何麗敏

（山西省測繪地理信息院第一測繪院，山西 太原 030002）

0.引言

性能獨特的徠卡傳感器ADS 系列一直引領著機載數(shù)碼傳感器的創(chuàng)新方向，2013 年隨著ADS100 機載數(shù)碼傳感器的登場，開啟了高清影像獲取的新紀元。像素工廠(Pixel Factory)是由法國地球信息公司研發(fā)的一套海量遙感影像處理系統(tǒng)，具有強大的數(shù)據(jù)存儲、分發(fā)、并行計算等功能，能在少量人工干預下，快速高效地生產(chǎn)多種測繪數(shù)字化產(chǎn)品及一系列中間產(chǎn)品。尤其是空中三角測量模塊因其“嚴格的傳感器”模型，使其在效率和精度上占絕對的優(yōu)勢，同時又能直觀地進行人機交互操作，在一定程度上提高了空三的可靠性。

1.ADS100 與ADS80 在主要技術參數(shù)上的區(qū)別

機載傳感器從ADS80 到ADS100，在軟件、硬件、技術參數(shù)及數(shù)據(jù)存儲格式等方面都有一定的變化。相應的應用軟件在版本上進行了升級，但總體構架并沒有發(fā)生明顯的變化。ADS100 在硬件上做了較大的改變，如鏡頭升級為SH100、使用最新陀螺穩(wěn)定平臺PAV100、更換了相機操作平臺、CC33 控制器變得更加小巧、存儲器容量的提升等等。其在技術參數(shù)上也有明顯變化，下面只選擇與空三加密相關的主要技術參數(shù)進行說明。

1.1 數(shù)據(jù)采集波段的變化

ADS80（以 SH82 鏡頭為例）相機有 12 條線陣電荷藕合元件(Chargec coupled Device,CCD)。分別采集紅、綠、藍、近紅外和全色5 個波段信息。按照前視27°、底視0°、后視14°分為三組排列，前視組為一個全色CCD；底視組包含紅、綠、藍、近紅外各一條CCD和一對相錯半個像素的全色CCD；后視組包含紅、綠、藍、近紅外和全色各一條CCD。ADS100 相機有13 條線陣CCD，分別采集紅、綠、藍和近紅外4 個波段影像信息，較ADS80 缺少全色波段影像信息。按照前視26°、底視0°、后視19°分為三組排列，前視組包括紅、綠、藍、近紅外等各一條CCD，底視組包括紅、藍、近紅外各一條CCD 和一對相錯半個像素綠色CCD，后視組包括紅、綠、藍、近紅外各一條CCD。在空三加密中ADS100使用三個視角的綠色（GREEN）波段代替ADS80 的全色（PAN）波段。所以對于同等產(chǎn)品需求的工程，ADS100 數(shù)據(jù)量在一定程度上有所減小。

1.2 CCD 尺寸的變化

ADS80 CCD 尺寸為12000 個像元，且每個視角有效長度相同，而ADS100 CCD 尺寸為20000 個像元，且其不同視角CCD 有效長度是不同的。其中，底視CCD 有效長度為20012 像元；前視CCD 有效長度為16000 像元；后視CCD 有效長度為18330 像元。這就使得在同等地面分辨率的情況下，ADS100 獲取的影像幅更寬，同面積測區(qū)中有效航線數(shù)相應減少，從而在一定程度上減少了后序空三、檢查點布設、影像拼接、影像勻色、條帶接邊精度檢測等一系列工序的工作量。因不同視角CCD 有效長度不同，在航線設計中，要以前視CCD 長度為參考標準充分考慮旁向重疊要求進行航線布設，以免因為航線重疊過小或航線漏洞給后序空三、影像拼接增加難度，延誤工期。

1.3 視場范圍的變化

ADS100 前視與后視之間的夾角由原來ADS80 的41°升級為45°。這樣的設計使得在相同飛行高度下，ADS100 的基高比增大，構成的立體模型垂直比例尺夸大明顯，立體效應增強，易于觀測。

