范業(yè)穩(wěn)，李睿碩，周洪波

(1. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079； 2. 武大吉奧信息技術有限公司，湖北 武漢 420223)

高分辨率航帶影像像控點的布設和基準約束測量

范業(yè)穩(wěn)1，李睿碩2，周洪波1

(1. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079； 2. 武大吉奧信息技術有限公司，湖北 武漢 420223)

推掃式航攝儀所獲取的帶狀影像，其每個像素都具有比較準確的WGS-84坐標。帶狀影像模型自成剛體，具有很強的穩(wěn)定性，但其區(qū)域網(wǎng)模型精度在高程方面偏弱。受其自身航帶影像模型剛性和區(qū)域網(wǎng)弱高程模型精度的影響，其像控點布設有其自身的特殊性。在獲取具有多重空間基準約束的像控點的過程中，當在像控區(qū)域中有CORS基站、GPS控制網(wǎng)、水準控制網(wǎng)等多個空間基準類型可以利用時，可利用IGS站點和EGM2008數(shù)據(jù)快速驗證這些基準的應用有效性，避免已有空間基準的潛在問題，這是保證像控點快速和精確獲取的關鍵。

推掃式航空影像；像控點布設；基準約束；像控測量；IGS

由于采用線性CCD作為成像單元，推掃式航空攝影系統(tǒng)需要集成GPS和慣性測量單元(IMU)，在航攝時記錄每條掃描線數(shù)據(jù)的同時能夠記錄每條掃描線的投影中心坐標和姿態(tài)，再通過機載GPS事后差分及與IMU的融合計算可以獲得每個像素比較準確的WGS-84坐標[1-2]。其所形成的航帶影像剛性強，穩(wěn)定性好，直接地理定位精度較高。但是在大比例尺推掃式航空攝影測量應用中，由于所需測繪產(chǎn)品的精度高于航帶影像直接地理定位精度，同時又要保證測繪產(chǎn)品能夠在地方空間基準下的靈活應用，必須對推掃式航攝影像進行空三加密。而進行空三加密，首先必須合理布設和獲取空三加密所需的像片控制點。推掃式航攝影像受其自身航帶影像的剛性和其區(qū)域網(wǎng)弱高程精度的影響，其像片控制點的布設有其自身的特殊性；并且隨著現(xiàn)代測繪技術的快速發(fā)展和應用，在一個測區(qū)中通常有多個空間基準存在，在原始影像基準和目標空間基準的雙重約束下，如何合理利用測區(qū)已有空間基準以保證像控點的快速和精確獲取，是提高航空攝影成果應用效率的關鍵。

1 航帶影像像片控制點布設

無論是面陣式還是線陣式航空影像空三加密，都需要一定數(shù)量的像片控制點。由推掃式航攝儀的成像原理[3-6]可知，通過線陣推掃方式所獲得的航帶影像，其誤差主要來自GPS和IMU因航帶飛行時間而產(chǎn)生的積累誤差，通過采用分段或定向影像技術建立影像成像平差模型，恢復航帶影像后，在x、y平面上，其內(nèi)部像素之間具有很強約束性，整體呈現(xiàn)為剛性，地理定位精度較高；而在Z方向，則主要受航攝時飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定性、速度均勻性及線陣感光元件CMOS本身的制造平整性等質(zhì)量元素影響較大，區(qū)域網(wǎng)模型呈現(xiàn)弱高程精度特征。因此，根據(jù)推掃式航空影像的影像模型誤差特征，以及傳統(tǒng)的像片控制點布設原理，推掃式航帶影像的像控點布設要求設計如下：

(1) 由于推掃式航帶影像的剛性特點，平面控制點的作用主要是將航帶模型歸算到目標基準并平差整個航帶模型的解算誤差，提高模型的平面精度，因此平面控制點的布設宜按宏觀控制整個航帶或測區(qū)的要求布設，航帶模型宜布設在航帶兩端，規(guī)則區(qū)域網(wǎng)宜布設在區(qū)域網(wǎng)周邊角點，不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)按區(qū)域網(wǎng)周邊角點布設，在不規(guī)則部分可適當增加檢查點，如圖 1所示。

