航空數碼影像像控布點方案的研究

欒學科，姚喜，王志博，孫愷

(1.青島市勘察測繪研究院，山東青島 266000； 2.山東省水利勘測設計院，山東濟南 250013)

航空數碼影像像控布點方案的研究

欒學科1?，姚喜2，王志博1，孫愷2

(1.青島市勘察測繪研究院，山東青島 266000； 2.山東省水利勘測設計院，山東濟南 250013)

通過對光束法區域網平差理論對平面和高程精度的分析，和近幾年相關數碼航空攝影測區的實際應用，采用MAP－AT自動空三測量軟件在同一區域使用不同的像片控制點布設方案，分別進行空三平差，并比較檢測點的坐標變化，研究不同的布點方案對量測點平面和高程精度的影響，最后得出了一些像控點布設方面的初步建議。

光束法區域網平差；空中三角測量；像控點布設；MAP－AT

1 引 言

航空攝影測量是我國基礎測繪手段之一。但目前國內航空攝影測量仍然大量使用進口的模擬航空相機，不僅價格昂貴，工藝復雜，要使用膠片，還要用昂貴的儀器進行膠片影像數字化，而且膠片動態范圍小(6－7bit)，航攝質量低，測圖周期長，影響整個行業進步。數碼相機直接獲取數字影像，隨著數碼相機技術的發展，其分辨率不斷提高，數碼相機必將發展成為航空攝影測量的關鍵設備。同時，計算機硬件技術的發展以及數字攝影測量工作站的出現，為理論上最為嚴密的光束法區域網平差應用于攝影測量的實際生產提供了可能，光束法區域網平差在空中三角測量(以下簡稱“空三”)應用中迅速地取代了獨立模型法和航帶法區域網平差。國內使用比較多的為克萊恩教授的PATB進行平差解算。本次研究實用的是MAT－AT(Modern Aerial Photogrammetry Automatic Triangulation)自動空三攝影測量軟件。由于數碼影像的像幅、像素地面分辨率與之前常規膠片的差異，從傳統的膠片航空攝影測量進入到數碼航空攝影測量，并伴隨著全球定位系統(GPS)的使用，沒有現成的航空攝影測量技術規范可以參照。目前普遍的情況是套用原來的技術規范，這不僅未能發揮出新技術的優勢，反而因為數碼影像像對基線的縮短導致了外業像片控制測量工作量的增加。為了減少野外工作量，節約經濟成本，并提高相片控制平面與高程精度，探討航測外業區域網平差的像片控制點布設方案。

像片控制點的數量及其分布是影響區域網加密精度的一個非常重要的因素。目前，我們采用的MAPAT內業處理系統，用光束法區域網平差。

2 光束法平面與高程精度分析

光束法區域網空中三角測量的運算是以每條空間光線為單元，利用三點共線條件列出誤差方程式。所謂三點共線條件，即是指在攝影時，地面點、相應像點和攝影站點是位在同一條直線上的[1]。從而構成共線方程，該方程為平差理論基礎，根據共線方程式，構建誤差方程，在全區域內利用最小二乘原理解算出像片外方位元素、物方坐標的最或是值。像點、攝站以及代求物方地面點遵循以下共線方程式:

2.1 平面精度的理論分析[1，2]

平面控制方案大部分按區域分為四角控制、8點法和密周邊布點法3種。按旁向重疊為20%來考慮，這3種布點方法利用光束法進行區域網平差，其平面精度分別為:

其中:σ0為像點觀測中誤差，認為是單位權中誤差；σx，y用來衡量區域網平差的平面精度；m為區域網中的航帶數。

由上式可以看出，區域網平差的平面精度與周邊的平面控制點的分布密度及航帶數有關。

2.2 高程精度的理論分析[1，2]

由于誤差傳播的不利影響，構成符合要求的區域網對于高程控制網的要求高于平面控制網，這樣區域網之內必須有高程控制。高程控制方案分為鎖型和方格型，鎖型沿垂直航向首尾及中部隔航線布設三排高程控制，方格型為極限跨度與航線間隔相等的高程布設方案。采用鎖型布設旁向重疊為[2]:

