周 英, 戴建初

(湖南省第一測(cè)繪院, 湖南 衡陽 421001)

目前，在湖南省不動(dòng)產(chǎn)統(tǒng)一登記基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)項(xiàng)目中，1∶2000框幅式航飛數(shù)據(jù)覆蓋全省大部分區(qū)域，其像片控制測(cè)量采用區(qū)域網(wǎng)布設(shè)原則，即四角雙點(diǎn)法。這種布設(shè)方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)，并且對(duì)于樹林茂密、大面積水域等難以布設(shè)像控點(diǎn)的地區(qū)通常無能為力。因此，在1∶2000不動(dòng)產(chǎn)統(tǒng)一登記基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)項(xiàng)目或其他大比例尺航測(cè)項(xiàng)目中，如何通過行之有效的方法，大量減少像控點(diǎn)，減少外業(yè)工作量，是攝影測(cè)量作業(yè)提高效率亟待需要解決的問題。根據(jù)GPS輔助空三加密理論，可以增加構(gòu)架航線的方式減少地面控制解決上述問題。但是當(dāng)航攝已經(jīng)完成，航攝時(shí)沒有設(shè)計(jì)構(gòu)架航線，或是由于某些原因不能進(jìn)行構(gòu)架航線的航飛時(shí)，又如何減少像控點(diǎn)和避開茂密的山林和大面積的水域呢？本文根據(jù)GPS輔助空三加密理論，對(duì)像控點(diǎn)替代構(gòu)架航線的空三加密進(jìn)行探討。

1 GPS輔助空中三角測(cè)量的原理

空中三角測(cè)量是根據(jù)攝影幾何反轉(zhuǎn)原理，利用影像的內(nèi)、外方位元素和大量地面控制點(diǎn)，重建可量測(cè)的幾何立體模型，求得其他被攝目標(biāo)的高程和平面位置的測(cè)量方法。

GPS輔助空中三角測(cè)量是利用安裝于飛機(jī)上與航攝儀相連接的和設(shè)在地面上一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)站上的至少兩臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)同步而連續(xù)觀測(cè)GPS衛(wèi)星信號(hào)、同時(shí)獲得航空攝影瞬間航攝儀快門開啟脈沖，通過GPS載波相位測(cè)量差分定位技術(shù)的離線數(shù)據(jù)后處理獲取航攝儀曝光時(shí)刻攝站的三維坐標(biāo)，然后將其視為附加觀測(cè)值引入攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差中，經(jīng)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和算法來整體確定物方點(diǎn)位和像片方位元素并對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定的理論、技術(shù)和方法。

2 Imagination空三加密軟件簡(jiǎn)介

本次數(shù)據(jù)探討基于Inpho、Imagination(暢想)兩款軟件完成的空三加密，其中Imagination應(yīng)用了替代構(gòu)建航線，為本次數(shù)據(jù)比對(duì)的重點(diǎn)對(duì)象。

Imagination(暢想)空三加密軟件是武漢大學(xué)袁修孝教授和湖北山銳航空遙感科技有限公司聯(lián)合研發(fā)的一款GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)空三加密軟件。該軟件特點(diǎn)是：在航攝時(shí)無需架設(shè)地面基站，利用機(jī)載GPS/BD輔助航攝時(shí)所獲得GPS測(cè)量數(shù)據(jù)納入?yún)^(qū)域網(wǎng)平差，只需在加密分區(qū)四角各布設(shè)一個(gè)平高控制點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)像方坐標(biāo)到物方坐標(biāo)的整體空間轉(zhuǎn)換，在減少外業(yè)工作量的同時(shí)，減少了傳統(tǒng)航測(cè)大量野外像控帶來的人為誤差，大幅度提高航測(cè)成圖精度和高程精度。

3 像控布點(diǎn)方案

根據(jù)GPS輔助空三加密原理，空三加密可在WGS84坐標(biāo)下進(jìn)行。為了轉(zhuǎn)換到地面坐標(biāo)系統(tǒng)，只需提供WGS84坐標(biāo)到地面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，同時(shí)消除GPS測(cè)量的系統(tǒng)誤差。因此，只需在加密分區(qū)四角各布設(shè)一個(gè)平高控制點(diǎn)，就可完成WGS84坐標(biāo)到地面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，再在區(qū)域網(wǎng)兩端各布設(shè)一條構(gòu)架航線，用來消除GPS測(cè)量系統(tǒng)誤差。當(dāng)沒有進(jìn)行構(gòu)架航線航攝時(shí)，必須在航線兩端各布設(shè)一個(gè)高程控制點(diǎn)，同樣能夠消除GPS系統(tǒng)誤差。本文主要是針對(duì)沒有構(gòu)架航線時(shí)像控布點(diǎn)方法進(jìn)行探討，替代構(gòu)架航線的像控布點(diǎn)方法及要求如下：