圖1 推掃式航帶影像的平面控制點布設方案

(2) 高程控制，因每個點的高程是呈離散分布的，其精度主要與測繪區(qū)域的測量模型與實際模型的符合度相關，且測量模型的平面精度對每個點高程的變化具有一定的約束作用。由于推掃式航帶影像具有較高平面精度，因此其高程主要表現(xiàn)為平差解算過程中傳遞高程分量的方位元素誤差的積累。因此推掃式航帶影像的高程控制點同框幅式航攝影像一樣，應按照精確擬合測繪區(qū)域?qū)嶋H模型起伏和分塊控制誤差積累的目的來布設，宜覆蓋整個測區(qū)，按矩形、品型布設，如圖 1所示，通?？刹捎?、12、21點法來布設，且每個像控點應布設在地面平坦區(qū)域，同時要求最外圍高程控制點連線區(qū)域應包含整個成圖范圍。

(3) 對于像片控制點的測量精度應按照相關規(guī)范要求執(zhí)行，刺點要求則按照內(nèi)業(yè)能夠有效判讀的原則執(zhí)行。

2 基準約束下像片控制點獲取

隨著GPS技術的快速發(fā)展，各地通常同時都有多套空間基準，由于保存和維護不到位，基準成果出現(xiàn)變化，沒有得到及時更新是常見之事。由于航帶影像自身具有WGS-84坐標，為保證該成果能得到靈活應用，需要建立WGS-84與地方坐標、大地高和正常高之間的轉(zhuǎn)換關系?；诂F(xiàn)有多基準的情況，設計一套像片控制點獲取和驗證方案，可減少像控工作因基準的潛在問題而返測的可能，并對基準及時進行維護。

(1) 如果測區(qū)有具有地方坐標的CORS基站或GPS控制點，可采用聯(lián)測IGS(the international GNSS service)站的方式，獲取CORS站或GPS控制點的WGS-84坐標，同時驗證這些控制點已有WGS-84坐標的正確性?？刂泣c與IGS站聯(lián)測的基本原理[8]是通過采用大地型雙頻GPS和天線，使用最新的軌道參數(shù)，觀測24 h，再根據(jù)IGS站點[9]的分布情況，選取合適的IGS站點與待測點組網(wǎng)，并作為區(qū)域網(wǎng)起算點，然后下載同步觀測數(shù)據(jù)，利用成熟的GPS數(shù)據(jù)處理軟件來解求待測點的WGS-84坐標。

(2) 將具有WGS-84三維坐標和地方坐標的控制點與高精度高程控制點聯(lián)測，獲取其高程(1985國家高程基準)驗證起算點高程(1985國家高程基準)的正確性；如果區(qū)域內(nèi)無高精度高程控制點，則根據(jù)空三高程精度要求，參考采用EGM2008全球高程異常數(shù)據(jù)來解求或驗證各控制點已有的正常高。

(3) 采用分級控制的方法推求所有控制點的坐標，解算兩套基準之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，確?？杖讲罹?。

3 方案驗證

3.1 試驗數(shù)據(jù)

試驗區(qū)位于中國西北部，由南北2個航攝分區(qū)構成。北區(qū)約120 km2，測圖比例尺為1∶2000，基準面高700 m，航片GSD為20 cm，相對航高1929 m，旁向重疊35%，9條航線，平均長度30 km；南區(qū)約280 km2，測圖比例尺為1∶5000，基準面高950 m，航片GSD為27 cm，相對航高2604 m，旁向重疊35%，10條航線，平均長度18 km。影像數(shù)據(jù)采用ADS80航攝儀(鏡頭編號1404，焦距62.7 μm，像素6.5 μm)于2012年7月獲取，機載POS數(shù)據(jù)采用JPL精密星歷解算。測區(qū)基礎控制資料包括1個CORS基站，19個E級控制點，4個D級控制點， Ⅰ等和Ⅱ等高程控制點共5個，并參照空三加密布點要求，經(jīng)實地踏勘布設了33個像片控制點，如圖 2所示。