2.ADS100 數(shù)據(jù)預處理及像素工廠空三加密

從海量存儲器（MM30）下載原始ADS100 的L0級數(shù)據(jù)，在存儲路徑和存儲格式上與ADS80 有很大區(qū)別，所以其L0 級數(shù)據(jù)只能在徠卡公司相配套的Leica Xpro 下進行后序處理。如果想利用像素工廠對ADS100 數(shù)據(jù)進行空三加密，就需要將ADS100 的L0級數(shù)據(jù)在Leica Xpro 下進行影像粗糾正處理為L1 級數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)與像素工廠等外部軟件的對接。具體流程(如圖 1 所示)：

圖1 地理信息輔助審計工作流程圖

2.1 數(shù)據(jù)源情況

本次航攝使用塞斯納208 型飛機搭載徠卡ADS100(10520 型號)數(shù)碼航空相機，獲取影像分辨率優(yōu)于0.2 米。該區(qū)域涉及1 個架次、3 條航線的航攝數(shù)據(jù)，旁向重疊度10%—21%，飛行面積約為800 平方公里。飛行當天飛行條件狀況良好，飛行高度3008 米。

2.2 數(shù)據(jù)準備

2.2.1 數(shù)據(jù)下載

ADS100 數(shù)據(jù)通過 Leica Xpro 6.4 下的 Data Preparation 工具進行原始影像數(shù)據(jù)和GPS/IMU 觀測數(shù)據(jù)下載，下載的影像數(shù)據(jù)以 (*.lov) 內(nèi)部格式存儲于images 目錄下；影像附屬信息文件存儲于raw 目錄下；GNSS-IMU 原始文件解壓于gps-imu 相應的raw 目錄下；ADS100 下載說明文件存儲于mm 目錄下。在影像下載過程中，可以根據(jù)用戶需要選擇下載數(shù)據(jù)的命名規(guī)則。

2.2.2 POS 解算

ADS100 的機載 GPS/IMU 數(shù)據(jù)首先通過Inertial Explorer 8.70 軟件分離為GPS 觀測數(shù)據(jù)和IMU 記錄數(shù)據(jù)，然后對每個架次的GPS 數(shù)據(jù)和IMU 數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理，生成每條掃描線的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)。一般情況下POS 數(shù)據(jù)融合的方法有兩種：一種是基于差分GPS(DGPS)技術；另一種是基于精密單點定位技術(PPP)。根據(jù)以往經(jīng)驗得知：基于精密單點定位技術解算精度一般在0.2—0.4 米之間，且存在系統(tǒng)誤差。由于本項目精度要求較高，所以在此選用基于CORS 站數(shù)據(jù)進行差分解算技術。本次使用的CORS 基準站同步觀測數(shù)據(jù)是由GPS 中心提供，采樣間隔為0.5 秒。解算結果經(jīng)過分析，滿足《GB/T 20920.2-2012 數(shù)字航空攝影規(guī)范》第二部分推掃式航空攝影中相關精度要求。GPS/IMU聯(lián)合解算精度詳細情況(如表1 所示)：

表1 POS 解算精度

2.2.3 數(shù)據(jù)預處理與L1 級影像粗糾正

正常情況下L1 級影像糾正是在空三之后進行，但由于ADS100 數(shù)據(jù)在下載后數(shù)據(jù)格式與像素工廠軟件所需格式不同，這里需要在導入像素工廠之前，對數(shù)據(jù)做預處理并進行L1 級影像粗糾正。在Leica Xpro 6.4軟件下進行數(shù)據(jù)預處理過程中，需根據(jù)項目要求選擇必要的影像及影像波段，通過Leica Xpro 軟件下的Product Generator 模塊生成相應的L1 級數(shù)據(jù)。生成的L1 級數(shù)據(jù)文件類型和文件格式與引入像素工廠所需的文件類型與格式基本一致。所以對于像素工廠來說，L1 級數(shù)據(jù)生成的過程實際上就相當于一個數(shù)據(jù)類型與格式的轉換過程。但由于產(chǎn)成的兩個L1 級影像頭文件(*.sup)有些許差別，為便于引入像素工廠，需對兩個影像頭文件內(nèi)部路徑分隔符方向進行批量修改。