(1)在區(qū)域網(wǎng)四角各布設(shè)一個(gè)平高點(diǎn)。平高點(diǎn)滿足一般像控要求即可，但是必須在成圖區(qū)域外面，滿足三片重疊。

(2)替代構(gòu)架航線的高程點(diǎn)必須在成圖區(qū)域外面，位于兩條航線中間，滿足6片重疊。所有高程點(diǎn)盡量布設(shè)成直線，左右不宜超過1條基線。

(3)在區(qū)域網(wǎng)中間成梅花狀布設(shè)5～6個(gè)檢查點(diǎn)。在補(bǔ)飛航線與原航線重疊處和地形變換處一般會(huì)是空三加密精度相對(duì)較差的地方，最好布設(shè)一個(gè)檢查點(diǎn)。

4 應(yīng)用案例

4.1 項(xiàng)目概況

本次應(yīng)用研究以湖南省不動(dòng)產(chǎn)統(tǒng)一登記基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)項(xiàng)目衡山測(cè)區(qū)(140208-1攝區(qū))為例。

衡山測(cè)區(qū)(140208-1攝區(qū))地處湖南省的中部偏東地區(qū)，地形以低山、丘陵為主。該測(cè)區(qū)影像于2015年10月至2016年1月，使用運(yùn)8飛機(jī)搭載UC Eagle框幅式航攝儀，采用IMU/GPS輔助航空攝影，無構(gòu)架航線。相機(jī)焦距為79.8 mm，像元大小為20010*13080，像元尺寸為5.2 μm，地面分辨率為20 cm，絕對(duì)航高為3 550 m，旁向重疊度為18%；最小航向重疊度為54%，最大旋偏角為4°，最大傾斜角為19.6°，最大航線彎曲度為0.34%，航線設(shè)計(jì)為東西向飛行。本次實(shí)驗(yàn)使用本攝區(qū)所有影像進(jìn)行空三加密，航線總數(shù)為21條，包含5條補(bǔ)飛影像(第7、11、12、15、16航線部分補(bǔ)飛，時(shí)效性良好)，航片總數(shù)1 270張，航攝面積2 500 km2。

4.2 像控點(diǎn)情況

4.2.1 替代構(gòu)架航線的像控點(diǎn)布設(shè)情況

由于沒有構(gòu)架航線，像控布點(diǎn)采用在加密分區(qū)四角及拐角布設(shè)平高點(diǎn)，同時(shí)在航線兩頭布設(shè)兩排高程控制點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)加密分區(qū)共計(jì)布設(shè)平高點(diǎn)36個(gè)，檢查點(diǎn)13個(gè)。像控點(diǎn)布點(diǎn)圖如圖1。

備注：玫紅色點(diǎn)為像控點(diǎn)，藍(lán)色點(diǎn)為檢查點(diǎn)

4.2.2 常規(guī)像控點(diǎn)布設(shè)情況

衡山測(cè)區(qū)原來計(jì)劃采用Inpho軟件帶POS數(shù)據(jù)進(jìn)行平差。參考相關(guān)規(guī)范和相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，像控點(diǎn)布設(shè)采用區(qū)域網(wǎng)布設(shè)，四角雙點(diǎn)，像控點(diǎn)布設(shè)區(qū)域范圍原則上為“4條航線×15條基線”，同時(shí)在區(qū)域網(wǎng)中間增加一個(gè)檢查點(diǎn)。本測(cè)區(qū)常規(guī)像控點(diǎn)總共布設(shè)35個(gè)平高點(diǎn)，檢查點(diǎn)21個(gè)，像控點(diǎn)布設(shè)圖如圖2。

