基于新型傳感器的空三加密研究及精度分析

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

1　新型傳感器簡介

目前，新型傳感器主要有兩種類型：一種是機載三線陣數字傳感器，如ADS40，另一種是大幅面框幅式數字成像系統，如DMC、UltraCamD[1]。三線陣傳感器ADS40為單鏡頭系統，內置POS(GPS/IMU)系統，在飛行瞬間獲取掃描行的外方位元素。DMC為多鏡頭成像系統，攝影時同時曝光，所獲得的四幅子影像經一定的處理拼接而成一幅虛擬影像。框幅式DMC成像系統由4臺全色相機和4臺多光譜相機組成，具有FMC(自動像移補償)，攝影時8臺相機同時曝光，所獲得的(13 824×7 680)像素的大幅面虛擬影像由四個CCD面陣經處理拼接而成，像素大小12 μm×12 μm。由于其成像系統是對中心投影影像的一種近似模擬，拼接時的誤差對影像有系統性的影響。為了提高影像精度，需要補償此類系統誤差[2]。

鑒于自身具有的特點和優勢，大面陣相機在高精度航天立體測繪領域的應用基本可以分為兩種模式：①高分辨率交向立體攝影測量模式。②小基線立體攝影測量模式。

2　工程項目基本情況

2.1　概述

本次試驗選用我國某條鐵路線中的一段外控點比較密集的地區進行，該鐵路線路走向基本為東西向，地勢平坦，試驗測區位于東經117°15′～119°20′，北緯34°10′～34°50′。坐標系統：平面采用2000國家大地坐標系，按3°分帶計算平面直角坐標系，為方便施工建設，將中央子午線暫定為117°30′、118°00′、118°30′、119°00′；高程系統采用1985國家高程基準，高程抵償面根據設計線路高程和測區高程異常值確定(以滿足每公里投影變形小于10mm)。

2.2　資料準備

收集測區所需2000國家坐標系及1980西安坐標系成果資料，平面點應為國家四等(GPS點為C級)及以上點；高程點應為國家四等及以上水準點。

航攝資料為DMC2001數碼相機拍攝的像片，焦距f=120 mm的鏡頭，攝影比例尺約1∶20 000左右，航向南北飛行，航向重疊為60%～65%，像元尺寸為12 μm，地面分辨率GSD為0.24 m，像幅大小為96 mm×168 mm。

3　實驗方案

本次試驗主要選擇了兩款常用的軟件來進行，即HELAVA數字攝影測量工作站及INPHO攝影測量軟件。依據多年空三加密的實踐經驗，對本項目實驗設計了四個大組、八個小組的試驗方案，這些方案基本囊括了實際工作中可能遇到的一系列典型問題。

試驗中，設定四個空三加密處理的方案：方案A、方案B、方案C、方案D。首先進行HELAVA軟件系統和INPHO軟件系統下四個方案內部的比較，即全控制方案和外部為平面或高程點方案的比較，驗證空三加密時測區外邊緣采用不同控制方案(即平面控制、高程控制、平高控制方案)對檢查點絕對精度的影響，以及對加密點相對精度的影響。其次是進行兩個系統下四個方案之間的對比，驗證外控點的數量及分布對檢查點絕對精度和加密點相對精度的影響。

再進行兩個系統之間的比較，利用INPHO系統時，加入了POS數據利用系統自動生成模型進行空三加密，在操作上比起HELAVA系統的手動添加模型連接點的方案有很大的不同，POS數據作為外方位元素的引入，對于整個模型穩定性起到多大的作用，也應該能在兩個系統中相同檢查點的絕對精度和加密點的相對精度中體現出來。

為了盡可能減少人為因素對本次實驗的影響，選取了鐵路線路中相對外業控制點分布比較均勻，影像比較清楚的一段作為本次試驗的實驗區域。如圖1為依據外控點及空三加密后得出的加密點所做的像對結合圖。從圖1中可以看出，這一段區域采用的是鐵路測量中最常用的單基線雙模型方案布設外業控制點。

方案A：屬于基礎實驗方案，對于外業控制點，可以將其作為檢查點來檢驗空三加密后得出的大地坐標與真實大地坐標，得到它們的絕對誤差；而對于加密點來說，無法得知空三加密后加密點的絕對精度。因此，把方案A中20個外控點全控制下得出加密點的大地坐標作為絕對真值來檢驗本次試驗后面幾個方案中加密點的精度變化。

方案B：針對目前很多項目工期緊，時間不充分的情況。在方案A的基礎上均勻抽稀外控點的布設，將單基線抽稀為三基線的情況，即12個外控點進行區域控制，計算8個檢查外控點和加密點的大地坐標。此方案中這12個外控點在整個試驗區域仍然屬于均勻分布的情況。

方案C：可以說是一種比較極限的試驗，因為在大量的實踐工作中發現，在很多項目中會遇到大山、無人區、軍事禁區等一系列的困難地區，這些地區沒有辦法深入進行外業控制點的采集，外控點非常有限。本方案就是以極限的狀況作為試驗的部分來測試。本方案中把方案B中的12個外控點繼續抽稀為6個外控點