圖2 研究區(qū)航線像控點結合圖

現(xiàn)有空間基準中CORS基站具有WGS-84和地方坐標，在日常修測中經(jīng)常使用；D、E級控制點只有地方坐標和1985國家高程基準高程，高程控制點保存完好，1985國家高程基準高程精度高。因此可以采用本方案來獲取像控點成果。

3.2 測區(qū)控制點與IGS站聯(lián)測

根據(jù)聯(lián)測和檢核要求，提取CORS基站2012年12月16日的獨立觀測記錄，并采用大地型GPS在3個E級點上同時設站(KC288、KC294、KC309)，如圖3所示，與CORS基站形成同步觀測，觀測時間大于8 h，解算軟件采用BERNESE 5.0，坐標框架[10]為IGS08，基于IGS站的長距離相對定位方式來解算。選用的IGS站有ARTU、BADG、BJFS、CHUM、GUAO、IRKJ、KIT3、LHAZ、NRIL、POL2、TEHN、ULAB、URUM，采用的星歷產(chǎn)品為快速星歷產(chǎn)品。在基線解算過程中需對各項誤差進行模型改正， 包括影

響較小的地球物理效應(極移、歲差、章動、潮汐等)。衛(wèi)星軌道采用九參數(shù)光壓模型，接收機鐘差利用改正后的衛(wèi)星位置和偽距觀測值計算而得，對流層采用Saastamoinen模型，映射函數(shù)為niell干濕延遲[11]；電離層采用LC觀測值消電離層方法；每條基線的整周模糊度采用QIF法確定，確定模糊度后，計算各參數(shù)值，包括對流層參數(shù)、坐標等。同時選取GUAO、URUM、POL2這3個IGS站作為參考站，利用另外一款軟件(gamit)驗證解算結果的可靠性，結果顯示CORS基站和KC294的X、Y、Z分量都存在幾毫米的差別(KC309在IGS08和IGS05框架下Y、Z方向的差距分別為15 mm和11 mm)。考慮到固定站選取、兩種軟件解算的策略及框架等因素，可以認為兩種軟件解算的結果基本一致。CORS基站解算結果見表 1。

圖3

聯(lián)測前后經(jīng)度/(° ' ″)緯度/(° ' ″)大地高/mUTM/m備注CORS基站×××××5.7754×××××8.8760×20.163××361.241774××420.247185已知2012-12-16×××××5.809712×××××8.89212×18.053××362.014808××420.724447解算2013-05-13×××××5.809452×××××8.89344×18.040××362.009923××420.765327解算

從解算結果來看，CORS基站已知坐標和聯(lián)測結果之間的坐標差ΔY=0.770 m，ΔX=0.498 m，高程差ΔZ=-2.116 m，WGS-84坐標和高程發(fā)生了變化，避免了因基準誤差可能造成的返測。

3.3 控制點高程的精確獲取

由于測區(qū)內(nèi)有高精度高程控制點，可以采用與高等級水準控制點聯(lián)測的方式來檢測，再利用EGM2008進行驗證的方式來檢驗。通過對測區(qū)內(nèi)已有高等級水準控制點的保存措施和現(xiàn)狀分析，再根據(jù)D、E級點的地形分布，選取需要聯(lián)測的D、E級控制點，并設計高程聯(lián)測方案：利用一等水準控制點奎烏3以四等水準觀測要求采用閉合水準路線對KC294點進行聯(lián)測；以四等水準觀測要求采用閉合水準路線將奎鞏2的高程經(jīng)由DSZ08傳遞到KC309和KC310。結合2008年檢測結果最終可獲得KC288、KC294、KC309、KC310、KC300、KC293和DSZ08的水準高程。通過本次檢測，發(fā)現(xiàn)部分控制點高程變化較大，已超出規(guī)范要求，應采用檢測成果作為起算依據(jù)。根據(jù)檢測結果，解求KC309和KC294的高程異常，并采用EGM2008全球高程異常數(shù)據(jù)[12-13]進行了校驗，見表2。

