利用ADS80影像測制西部地區大比例尺地形圖的快速流程

2012-11-14 10:52:08陳建斌王明孝蔡曉麗

測繪通報 2012年8期

陳建斌，王明孝，張萍，蔡曉麗

(1.68029部隊，甘肅蘭州730020;2.甘肅林學院，甘肅天水741000)

陳建斌1，王明孝1，張萍1，蔡曉麗2

(1.68029部隊，甘肅蘭州730020;2.甘肅林學院，甘肅天水741000)

利用ADS80影像對西部某區域進行無控空中三角測量的精度作對比。研究考慮地形高差影響的高程異常擬合方法，提出利用ADS80影像快速測制西部大比例尺地形圖的作業流程，并將該流程成功應用于某風電場基礎測繪項目中。

ADS80;西部地區;快速流程;高程擬合;數據重構

一、引言

西部地區以高原高寒和沙漠戈壁為主，地形起伏大，航攝影像投影誤差大，外業工作開展困難。航測成圖如果采用傳統模擬航片或面陣數字影像，由于其連接強度弱，接邊工作量大，地面依賴性高，勢必造成作業速度慢、周期長、耗資巨大的結果。

ADS80是一種改進的多線陣推掃式成像傳感器。它集成了POS系統，能直接獲取影像的外方位元素;它拍攝的長條帶影像提高了后期處理的效率;大基高比能滿足大比例尺測圖要求;100%三度重疊影像能提供多種立體模型。

在某風電場1300 km2基礎測繪項目中，采用ADS80相機，共規劃拍攝33個條帶，條帶長度從17 257 m到43561 m不等，像元大小6.5 μm，地面分辨率GSD為18 cm。

二、GNSS/IMU輔助空中三角測量精度分析

由于ADS采取的是連續推掃的成像方式，因此飛機的飛行姿態變化將直接影響成像的效果。雖然ADS配置的PAV陀螺穩定平臺具有自動調整姿態的功能，在進行中小比例尺航空攝影時，由于飛機高度相對較高，氣流比較平穩，而且使用的運8、安30等較大型航測飛機受氣流影響也相對較小，俯仰和傾斜變化通常不超過5°。但在大比例尺航空攝影時，一般使用運5、運12等飛機，該類飛機自重小，受氣流的影響很大，而低空氣流變化本身就較劇烈，俯仰和傾斜變化經常超過5°。另一方面，PAV陀螺穩定平臺對姿態變化的修正需要一定的響應時間，對瞬間大姿態變化的修正往往反應滯后，因此，空中飛機姿態的變化情況也能在連續推掃記錄的影像中完全體現出來，并直接影響影像的后續處理質量。

GNSS/IMU觀測數據的引入，大量減少了外業控制測量的工作量。一直以來，許多學者都對GNSS/IMU輔助空三所需的控制點數量進行了研究［1］。在該項目中，筆者分別用無控、位于區域中心1個控制點、位于區域四周4個控制點、分布均勻的9個控制點等4種方案對測區進行了對比試驗。空三解算使用ORIMA軟件。結果如表1所示，其中，精度用檢查點中誤差表示。

表1 4種加密方案精度比較

試驗結論如下:

1)在沒有地面控制的情況下，將POS(IPAS)數據作為帶權觀測值引入到區域網平差系統中，平差結果存在一定的系統誤差。

2)當引入1個地面控制點時，精度得到了較大提高，平面達到1個像素，高程達到1.3個像素，高程精度提高明顯。這表明POS(IPAS)數據存在一定的系統誤差，高程分量尤為明顯。

3)當引入4個地面控制點時，精度得到了進一步提高，平面、高程精度都達到1個像素，但提高的幅度已不明顯。

4)當引入分布均勻的9個控制點時，精度幾乎沒有提高。

試驗表明，POS(IPAS)數據的引入，對地面控制點的要求降到了最低，只需1個位于區域中心的控制點，就能很好地抵償POS數據的系統誤差。如果要解決坐標系統的轉換問題，最好使用區域四周4個控制點的方案。

航測內業規范對空三加密的精度的規定如表2所示［2］。

表2 空三加密內業規范 m

限差放寬后，無控加密的最大誤差為0.40 m，小于規范中平地的高程中誤差限差±0.42 m，符合規范的要求。因此無地面控制的GNSS/IMU輔助空中三角測量的精度能滿足西部困難地區1∶2000成圖。

三、快速作業流程

1.ADS80通用作業流程

ADS80的推廣應用，使得航測成圖效率大大提高。這得益于ADS80本身的特點:

1)集成POS系統，可以直接獲取影像外方位元素，減少對地面控制的依賴。

2)長條帶影像，提高了影像處理效率，航帶內無需接邊，強度高。

3)100%三度重疊影像具有影像冗余，能以多種組合提供立體模型。

如圖1所示，對同一個測量任務，如果采用框幅式像片或面陣影像，外業控制測量、空三加密工作量將非常大。

當采用ADS80通用流程時，空三加密工序被外業控制分割為前后兩部分:第1部分包括POS數據解算、連接點選取、L1級影像糾正、控制點概略選點、控制片制作;第2部分包括控制點轉刺量測、空三解算。兩部分之間是外業控制測量工序。這種流程不適用于應急測繪項目。因為空三加密、外業控制測量耗時太長。進行外業控制測量時，內業人員只能等待，在西部地區，外業展開困難，影響外業進度的因素太多，經常會延誤。這種流程難以滿足緊急任務(如應急保障、搶險救災)的需求。

2.ADS80快速作業流程

在總結了上述兩種流程的基礎上，本項目提出ADS80快速作業流程，如圖1所示。

快速流程的特點如下:

1)快速流程采用無控空三加密(無控空三加密的精度下文有具體分析)，因為不再依賴于地面控制，空三加密還可以分區域進行，子區域空三加密成果立刻可以提交下工序，這樣減少了下工序的等待時間。

2)外業控制測量工序可以與4D數據采編工序同時進行，避免了內業等待造成的窩工。

3)外業控制測量不再是提供控制點的必須工序，而是為矢量重構提供轉換參數和高程異常的可選工序，如果有測區精確的轉換參數和高程異常，則可以省去外業控制測量工作。

4)流程的最后是對矢量數據進行重構，包括坐標系統轉換、高程轉換。

圖1 作業流程對比

四、快速獲取更精確的水準面精化文件

ADS80快速作業流程的最后是對矢量數據進行重構，主要解決高程基準問題，高程重構的精度依賴于水準面精化文件或高程異常模型。

我國似大地水準面分為3個等級［3］，如表3所示。

表3 我國似大地水準面等級

在西部廣大地區，缺少省級似大地水準面成果，國家級成果精度只有±0.3 m(平地)，無法滿足1∶2000地形圖需要。因此，必須要用合適的擬合方法獲得更精確的似大地水準面。

航測成圖時，一般不考慮地形高差變化對高程異常的影響。在西部地區，當海拔為2000 m時，由地形因素引起的高程異常變化量最大可以達到0.2 m，已經接近空中三角測量檢查點的中誤差限差，因此進行高程異常擬合時，必須考慮地面高差引起的高程異常變化量。

精確地確定大地水準面需要地球重力場模型及DEM高程模型，其公式為

對于小區域而言，前兩項NGM、NΔg變化相對穩定，只需考慮Nh。如果將高程異常量作為研究對象，有如下公式

式中，ζ0為高程異常的長波項;ζTC為短波項。式(1)中的Nh，是由地形起伏引起的。

地形改正可以看做是重力場的噪聲。如果能求解ζTC，并在ζ中將ζTC扣除，則可近似認為ζ0=ζ－ζTC為一個光滑的幾何曲面，這樣就可以利用測區中已知GPS水準點的正常高和大地高確定一個多項式曲面函數，即小區域高程異常模型，再利用該模型確定其他點的ζ0值。然后，利用ζ=ζ0+ζTC，可求得ζ。

式中，Tc為地形起伏對地面擾動位的影響;r為積分元到積分點p的距離;hi為參考高程;G為萬有引力常數;ρ為地球質量密度;hi－hr是正常高差(小區域內可近似用大地高差Hi－Hr代替)。

詳細計算步驟為:

1)引入全球格網間距為90 m的SRTM(shuttle radar topography mission)，SRTM數據主要是由美國太空總署NASA和國防部國家測繪局NIMA聯合測量的全球DEM，用已知的地面控制點對區域SRTM進行多項式糾正，得到最佳附合于已知點的區域DEM。再按式(3)求解DEM格網點的ζTC(格網點)，結果如圖2所示。

2)利用多項式擬合的方法(此時，用二階多項式即可)，確定一個二次曲面，將DEM格網點帶入此二次曲面函數，求得每一格網點的ζ0(格網點)，結果如圖3所示。

3)利用式(2)，求得每一格網點的ζ(格網點)，結果如圖4所示。