采用方格型高程布設方案，旁向重疊為60%時，區域網平差高程精度為:

其中，i為高程控制航向跨度。由上式可見，區域網平差高程精度與高程控制跨度有關。光束法區域網平差其平面與高程可分別平差解算，分別平差在相當程度上降低了對計算機性能的要求。

3 像片控制測量

像片控制點分三種:像片平面控制點(簡稱平面點)，只需聯測平面坐標；像片高程控制點(簡稱高程點)，只需聯測高程；像片平高控制點(簡稱平高點)，要求平面坐標和高程都應聯測，由于GPS技術的進步，使得RTK的精度逐漸提高，從測量結果來看，RTK技術不僅可以滿足像控點的精度要求，而且可以大量節省測量時間，與傳統像控點測量方法相比顯示了較大的優越性。實際作業時我們用RTK采集的點全部是平高點。野外控制點除少數測區按全野外布點聯測后，直接用于內業測圖作業外，通常都采用非全野外布點方式作業，即聯測少量的像片控制點，作為內業控制加密的起始數據。然后采用空中三角測量，解算出內業測圖所需糾正點或定向點的大地坐標值以及測圖所需的有關數據。這樣，在滿足成圖精度的前提下，可減少野外工作量，提高作業效率。

3.1 布點原則[3～5]

(1)像控點一般按航線全區統一布點，可不受圖幅單位的限制。

(2)布在同一位置的平面點和高程點，應盡量聯測成平高點。

(3)相鄰像對和相鄰航線之間的像控點應盡量公用。當航線間像片排列交錯面不能公用時，必須分別布點。

(4)位于自由圖邊或非連續作業的待測圖邊的像控點，一律布在圖廓線外，確保成圖滿幅。

(5)像控點盡可能在攝影前布設地面標志，以提高刺點精度，增強外業控制點的可取性。

(6)點位必須選擇在像片上的明顯目標點，以便于正確地相互轉刺和立體觀察時辨認點位。

3.2 布點位置要求

像控點在像片和航線上的位置，除各種布點方案的特殊要求外，應滿足下列基本要求:

(1)像控點一般應在航向三片重疊和旁向重疊中線附近，困難時可布在航向重疊范圍內。在像片上應布在標準位置上，也就是通過像主點垂直于方位線的直線附近。

(2)像控點距像片邊緣的距離不得小于1 cm，因為邊緣部分影像質量較差，且像點受畸變差和大氣折光差等所引起的移位較大。再則傾斜誤差和投影誤差使邊緣部分影像變形大，增加了判讀和刺點的困難。

(3)點位必須離開像片上的壓平線和各類標志(氣泡、框標、片號等)，以利于明確辨認。為了不影響立體觀察時的立體照準精度，規定離開距離不得小于1 mm。

(4)旁向重疊小于15%或由于其他原因，控制點在相鄰兩航線上不能公用而需分別布點時，兩控制點之間裂開的垂直距離不得大于像片上2 cm。

(5)點位應盡量選在旁向重疊中線附近，離開方位線大于3 cm時，應分別布點。

3.3 區域網像控點布點方案

區域網像控點布點方案主要有三種，如圖1～圖3所示。

圖1～圖3中，圓形標志代表平高點，三角標志代表高程點。

圖1 正規布點法圖

圖2 品字型布點

圖3 密周邊布點、區域網中間不布點

上述三種方案是對傳統控制點布設方案和多年來攝影測量工作者的實踐經驗的總結，在實際的應用中，根據測區地形、大小的不同可采取不同的布點方案，有時候也會對各種方案進行結合使用。本文采用MAPAT自動空三系統，采用何種布點方案更為經濟合理，有待于實驗總結。

4 實驗結果

本實驗以山東科技大學青島校區為航測測區，該測區位于青島經濟技術開發區的西部，東西長2.7 km，南北長約1 km，測區西面是山地，其他三面是寬敞的馬路，測區內部基本建筑物高度20 m左右，東部和西北部各有一片村莊，西部有一座小山，高度約100 m，其他地區地勢較為平坦，可屬于平地、丘陵地區。