2.3 像素工廠空三加密

2.3.1 數(shù)據(jù)導入與附屬文件屬性字段修改

設定工程為基于WGS84 橢球的通用橫軸墨卡托格網(wǎng)坐標系 (Universal Transverse Mercator Grid System)進行數(shù)據(jù)導入。ADS100 數(shù)據(jù)導入像素工廠后，需要對影像描繪文件的ID 字段進行修改，ID 字段屬性值以每條航帶航攝日期的月+ 日+ 小時+ 分鐘+波段+視角+通道來填充(例如:12210454GRNB19A)。需要修改初始影像目錄(INIT)下數(shù)據(jù)描述文件(*.xml)中Track Number、Short Number 兩個字段屬性和定向結果目錄(GEOM)下數(shù)據(jù)描述文件(*.xml)中ID 字段屬性，通過編寫可執(zhí)行程序實現(xiàn)批量修改。

修改字段的目的在于使像素工廠軟件能根據(jù)以上字段屬性自動區(qū)分航線，進而區(qū)分連接點類型（航帶間連接點和航帶內(nèi)連接點），以便于在后序空三加密過程中，人機交互操作更加直觀地進行粗差點剔除與連接點添加，及時調(diào)整連接較差區(qū)域，確保航帶間連接點數(shù)量滿足要求且連接點的分布更加合理，使空三結果更加可靠。

2.3.2 空三加密

像素工廠空三加密是一個連接點匹配、區(qū)域網(wǎng)平差、粗差點剔除與調(diào)整的循環(huán)過程。這里只對幾個關鍵的步驟進行解析。

2.3.2.1 分組文件編輯

像素工廠是一種支持推掃式相機傳感器模型的空三加密軟件，這種嚴格的傳感器模型有其無可比擬的優(yōu)點，比如對測量誤差的全面穩(wěn)健評估、嚴密的內(nèi)部算法、快速優(yōu)化工藝流程等等，但也需要對模型系統(tǒng)誤差進行細微調(diào)整。目前一般需要調(diào)整的誤差模型參數(shù)有以下幾種：相機姿態(tài)參數(shù)(rxc、ryc、rzc)、導航姿態(tài)參數(shù)(rx0、ry0、rz0、rx1、ry1、rz1) 和非線性比例因子(srx、sry、srz)。而分組就是對這些參數(shù)在優(yōu)化中進行必要的綁定。比如相機姿態(tài)參數(shù)按相機綁定、導航姿態(tài)參數(shù)按航帶綁定、非線性比例因子按飛行架次綁定。（這里需要特別說明，ADS100 航攝儀采用PAV100 最新陀螺穩(wěn)定平臺并集成高精度、抗干擾、性能穩(wěn)定的慣性測量系統(tǒng)（IMU），能實時進行姿態(tài)修正，獲得理想的定位姿態(tài)數(shù)據(jù)，因此對于ADS100 來說，非線性比例因子優(yōu)化意義不大，可以忽略）。分組文件的正確組織在像素工廠空三優(yōu)化過程中起著舉足輕重的作用，在優(yōu)化之前檢查分組文件的正確性是保證整個空三精度的基礎性工作，是非常必要的。

2.3.2.2 航帶間連接點檢查

航帶間連接點的數(shù)量與質量決定著整個區(qū)域空三加密成果的精度。有時會因為某些外部原因導致航帶間連接點匹配失敗或數(shù)量很少。這種情況下，雖然像素工廠內(nèi)部優(yōu)化指標能滿足要求，但并不能代表整個區(qū)域的實際空三結果符合精度要求。這就需要在現(xiàn)有連接點參與優(yōu)化后，手動添加航帶間連接點作為種子點重新進行航帶間連接點的自動匹配，以滿足航帶間連接點數(shù)量與質量的要求。

2.3.2.3 分組類型的選取

空三加密過程中，有時會遇到匹配的連接點數(shù)量很多，但平差后粗差點較多、粗差值較大的情況。查看這些粗差點在每張影像上的具體位置，會發(fā)現(xiàn)真實情況并沒有系統(tǒng)計算的誤差那么大。這時候不要急于剔除這些殘差較大的航帶連接點，可以在優(yōu)化過程中解除分組綁定，讓其進行航線內(nèi)部微調(diào)，這樣優(yōu)化后殘差一般會滿足連接點精度指標要求。但解除分組綁定后的空三成果通常會出現(xiàn)航帶間接邊有系統(tǒng)差的情況，這就需要在后序工作中，根據(jù)立體航線接邊檢測結果進行空三成果系統(tǒng)差修正。

