第2塊區(qū)域網(wǎng)設(shè)置為包含13條航線，共計633張像片的區(qū)域網(wǎng)，分別選用1個、4個和9個平高地面控制點作為基本定向點進行控制，若干個平高地面控制點作為檢查點，記為較大型區(qū)域網(wǎng)單點控制方案(M1方案)、較大型區(qū)域網(wǎng)4點控制方案(M4方案)和較大型區(qū)域網(wǎng)9點控制方案(M9方案)。其區(qū)域劃分和布控如圖2所示。

圖2 較大型區(qū)域網(wǎng)布設(shè)略圖

3)第3塊區(qū)域網(wǎng)設(shè)置為包含11條航線，共計1045張像片的區(qū)域網(wǎng)，選用8個平高地面控制點作為基本定向點進行控制，選用6個平高地面控制點作為檢查點，記為大型區(qū)域網(wǎng)方案(L方案)。其區(qū)域劃分和布控如圖3所示。

圖3 大型區(qū)域網(wǎng)布設(shè)略圖

在一系列ISO法POS輔助空中三角測量前，機載POS系統(tǒng)采用一個單架次，包含4條航線，共計92張像片的區(qū)域網(wǎng)，使用36個地面平高點進行基本定向的區(qū)域網(wǎng)實施空三加密進行過系統(tǒng)檢校和改正。

三、空中三角測量

試驗中，該5套方案區(qū)域網(wǎng)的空中三角測量均采用在INPHO攝影測量系統(tǒng)中的MATCH-AT功能組件下施測。通過空中三角測量加密解算，加密解算成果精度指標如下。

1.S方案ISO法空三加密指標

(1)基本定向點精度指標

空三加密后，X方向基本定向點殘差最大為0.304 m，Y方向基本定向點殘差最大為0.343 m，符合限差(平地3 m)要求。Z方向基本定向點殘差最大為0.071 m，符合限差(平地0.22 m)要求[4]。

(2)檢查點精度指標

X方向檢查點的不符值最大為0.289 m，Y方向檢查點的不符值最大為0.212 m，符合限差(平地3.5 m)要求。Z方向檢查點的不符值最大為0.202 m，符合限差(平地0.3 m)要求[4]。

(3)連接點精度指標

X方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.072 m，Y方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.077 m，符合平面位置中誤差(平地3.5 m)要求。Z方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.109 m，符合高程中誤差(平地0.3 m)要求。連接點上下視差最大殘差為 2.7 um，連接點上下視差中誤差為0.6 um，符合相對定向精度要求[4]。

2.M1方案ISO法空三加密指標

(1)基本定向點精度指標

由于僅轉(zhuǎn)刺了一個基本定向點，空三加密平差后，平面、高程方向誤差均為0，滿足限差要求[4]。

(2)檢查點精度指標

X方向檢查點的不符值最大為0.955 m，Y方向檢查點的不符值最大為1.129 m，符合限差(平地3.5 m)要求。Z方向檢查點的不符值最大為1.213 m，不符合限差(平地0.3 m)要求[4]。

(3)連接點精度指標

X方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.161 m，Y方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.162 m，符合平面位置中誤差(平地3.5 m)要求。Z方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.133 m，符合高程中誤差(平地0.3 m)要求。連接點上下視差最大殘差為 3.7 um，連接點上下視差中誤差為0.7 um，符合相對定向精度要求[4]。

3.M4方案ISO法空三加密指標

(1)基本定向點精度指標

空三加密后，X方向基本定向點殘差最大為0.314 m，Y方向基本定向點殘差最大為0.278 m，符合限差(平地3 m)要求。Z方向基本定向點殘差最大為0.044 m，符合限差(平地0.22 m)要求[4]。

(2)檢查點精度指標

X方向檢查點的不符值最大為0.791 m，Y方向檢查點的不符值最大為0.873 m，符合限差(平地3.5 m)要求。Z方向檢查點的不符值最大為0.880 m，不符合限差(平地0.3 m)要求[3]。

(3)連接點精度指標

X方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.089 m，Y方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.091 m，符合平面位置中誤差(平地3.5 m)要求。Z方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.093 m，符合高程中誤差(平地0.3 m)要求。連接點上下視差最大殘差為 3.1 um，連接點上下視差中誤差為0.7 um，符合相對定向精度要求[4]。

