劉竹均 王 義

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川成都 610083)

?

基于Xpro系統(tǒng)的ADS影像航測制圖流程探討

劉竹均 王 義

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川成都 610083)

結(jié)合某鐵路ADS攝影1∶2 000航測制圖項目，系統(tǒng)總結(jié)ADS影像基于Leica Xpro系統(tǒng)從GPS/IMU數(shù)據(jù)計算到空三加密和立體測圖的全套流程及相關(guān)技術(shù)要點。

Leica Xpro ADS80 空三加密 立體測圖

2008年7月，瑞士徠卡公司在第21屆ISPRS大會上推出了基于線陣CCD掃描機載數(shù)字航空攝影測量系統(tǒng)Leica ADS80。ADS80采用高精度POS系統(tǒng)，集成了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和高精度的慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)(IMU)，能夠有效保證獲取到每條影像較為精確的外方位元素，減少外控作業(yè)，提升空三精度。另外，該系統(tǒng)采用三線陣CCD掃描和專業(yè)的單一大孔徑鏡頭，一次飛行就可同時獲取具有完整三度重疊，連續(xù)無縫且具有相同影像分辨率的前、下、后視長條帶全色和多光譜立體影像，能一定程度上減少立體測圖的模型拼接和定向環(huán)節(jié)，提升測圖精度和效率?；谏鲜鎏攸c，ADS80影像數(shù)據(jù)對于條帶狀鐵路的航測制圖具有良好的應(yīng)用前景。

ADS80影像數(shù)據(jù)隨處理流程推進共分L0、L1、L2三級影像，傳感器直接獲取得到的L0級影像存在較大影像畸變，且ADS80影像數(shù)據(jù)屬于多線陣推掃式成像模型，與傳統(tǒng)單中心成像模型的框幅式影像在成像原理上有本質(zhì)的區(qū)別，傳統(tǒng)的空三處理軟件無法直接解析處理。就此，徠卡公司推出Xpro軟件，并嵌入了現(xiàn)時主流的Orima平差模塊，提供了從傳感器影像下載到影像定向輸出的一體化數(shù)據(jù)處理解決方案，能夠有效提升ADS影像數(shù)據(jù)的生產(chǎn)處理效率。

利用某鐵路ADS80影像數(shù)據(jù)，探索基于Leica Xpro軟件的ADS80影像數(shù)據(jù)處理流程，總結(jié)相關(guān)技術(shù)要點和作業(yè)經(jīng)驗，為鐵路航測內(nèi)業(yè)制圖工作提供高精度、高效率的解決方案。

1 ADS80影像處理和測圖流程

ADS80的影像處理和測圖流程如圖1。

圖1 ADS80影像處理和測圖流程

1.1 影像數(shù)據(jù)下載和預(yù)處理

數(shù)據(jù)下載是指從數(shù)據(jù)存儲器中拷貝和提取包含gps-imu實時軌線文件(trajectory)、影像數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)支持文件等從航飛系統(tǒng)中獲取得到的ADS相關(guān)數(shù)據(jù)，并使用IPAS軟件下載精密星歷，解算ADS航帶外方位元素。然后通過Xpro系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，將相關(guān)地理數(shù)據(jù)和影像建立起對應(yīng)的地理坐標(biāo)關(guān)系和關(guān)聯(lián)信息，匹配像點地理信息坐標(biāo)，建立影像金字塔，為后面的空三加密提供數(shù)據(jù)準備支持。另外，在數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊中，還可直接輸出快速L2級正射影像。

1.2 空三加密流程

利用IPAS軟件解算的ADS航帶外方位元素可以對航帶數(shù)據(jù)進行初步定向，但為保證鐵路航測1∶2000測圖精度，還需通過空三加密流程進一步匹配ADS航帶三視影像間、航帶與航帶之間的連接點以及加密地面控制點，從而進行更加精準的相對和絕對定向；同時糾正IMU的匹配偏差，修正基準面的偏移。ADS80的空三處理可使用XPRO軟件的空三準備和處理模塊完成，共包括以下五個流程。

(1)創(chuàng)建工程

在Xpro系統(tǒng)中的“空三準備”模塊創(chuàng)建空三工程(Block)，創(chuàng)建的過程共計以下三道工序：①整合工程所包含的全部條帶數(shù)據(jù)，條帶數(shù)據(jù)存儲在航帶測區(qū)文件夾中的*.stp文件；②設(shè)置工程坐標(biāo)參數(shù)，用戶可自定義所需的地理或投影坐標(biāo)系，另外還可在系統(tǒng)中添加測區(qū)內(nèi)的軌線*.sol文件，自動計算投影帶信息；③引入地面控制點數(shù)據(jù)。

(2)APM自動同名點匹配

調(diào)用空三模塊下的APM程序自動匹配ADS航帶連接點，連接點的提取是基于ADS L0級影像及其對應(yīng)的*.sup數(shù)據(jù)支持文件。APM程序提供三種自動連接點提取模式：INLINE_ONLY，TRANSFER_ONLY和FULL模式，分別對應(yīng)航帶內(nèi)三視重疊影像的連接點提取、航帶間的連接點提取、航帶內(nèi)與航帶間連接點提取。為增強條帶間多視影像的連接，本測區(qū)采用FULL模式提取自動同名點。另外，加密人員還可根據(jù)地形起伏的程度，調(diào)整匹配起始像素、匹配間隔、搜索窗口等同名點匹配策略。