表2 與IGS聯(lián)測后的控制點高程異常與EGM2008數(shù)據(jù)的對比 m

從表2可知，如果考慮兩個基準在青島水準原點的差別，EGM2008數(shù)據(jù)在本區(qū)域的精度應在10 cm以內(nèi)。因此，在后續(xù)應用中，可直接利用EGM2008數(shù)據(jù)內(nèi)插國家高程基準下的高程值。

3.4 像片控制點獲取和空三驗證

按照分級控制的原則，根據(jù)測區(qū)形狀、地形起伏特點先聯(lián)測具有精確水準高程的點作為首級控制網(wǎng)，整體平差，檢測已有控制點平差后的坐標(MaxΔS=0.02 m)；再利用平差后的D、E級點作為平面和高程擬合起算點整體平差像片控制網(wǎng)，獲取所有點的WGS-84坐標、地方坐標和1985國家高程基準高程。

根據(jù)所獲控制成果，計算坐標轉(zhuǎn)換七參數(shù)。利用Leica XPro 5.2加載航帶影像后自動匹配同名點，未匹配出同名點的區(qū)域由人工補測，調(diào)整誤差偏大的同名點，使相對定向精度滿足要求；進而將像控點刺在影像上，進行約束空三計算，對誤差超限的控制點點位重新進行編輯，直到滿足控制點與檢查點絕對定向精度要求。空三誤差統(tǒng)計結果見表 3。

表3 空三平差中控制點和檢查點的誤差統(tǒng)計值 m

為檢驗空三的精度，將航帶影像引入立體環(huán)境，在立體環(huán)境下量測外業(yè)檢測點的坐標，統(tǒng)計空三精度[14-15]，Mh=0.181 m，Ms=0.269 m，符合規(guī)范[16]要求，可以滿足1區(qū)與2區(qū)成圖精度要求。

4 結 語

根據(jù)對ADS80推掃式航帶影像像控點布設、獲取和空三的分析和試驗結果，可以確定參照本文所提像控點布設方案可以大量減少像控點的數(shù)量，有效平差航帶影像的模型解算誤差，提高區(qū)域網(wǎng)模型的高程精度。同時在基準約束下進行像控點測量時，當利用IGS站點和其他成果來檢測起算點坐標精度時，可有效檢驗或避免因空間基準誤差而導致無法及時獲取正確像控點坐標的情況，提高像控點測量效率。

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Layout and Reference Constraints Surveying of Image Control Points for High-resolution Aerial Strip Images

FAN Yewen1，LI Ruishuo2，ZHOU Hongbo1

(1. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing of Wuhan University,Wuhan 430079, China； 2. Wuda Geoinformatics Co. Ltd., Wuhan 420223， China)

Each pixel of strip image obtained by push-broom aerial photography system has precise coordinates of WGS-84. The stereo-model formed by aerial strip image is rigid, bearing strong stability, but has low precision inZcoordinateaftercarriedonaerialtriangulationadjustment.Becauseofinfluencedbymodel’srigidityandthelowprecisionofmodel’sZcoordinate,layoutofmodel’simagecontrolpointsforaerialtriangularadjustmentisdifferentfromothersituationsandhasitsownparticularity.Whensurveyingtheimagecontrolpointsiscarriedonundermulti-spatialreferenceconstraintswithoutotherchoices,includingCORSbasestation,GPScontrolnetwork,levelcontrolnetworketc.inaerialphotographregion.ItiskeypointtovalidatethecoordinateprecisionofthecontrolpointsinexistingspatialreferencewithIGSpointsandEGM2008datatoavoidthetheirpotentialerrorsandmakecertaintheimagecontrolpointscanbesurveyedquicklyandprecisely.

push-broom digital aerial image； layout of image control points； reference constraints； surveying of image control points； IGS

范業(yè)穩(wěn)，李睿碩，周洪波.高分辨率航帶影像像控點的布設和基準約束測量[J].測繪通報，2017(4)：67-70.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0122.

2016-07-11；

2017-02-16

范業(yè)穩(wěn)(1972—)，男，博士，副研究員，研究方向為攝影測量與遙感、空間認知。E-mail：fyw@whu.edu.cn

P23

A

0494-0911(2017)04-0067-04