4.M9方案ISO法空三加密指標

(1)基本定向點精度指標

空三加密后，X方向基本定向點殘差最大為0.278 m，Y方向基本定向點殘差最大為0.352 m，符合限差(平地3 m)要求。Z方向基本定向點殘差最大為0.075 m，符合限差(平地0.22 m)要求[4]。

(2)檢查點精度指標

X方向檢查點的不符值最大為0.196 m，Y方向檢查點的不符值最大為0.249 m，符合限差(平地3.5 m)要求。Z方向檢查點的不符值最大為0.299 m，符合限差(平地0.3 m)要求[4]。

(3)連接點精度指標

X方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.041 m，Y方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.044 m，符合平面位置中誤差(平地3.5 m)要求。Z方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.079 m，符合高程中誤差(平地0.3 m)要求。連接點上下視差最大殘差為 3.1 um，連接點上下視差中誤差為0.7 um，符合相對定向精度要求[4]。

5.L方案ISO法空三加密指標

(1)基本定向點精度指標

空三加密后，X方向基本定向點殘差最大為0.351 m，Y方向基本定向點殘差最大為0.516 m，符合限差(平地3 m)要求。Z方向基本定向點殘差最大為0.098 m，符合限差(平地0.22 m)要求[4]。

(2)檢查點精度指標

X方向檢查點的不符值最大為0.282 m，Y方向檢查點的不符值最大為0.416 m，符合限差(平地3.5 m)要求。Z方向檢查點的不符值最大為0.272 m，符合限差(平地0.3 m)要求[4]。

(3)連接點精度指標

X方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.065 m，Y方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.066 m，符合平面位置中誤差(平地3.5 m)要求。Z方向連接點對最近野外控制點中誤差為0.083 m，符合高程中誤差(平地0.3 m)要求。連接點上下視差最大殘差為 4.0 um，連接點上下視差中誤差為0.7 um，符合相對定向精度要求[4]。

四、精度檢測

運用MapMatrix系統(tǒng)對以上5套方案生產(chǎn)的成果數(shù)據(jù)進行精度檢測。在內(nèi)業(yè)立體環(huán)境下采用量測已知點位的方式實施精度檢測。其檢測精度數(shù)據(jù)如下。

1.S方案精度檢測指標

S方案選擇測區(qū)中43個有效地物點作為精度檢測點實施精度檢測，其檢測精度如圖4所示。

圖4 S方案精度統(tǒng)計圖

根據(jù)精度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，平面方向上，X方向最大誤差為1.182 m，Y方向最大誤差為-0.995 m，符合內(nèi)業(yè)測圖平面最大誤差(平地7 m)要求。平面中誤差：X方向為0.455 m，Y方向為0.384 m，D方向為0.595 m，符合內(nèi)業(yè)測圖平面中誤差(平地3.5 m)要求。高程方向最大殘差為-0.715 m，有1個檢測點超過高程注記點最大誤差(平地0.7 m)要求，記為粗差點，占總檢測點數(shù)的2.33%，符合粗差不大于5%的要求。高程方向中誤差為0.330 m，符合內(nèi)業(yè)測圖高程中誤差(平地0.35 m)要求[5]。

2.M1方案精度檢測指標

M1方案選擇測區(qū)中127個有效地物點作為精度檢測點實施精度檢測，其檢測精度如圖5所示。

根據(jù)精度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，平面方向上，X方向最大誤差為-1.159 m，Y方向最大誤差為-2.351 m，符合內(nèi)業(yè)測圖平面最大誤差(平地7 m)要求。平面中誤差：X方向為0.348 m，Y方向為0.635 m，D方向為0.724 m，符合內(nèi)業(yè)測圖平面中誤差(平地3.5 m)要求。高程方向最大殘差為-1.384 m，共計9個檢測點超過高程注記點最大誤差(平地0.7 m)要求，記為粗差點，占總檢測點數(shù)的7.09%，超過粗差點不大于5%的要求，不符合精度統(tǒng)計要求[5]。