(3)控制點量測

在創(chuàng)建工程的流程中已經(jīng)將野外控制點坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入空三工程，而在空三處理模塊中，加密人員需要參考航測外業(yè)刺點成果示意圖，加密準確的控制點點位。加密人員可以選擇手工量測模式，也可以選擇“cross-correlation”模式自動匹配同名點。另外，還可根據(jù)需要在控制點量測窗口對影像的對比度進行調(diào)節(jié)。

(4)區(qū)域網(wǎng)平差

程序自動提取的相對定向連接點以及人工加密的野外地面控制點通過創(chuàng)建“項目方案(Scenario)”得以保存。項目方案是指向某一特定空三工程的一組條帶數(shù)據(jù)(包括空三工程數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、條帶信息和軌線文件等)以及空三加密的相關(guān)參數(shù)設(shè)定(包括地面控制點位、連接點位和檢查點位等)；空三加密過程中的平差解算就是在項目方案中執(zhí)行的。

因此，在自動連接點、地面控制點提取和量測完成后，需要建立項目方案，保存定向點點位；同時通過觸發(fā)空三模塊嵌入的ORIMA光束法平差模塊，在迭代的過程中自動比對地面點精度，剔除粗差連接點，調(diào)整控制點準確位置，提高ADS條帶影像的定向精度。平差結(jié)果的評定主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①單位權(quán)中誤差sigma值穩(wěn)定且保持在1.0～3.0 μm之間時；②GPS、IMU的方差分量保持在0.8～1.2之間，在調(diào)整方差分量時，需勾選automatically adjust variance component允許系統(tǒng)，在平差過程中自動調(diào)整方差分量，調(diào)整結(jié)果如圖2所示；③在加密1∶2 000測圖影像時，地面控制點x、y、z的殘差調(diào)至1 m以下。本項目測區(qū)控制點水平和高程精度都在1 m以下，滿足鐵路工程攝影測量規(guī)范1∶2 000地形圖的成圖要求，統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。

圖2 單位權(quán)中誤差與GPSIMU方差分量調(diào)整結(jié)果

圖3 測區(qū)控制點精度統(tǒng)計

(5)結(jié)果改進與保存

如果由于連接點過少而引起條帶連接效果不好，可在“基本參數(shù)”標(biāo)簽欄下勾選“Densify points if needed”(如圖4所示)，以增加自動同名點的匹配；或是人工增加連接點增強連接和定向精度。調(diào)整完成后，點擊“write to block”，將項目方案中的平差定向結(jié)果保存到空三工程中。

圖4 加密連接點匹配

1.3 L1級影像輸出和處理

ADS的L1級空三加密影像在Xpro系統(tǒng)中的“產(chǎn)品生成”模塊中進行輸出。在加載完空三工程后，設(shè)置影像的輸出參數(shù)，然后執(zhí)行輸出。參數(shù)的內(nèi)容包括影像的類型(該模塊中可以輸出多個光譜通道的L1級和L2級影像)、輻射糾正方法、圖片參數(shù)、投影信息、輸出范圍和存儲路徑。輸出的產(chǎn)品包括：影像*.tif文件，數(shù)據(jù)支持文件*.sup，航線信息和影像索引文件*.ads，姿態(tài)及定向文件*.odf和平差定向文件*.odf.adj。此時，長條帶的ADS影像被自動裁剪為多個小塊，每個條帶的裁剪影像索引儲存在*.ads文件中，并由*.ads文件鏈接到條帶支持文件*.sup中。另外，輸出的影像還需要在Photoshop中進行對比度和色調(diào)的調(diào)整，以更好的適應(yīng)測圖。

1.4 JX4模型定向和測圖

JX4測圖軟件內(nèi)嵌“ADS”模塊，可對ADS影像數(shù)據(jù)進行定向和矢量測圖。在定向之前，首先需要組織文件結(jié)構(gòu)，以便系統(tǒng)正確讀取相應(yīng)文件：建立與空三加密工程名稱相同的工程文件夾，影像、索引和定向文件放置在影像子文件夾下，*.sup支持文件直接放在同級目錄下；測區(qū)相機文件放置在系統(tǒng)安裝目錄的ADS文件夾下。文件組織結(jié)構(gòu)建立完成后，更改*.sup文件中*.ads索引文件路徑，使得系統(tǒng)能索引到相應(yīng)的影像路徑，從而進行立體像對絕對定向。

為避免出現(xiàn)由于影像過大造成的JX4卡頓、影像加載不流暢的現(xiàn)象，還可在JX4中進一步裁切影像。裁切的方式是對影像進行橫向裁切，裁切文件如圖5所示。