4.1 測區航線布設方案

實驗采用Canon公司的EOS－5D型單反數碼相機(分辨率4 368×2 912，焦距24 mm)，航攝相對高程設計為400 m，由于當時的風力在3級左右，實際航向重疊度為85%，旁向重疊度74%，航線采取了東西向飛行，共9條航線，攝取照片314張。測區內控制點64個，地面分辨率(GSD)為14 cm。

圖4 2007年4月實驗——東西航線設計圖

4.2 三種布點方案及精度分析

(1)正規點方案

該方案首先對該測區隔一條航線或者兩條航線，在航線首尾各布設一個平高點，中間布設三排平高點，跨度在5條～6條基線左右，這種布點方案是典型的正規布點方案。本套方案一共選取了47個檢查點(測區一共64個，檢查點比例達到73%)。

如圖5所示，MAP－AT空三軟件根據外業采集的像控點數據自動生成的外業像控點分布圖，圖中矩形框表示采集的影像，三角標志代表控制點，最小的方框代表每張影像的攝影中心的位置，航帶內的數字代表像片在本測區內的序號。用GPS RTK技術采集的外業像控點三維坐標數據全部是平高點。

圖5 正規法布點方案

根據誤差計算公式(白塞爾公式)，求得精度如表1、表2所示。

正規法布點控制點殘差 表1

正規法布點檢查點中誤差 表2

(2)品字型布點方案

圖6 品字型布點方案

精度如表3、表4所示。

品字型布點法控制點殘差 表3

品字型布點法檢查點中誤差 表4

(3)密周邊布點方案

該方案測區隔一條航線或者兩條航線，在航線首尾各布設一個平高點，首、末航帶中間各布設三排平高點，跨度在5條～6條基線左右。

圖7 密周邊布點方案

精度如表5、表6所示。

密周邊布點法控制點殘差 表5

密周邊布點法檢查點中誤差 表6

由此可以看出，無論是平面還是高程精度，正規布設方案精度最高。但是由于正規布點需要的控制點數目較多，而品字型布點與之比較精度相差較小，且所需控制點數目少，因此在同樣達到精度要求的條件下，可以優先選擇品字型布點方式。

5 結 論

目前，已將此布點方案運用到實際生產中，例如三河口成礦區，由于涉及礦區賠償問題，因此為減少野外工作量，盡可能提高工作效率，縮短野外周期，采用品字型布點方案，且最終精度滿足質量要求。因此，研究數碼影像的航測像控布點方案是有實際價值和意義的，同時也論證了結果的正確性。

[1]王之卓.攝影測量原理[M].武漢:武漢大學出版社，2007，5:134～135，215～220

[2]吳巧玲.大比例尺數碼影像航測像控布點方案探討[J].測繪通報，2009，(5):35～37

[3]韓友美.優化UAVRS－F攝影測量高程精度的方案與技術研究[D].山東:山東科技大學，2008

[4]王佩軍，徐亞明.攝影測量學[M].武漢:武漢大學出版社，2005:136～139

[5]M?nchen.EFICIENCY OF PHOTOGRAMMETRIC PRECISION METHODS FOR DENSIFICATION OF CONTROL NETWORKS[J].1977:46～50

On the Distribution of Digital Aerial Photo Control Points

Luan XueKe1，Yao Xi2，Wang ZhiBo1，Sun Kai2
(1.Qingdao Geotechnical Investigation and Survey Institute，Qingdao 266000，China；2.Shandong research institute of investigation and design of water conservancy，Jinan 250013，China)

Through analyzing theories of bundle block adjustment for plane and elevation precision，and actual applying in photogrammetry surveying in recent years，use MAP－AT automatic aerial triangulation software in one surveying area with different distribution methods，and adjust differently.With comparing changes of coordinates，analyze influences for different distribution methods in plane and elevation precision.Finally，we get conclusions for control points distributions for anybody else working in this area.

bundle block adjustment；aerial triangulation；control points distribution；MAP－AT

1672－8262(2010)04－103－04

P237

B

2009—12—14

欒學科(1978—)，男，工程師，主要從事工程測量方面的研究與工作。