圖5 M1方案精度統(tǒng)計圖

3.M4方案精度檢測指標

M4方案選擇測區(qū)中127個有效地物點作為精度檢測點實施精度檢測，其檢測精度如圖6所示。

圖6 M4方案精度統(tǒng)計圖

根據(jù)精度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，平面方向上，X方向最大誤差為-1.309 m，Y方向最大誤差為-2.057 m，符合內(nèi)業(yè)測圖平面最大誤差(平地7 m)要求。平面中誤差：X方向為0.393 m，Y方向為0.479 m，D方向為0.620 m，符合內(nèi)業(yè)測圖平面中誤差(平地3.5 m)要求。高程方向最大殘差為-1.326 m，共計7個檢測點超過高程注記點最大誤差(平地0.7 m)要求，記為粗差點，占總檢測點數(shù)的4.72%，符合粗差點不大于5%的要求，高程方向中誤差為0.322 m，符合內(nèi)業(yè)測圖高程中誤差(平地0.35 m)要求[5]。

4.M9方案精度檢測指標

M9方案選擇測區(qū)中254個有效地物點作為精度檢測點實施精度檢測，其檢測精度如圖7所示。

根據(jù)精度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，平面方向上，X方向最大誤差為1.639 m，Y方向最大誤差為-2.048 m，符合內(nèi)業(yè)測圖平面最大誤差(平地7 m)要求。平面中誤差：X方向為0.419 m，Y方向為0.520 m，D方向為0.668 m，符合內(nèi)業(yè)測圖平面中誤差(平地3.5 m)要求。高程方向最大殘差為-1.231 m，共計11個檢測點超過高程注記點最大誤差(平地0.7 m)要求，記為粗差點，占總檢測點數(shù)的4.33%，符合粗差點不大于5%的要求。高程方向中誤差為0.310 m，符合內(nèi)業(yè)測圖高程中誤差(平地0.35 m)要求[5]。

圖7 M9方案精度統(tǒng)計圖

5.L方案精度檢測指標

L方案選擇測區(qū)中402個有效地物點作為精度檢測點實施精度檢測，其檢測精度如圖8所示。

圖8 L方案精度統(tǒng)計圖

根據(jù)精度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，平面方向上，X方向最大誤差為-2.152 m，Y方向最大誤差為-2.416 m，符合內(nèi)業(yè)測圖平面最大誤差(平地7 m)要求。平面中誤差：X方向為0.420 m，Y方向為0.560 m，D方向為0.699 m，符合內(nèi)業(yè)測圖平面中誤差(平地3.5 m)要求。高程方向最大殘差為-0.761 m，有1個檢測點超過高程注記點最大誤差(平地0.7 m)要求，記為粗差點，占總檢測點數(shù)的0.25%，符合粗差點不大于5%的要求。高程方向中誤差為0.254 m，符合內(nèi)業(yè)測圖高程中誤差(平地0.35 m)要求[5]。

五、數(shù)據(jù)分析

通過以上精度指標統(tǒng)計可以看出：當區(qū)域網(wǎng)范圍與常規(guī)空三加密區(qū)域網(wǎng)范圍相近時，采用ISO法實施空中三角測量，僅需5個地面控制點即可實現(xiàn)常規(guī)空三加密需30個左右地面控制點才能達到的精度水平。考慮到ISO法若進行POS系統(tǒng)檢校還需32個地面控制點，看似其方法并不經(jīng)濟。但是，整個測區(qū)應(yīng)包括若干個區(qū)域網(wǎng)，而在較短周期完成航攝的前提下，僅需1～2次系統(tǒng)檢校。因此，宏觀上看，ISO法比常規(guī)空三需要更少的地面控制，且測區(qū)越大，其能效比越高。

劃分的區(qū)域網(wǎng)，范圍從200張像片，增加到633張像片，再增加到1045張像片，地面布設(shè)的控制點為5個、9個、8個。采用ISO法實施空三加密，無論是加密精度指標還是檢測精度指標均符合內(nèi)業(yè)相關(guān)規(guī)范要求。同時，從精度統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，隨著區(qū)域網(wǎng)范圍的擴大，其精度指標有逐步收斂的趨勢。這是因為隨著區(qū)域網(wǎng)范圍的擴大，其所包含的像片數(shù)增加，隨之作為附加觀測值參與區(qū)域網(wǎng)平差的像片的POS數(shù)據(jù)也增多，其約束條件增多，區(qū)域網(wǎng)的控制強度增強，區(qū)域網(wǎng)整體平差精度提高了。因此，采用ISO法實施空三加密完全可以劃分比常規(guī)區(qū)域網(wǎng)加密大得多的范圍來實施加密，且地面控制密度要求明顯降低，外業(yè)控制作業(yè)工作量明顯減少。在條件允許時，區(qū)域網(wǎng)應(yīng)劃分得盡量大一些更能體現(xiàn)ISO法POS輔助空中三角測量的優(yōu)勢。由于本次試驗受數(shù)據(jù)及設(shè)備條件限制，未劃分更大范圍的區(qū)域網(wǎng)進行精度驗證。