2.3.3 成果導出

ADS100 數(shù)據(jù)經(jīng)像素工廠空三加密后，需將其導出為定向數(shù)據(jù)通用格式。像素工廠空三成果導出需要相應影像的頭文件。通常情況下ADS80 直接引用影像L0 級數(shù)據(jù)對應的頭文件即可，但ADS100 數(shù)據(jù)沒有L0級影像頭文件。所以需要把其L1 級數(shù)據(jù)的影像頭文件通過編寫可執(zhí)行程序進行批量修改，具體修改規(guī)則如下：

(1)影像頭文件命名確保以“L0”開頭；

(2)影像頭文件中“IMAGE_ID”字段屬性與像素工廠影像描述文件“ID”字段屬性保持一致；

(3)確保影像頭文件中“AnchorPoint”字段名稱與其屬性值之間用一個空格鍵分隔。

修改完成后，用“pf2odf”命令進行通用定向文件格式的轉換輸出。

3.空三精度檢測

3.1 航線接邊精度檢測

航線接邊精度是加密區(qū)整體精度的一項重要指標?？杖蠡謴土Ⅲw模型，在立體模型下沿航向在航線旁向重疊區(qū)每間隔2 公里采集一對同名地物點，取其坐標分量差值，記作Δx、Δy、Δz。把同一重疊區(qū)所有同名點坐標分量差值的均值作為相鄰兩條航線的接邊差，記作dx、dy、dz。如果三個分量差值均成正負均勻分布，變化量小于2 個像素，且均值小于1 個像素，我們認為該航線接邊不存在系統(tǒng)誤差；若某分量差值正負符號單一，且差值之間變化小于1 個像素，我們認為其存在系統(tǒng)誤差，需要修正對應的航線空三結果文件；如果某分量差值呈現(xiàn)逐漸增大或減小趨勢，或呈現(xiàn)不規(guī)則變化趨勢，我們認為其中某條航線空三存在問題，需要返回查找原因，重新進行相關航線的空三加密。按如上方法，經(jīng)檢測該測區(qū)航線接邊差Δx、Δy、Δz 均小于1 個像素，且不存在系統(tǒng)誤差。滿足《GB/T 23236-2009 數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》中相應要求。

3.2 檢查點精度檢測

該項目利用山西省衛(wèi)星連續(xù)運行基準站服務系統(tǒng)（SXCORS），采用網(wǎng)絡RTK 技術建立圖根控制網(wǎng)，測量的控制點作為該項目的檢查點使用，共22 個。野外控制點量測的平面及高程精度均≤5cm。對照檢查點點之記，在空三后的立體影像上進行相應檢查點坐標采集，與野外控制點量測成果進行坐標比對求取差值，記作ΔX、ΔY、ΔZ，每條航線檢查點坐標分量差值的平均值記作dX、dY、dZ。經(jīng)檢測 dX、dY 均小于1 個像素，dZ 有1.5 米左右的系統(tǒng)誤差。

3.3 系統(tǒng)誤差修正

系統(tǒng)誤差修正以航線為單位進行航帶間接邊系統(tǒng)差修正和相對于控制點的系統(tǒng)差糾正。上述檢測結果顯示航帶間接邊精度滿足要求，只需對測區(qū)整體高程進行系統(tǒng)誤差修正，修正后重新進行檢查點精度檢測，經(jīng)檢測 ΔX 最大值為 0.29 米，dX 為 0.15 米；ΔY 最大值為 0.25 米，dY 為 0.09 米；ΔZ 最大值為 0.26 米，dZ為0.14 米。精度滿足《GB/T 23236-2009 數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》中相應要求。

4.結束語

像素工廠在空中三角測量方面有其獨特的優(yōu)勢，而ADS100 為近幾年廣泛使用的主流數(shù)碼航攝儀。本文針對ADS100 數(shù)據(jù)的一些特征和優(yōu)勢，結合像素工廠軟件工程應用實例，完成了無控空三加密，并進行了成果精度分析與評定。結果表明這一生產(chǎn)技術流程完善可行，成果精度滿足相應規(guī)范要求，對類似項目生產(chǎn)具有重要的參考價值。