4.3 空三加密情況

為進(jìn)一步驗(yàn)證兩個(gè)軟件空三加密成果的精度情況，在像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)分布較薄弱的地區(qū)，選擇部分地物紋理清晰、特征明顯的位置均勻采集檢測(cè)點(diǎn)，同時(shí)用 GPS-RTK野外實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)的平面和高程坐標(biāo)，然后利用空三加密成果，恢復(fù)立體模型，采集同名點(diǎn)，比較其與實(shí)測(cè)坐標(biāo)之差，以檢驗(yàn)本次研究的空三加密成果精度。兩種方案下空三加密成果誤差統(tǒng)計(jì)見表1、表2。平面檢測(cè)點(diǎn)和高程檢測(cè)點(diǎn)均達(dá)到了較高精度，地形圖精度良好，完全達(dá)到規(guī)范要求。

備注：綠色點(diǎn)為像控點(diǎn)，紫色點(diǎn)為檢查點(diǎn)

表1 替代構(gòu)架航線的空三加密精度統(tǒng)計(jì)

表2 常規(guī)像控布點(diǎn)的空三加密精度統(tǒng)計(jì)

4.4 像控點(diǎn)工作量的對(duì)比與分析

采用常規(guī)像控布點(diǎn)方案時(shí)，像控點(diǎn)點(diǎn)位需布設(shè)在影像的六度重疊區(qū)域。而本文的替代構(gòu)架航線只需在構(gòu)架航線與測(cè)圖航線的交點(diǎn)區(qū)域處布點(diǎn)，布點(diǎn)區(qū)域選擇范圍較大，更利于像控點(diǎn)選擇在紋理清晰、特征明顯的區(qū)域，有效縮短了空三加密的工作周期，一定程度上提高了工作效率。

4.5 案例分析結(jié)論

(1)像控點(diǎn)替代構(gòu)架航行進(jìn)行GPS輔助空三符合規(guī)范要求，完全可用于大比例尺航測(cè)成圖。用航線兩端布設(shè)兩排高程像控點(diǎn)(也可是平高點(diǎn))替代構(gòu)架航線來進(jìn)行GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的方法完全可行。但是，由于外業(yè)像控點(diǎn)的精度比航攝時(shí)GPS測(cè)量精度略低，相應(yīng)的空三加密成果中高程精度會(huì)略有下降，不過仍然會(huì)符合大比例尺成圖精度的要求。

(2)用像控點(diǎn)替代構(gòu)架航線的像控布點(diǎn)方法可以節(jié)省外業(yè)工作量。就本案例而言，像控點(diǎn)減少20%，而且其中有28個(gè)像控點(diǎn)可從平高點(diǎn)改為高程點(diǎn)，間接減輕了外業(yè)工作量。另外，本案例加密分區(qū)外形不規(guī)則，也導(dǎo)致增加了像控點(diǎn)數(shù)量。

假如有4條航線，每條航線有120條基線，按像控點(diǎn)替代構(gòu)架航線方案布點(diǎn)，則需要10個(gè)像控點(diǎn)，6個(gè)檢查點(diǎn)；按常規(guī)像控點(diǎn)方案則需布設(shè)18個(gè)像控點(diǎn)，8個(gè)檢查點(diǎn)。

假如有4條航線，每條航線有45條基線，按像控點(diǎn)替代構(gòu)架航線方案布點(diǎn)，則需要10個(gè)像控點(diǎn)，6個(gè)檢查點(diǎn)；按常規(guī)像控點(diǎn)方案則需布設(shè)8個(gè)像控點(diǎn)，3個(gè)檢查點(diǎn)。

綜上所述，若是大于60條基線的航線，按像控點(diǎn)替代構(gòu)架航線方案布點(diǎn)，則可以減少像控點(diǎn)數(shù)量，并且航線基數(shù)越多，減少的像控點(diǎn)越多；若是等于60條基線的航線，則兩種方案下像控點(diǎn)布設(shè)的數(shù)量是一樣的；若是小于60條基線的航線，則常規(guī)像控點(diǎn)布設(shè)方案的像控點(diǎn)數(shù)量比像控點(diǎn)替代構(gòu)架航線方案布點(diǎn)的數(shù)量少；即測(cè)區(qū)越大，節(jié)省的像控工作量越小。

5 結(jié)語

通過像控點(diǎn)替代構(gòu)架航線實(shí)施GPS輔助區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量，在一定程度上能減少野外控制點(diǎn)的工作量，特別是其加密區(qū)四角四點(diǎn)以外的其他航線布點(diǎn)，點(diǎn)位選擇范圍更大，像控布點(diǎn)更靈活，像控作業(yè)效率有所提高，具有應(yīng)用推廣的價(jià)值與意義。