對于633張像片的區(qū)域，當采用單點實施地面控制時，加密過程中檢查指標超限，其精度檢測精度也不合要求。其主要是高程方向精度不合要求，這與實施單點控制除POS數(shù)據(jù)外沒有其他條件約束，而POS數(shù)據(jù)本身高程就沒有那么高的精度水平有關(guān)。因此，單點地面控制的ISO法空三加密方案不可行。當采用四角點地面布控方式時，加密過程中的檢查指標超限，也反映在高程方向，但精度檢測時，成果尚能滿足內(nèi)業(yè)測圖要求。這說明，四角布控方式結(jié)構(gòu)不是很穩(wěn)定，受數(shù)據(jù)誤差影響較大，采用ISO法空三加密時，網(wǎng)的強度較低，可靠性低。因此，四角點地面控制也不是理想的ISO法空三加密方案。當采用周邊加內(nèi)部均勻較布設(shè)9個地面控制點方案實施ISO法空三加密時，加密及精度檢測各項指標均符合相關(guān)規(guī)范的要求。結(jié)合當區(qū)域網(wǎng)劃分有1045張像片時，用8個均勻布設(shè)8個地面控制點方案實施ISO法空三加密時，加密及精度檢測指標與之相當?shù)氖聦?，說明地面控制在達到8～9個點時，區(qū)域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)穩(wěn)定，且其布控方式較為合理，其方式滿足相關(guān)規(guī)范精度要求。因此，采用周邊布控加中內(nèi)部檢核的控制布設(shè)實施ISO法空三加密方案是較為合適的區(qū)域網(wǎng)空三加密方式。

六、結(jié)束語

機載POS輔助航空攝影測量對于我國測繪行業(yè)來說發(fā)展時間還不長，相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范還不能做到面面俱到，其在機載POS輔助航空攝影測量的區(qū)域網(wǎng)劃分和布設(shè)方面還沒有一個明確的規(guī)定。通過相關(guān)的技術(shù)試驗和探索，本文得出了“運用ISO法POS輔助空中三角測量，采用合適的區(qū)域網(wǎng)劃分和地面控制，完全可以滿足航空攝影測量內(nèi)業(yè)生產(chǎn)要求”，“運用ISO法POS輔助空中三角測量，適當采用更大范圍的區(qū)域網(wǎng)，更能體現(xiàn)該技術(shù)的能效優(yōu)勢”等的結(jié)論。

通過對機載POS技術(shù)的更深層次的研究和應(yīng)用，勢必可以挖掘出該技術(shù)更多的優(yōu)勢和應(yīng)用方案，而其技術(shù)工藝流程也將更加成熟，并將在我國基礎(chǔ)測繪生產(chǎn)乃至其擴展領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 27919—2011 IMU/ GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2012.

[2] 王樹根.攝影測量原理與應(yīng)用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJJ/T 8—2011城市測量規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 23236—2009數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2009.

[5] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 13990—2012 1∶5000 1∶10 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2012.

Analysis of Auxiliary Directional Aerial Triangulation Regional Network Control Plan

HUANG Jian，ZOU Xuezhong

P231

B

0494-0911(2014)07-0070-05

2013-03-21

2011年度江蘇省測繪科研項目(JSCHKY201116)

黃 健(1975—)，男，江蘇啟東人，高級工程師，研究方向為攝影測量與遙感、數(shù)字城市建設(shè)與應(yīng)用等。

黃健，鄒學(xué)忠.輔助定向法空中三角測量區(qū)域網(wǎng)布控方案分析[J].測繪通報，2014(7)：70-74.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0229