圖5 JX4測圖ADS影像裁切文件

2 Xpro數(shù)據(jù)處理的經(jīng)驗探討

2.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換問題

Xpro空三工程坐標(biāo)系的建立是基于ADS80數(shù)據(jù)gps-imu實時軌線文件的參考坐標(biāo)系，而鐵路一般呈條帶狀分布，鐵路航測制圖一般要求選用工程獨立坐標(biāo)系進行分段分帶投影，會造成空三工程坐標(biāo)系與成圖坐標(biāo)系不一致的情況。例如本鐵路項目軌線文件的參考坐標(biāo)系是建立在UTM投影坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，而成圖要求是基于CGCS2000坐標(biāo)系分段投影。為簡化流程，本項目采用的方案是在空三加密和測圖流程均使用UTM投影坐標(biāo)系，成圖后再進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，整個流程共涉及到三個坐標(biāo)系要點：

(1)在空三準備階段，引入的地面控制點坐標(biāo)首先要轉(zhuǎn)換為UTM投影坐標(biāo)，使其與空三工程坐標(biāo)系保持一致。

(2)JX4測圖定向時也要使用UTM投影坐標(biāo)，具體的操作方法是更改JX4安裝目錄下JX4G.ini文件中的投影方法，并在定向參數(shù)窗口設(shè)置投影帶號和中央經(jīng)線。

(3)最后將測圖成果進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和換帶處理，以滿足鐵路航測成圖要求。

2.2 控制點布設(shè)與內(nèi)業(yè)加密

在Xpro系統(tǒng)控制點量測過程中無法進行立體量測，因此地面控制點的布設(shè)與傳統(tǒng)航測制圖也有一些區(qū)別。首先，在布設(shè)地面控制點時，應(yīng)著重考慮在條帶間以及同一條帶三視影像間的點位控制；根據(jù)本項目1∶2 000鐵路航測制圖布點經(jīng)驗，可采用類似傳統(tǒng)的五點法布點方式，即在沿鐵路線位兩側(cè)各10 km外控范圍內(nèi)，每兩個ADS條帶間各布設(shè)一對控制點，并沿線位走向每5 km加設(shè)一個控制點。其次，地面控制點的選刺應(yīng)盡量選擇貼近地面的特征點，例如田角、路角等，而諸如房頂角、圍墻頂角等距離地面較高處的特征點，內(nèi)業(yè)加密可能無法準確判識而導(dǎo)致高程誤差，影響控制點和加密精度。

3 結(jié)論

結(jié)合某鐵路ADS攝影1∶2 000航測制圖項目，系統(tǒng)總結(jié)了ADS影像基于Leica Xpro系統(tǒng)從GPS/IMU數(shù)據(jù)解算到空三加密和立體測圖的全套制圖流程以及相關(guān)技術(shù)要點；制圖成果與交叉鐵路線老圖接邊，滿足鐵路工程攝影測量規(guī)范要求。ADS影像對于鐵路航測制圖具有以下優(yōu)勢：(1)ADS系統(tǒng)集成了GPS和IMU，具有高精度POS系統(tǒng)，增強了測區(qū)內(nèi)條帶拼接，提升了模型間的內(nèi)符合精度；(2)長條帶影像較傳統(tǒng)膠片和數(shù)碼片，立體模型數(shù)量減少，從而降低了測圖定向的次數(shù)以及模型間的接邊差；(3)較傳統(tǒng)航測，ADS影像的控制點布設(shè)有所減少，可一定程度上降低外業(yè)工作量，節(jié)約時間和費用成本。因此，ADS影像在鐵路航測制圖工作中有較好的適用性和應(yīng)用前景。

[1] 高立.ADS80航空攝影測量系統(tǒng)的特點與應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2011，34(6):212-214

[2] 許大力.徠卡ADS80 數(shù)字航空攝影測量系統(tǒng)在大比例尺地形圖航測工程中的應(yīng)用[J].中國科技信息，2011(8):50-53

[3] 曹正響.ADS80數(shù)碼影像空三加密流程介紹及問題探討[J].地理空間信息，2012(4):26-28

[4] 李力.ADS80數(shù)碼影像空三加密方法的應(yīng)用研究[J].測繪通報，2013(s1):64-68

[5] 楊愛玲，毛鍵，薛瑩.淺議基于XPRO系統(tǒng)的ADS80影像處理技術(shù)[J].測繪與空間地理信息，2013，36(5):78-79

[6] 喬煒，吳克友，朱傳勇，等.IMU/GPS輔助ADS80數(shù)字航空攝影測量系統(tǒng)的技術(shù)研究[J].地理空間信息，2013(3):106-108

[7] 王鐵軍，鄭福海，郄惠強.ADS80航攝影像在省級基礎(chǔ)測繪中的控制點布設(shè)方案研究[J].地理信息世界，2014(1):97-100

[8] 李英利，高暉，牛芝香.基于JX4系統(tǒng)實現(xiàn)ADS80三線陣立體影像定向建模方法[J].測繪標(biāo)準化，2013(2):39-40

Discussions on the ADS Image Mapping Process Based on XPro

LIU Zhujun WANG Yi

2016-08-18

劉竹均(1990—)，女，2014年畢業(yè)于英國倫敦大學(xué)學(xué)院地理信息技術(shù)專業(yè)，理學(xué)碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)06-0013-04

P231

A