方案D：和方案C一樣屬于比較極限的試驗，同樣是6個外業控制點，但在方案D中改變外業控制點的分布，將四周分布改為區域均勻分布。

4　實驗數據結果及分析

4.1　方案B

分析方案B的數據可以看出，整個區域從20個外控點抽稀為12個外控點之后，雖然說也是屬于均勻分布，但對于區域網外圍的檢查點精度而言，已經有很明顯的下降，平面絕對誤差達到了0.5 m，高程絕對誤差達到了0.6 m左右，依據“某客專航測制圖技術設計書”的要求，平面達到要求，而高程都屬于超限范圍，這樣的結果，應用于實際生產測圖，精度將整體偏低。

4.2　方案C

隨著外業控制點的減少，整個區域的模型也逐漸變差，表現在高程上尤為明顯，檢查點和外業控制點的平均誤差都為1 m左右，最大的甚至達到了1.5 m左右。從HELAVA系統的orima加密報告中看到加密報告顯示的結果很好，所有的外業控制點都在限差范圍內，按平常的理解認為這樣的加密報告滿足“某客專航測制圖技術設計書”的要求，空三加密的結果也能應用于1∶2 000鐵路圖的繪制。但和外業控制點比較之后可知，這樣的精度不能用于制作1∶2 000的鐵路線劃圖。以方案A中全控制下的加密點大地坐標為相對的真實大地坐標值來進行這一組的比較。從數據比較中看出，整個區域的加密點坐標平面影響不大，而差異主要表現為高程方面。

外業檢查點的高程絕對誤差平均值

ξp全控制=0.802 5ξp平、高控制=0.889 8

加密點的高程絕對誤差平均值

ξT全控制=0.721 7ξT平、高控制=0.821 2

從以上平均值可以看出，在6個外控點，四周分布的情況下，平、高控制下的檢查點和加密點的絕對誤差要大于全控制下的誤差值；而對于加密點來說，平均誤差值小于外業檢查點的平均誤差值。由此可以看出，對于整個空三加密的過程來說，加密點是根據外業控制點的大地坐標計算得來的，本身加密的過程就會損失一部分精度。

INPHO系統下試驗的兩個數據明顯的優于HELAVA系統下的兩組數據。從表上看，平面的誤差基本滿足“某客專航測制圖技術設計書”的要求，誤差主要集中在高程方面。

4.3　方案D

與方案C同為6個外控點控制，但由于外控點位置的分布不同，對檢查點的精度影響很大。以方案A中的加密點作為真實值，方案D中加密點的絕對精度也是大大優于方案C中加密點的絕對精度。下面求一個方案D中高程值的平均值。

外業檢查點的高程絕對誤差平均值

ξp全控制=0.324 4ξp平、高控制=0.307 0

加密點的高程絕對誤差平均值

ξT全控制=0.297 3ξT平、高控制=0.236 4

方案D中所求的平均值與方案C中的所求的平均值比較起來，有明顯的提高。在實際生產中可以利用外控點的分布來提高整個區域的作業精度。

與HELAVA系統不同，在INPHO系統下改變了外控點的分布之后，整個區域的加密點及檢查點的絕對精度也有所提高，但是變化不是很大。

外業檢查點的高程絕對誤差平均值

ξp全控制=0.378ξp平、高控制=0.273 5

加密點的高程絕對誤差平均值

ξT全控制=0.259ξT平、高控制=0.124 8

與方案C中的平均值比較起來，本方案中的平均值變化不是很大，因此說明加入了POS數據的INPHO系統下，外控點的分布對于整個區域網的精度影響不大，因此也說明了INPHO系統的區域網更穩定。

5　結　論

為驗證空三加密時測區外邊緣采用不同的控制方案(即平面控制、高程控制、平高控制方案)對檢查點的絕對精度的影響，以及對加密點的相對精度的影響，外控點的數量及分布對檢查點絕對精度和加密點相對精度的影響，POS數據輔助空三的結果精度影響等，選取某鐵路段作為試驗測區，并設計四個加密方案進行空三加密的對比試驗。

從實驗數據中可以發現，在幾個方案中平面的影響不大，而高程變化比較明顯。在helava和Inpho兩個系統中，本研究根據四個方案進行對比試驗及結果分析比較，得出以下幾個結論：

第一，從四個方案的實驗數據來看，外業控制點的變化對于檢查點的平面坐標精度影響較小，主要的誤差都變現在高程的變化上。在外業控制時對于困難地區可以適當的添加高程點或GPS點來提高空三加密的精度。

第二，隨著外業控制點的減少，檢查點的高程絕對精度有很明顯的下降。對于12個外控點均勻分布控制，相當于三條基線布設航外業控制點，基本滿足航外控的精度要求。

第三，對于每個方案中的兩種狀況，即外業點采用全控制或采用部分平、高控制對整個區域的整體精度影響不大。因此，在實際空三加密作業中，遇到錯點或者判斷不清的點可以有針對的選擇平面或者高程控制，提高整個區域的加密精度。

第四，從方案C和方案D的比較可以得出結論，外業控制點的分布對整個加密區域的影響比較大，均勻分布的方案D中，檢查點和加密點的絕對精度相較于方案C中的絕對精度有很大的提高。因此，也可以得出這樣一個結論，外業控制點的分布對兩個系統的影響是相同的，因此均勻布設外業控制點適用于傳統模式的相機拍攝，同樣也適用于新型數碼相機的拍攝，盡可能讓有限的外業控制點均勻分布于整個測區是提高精度的重要方法。

第五，helava系統的容差能力較強，而Inpho系統的粗差探測功能較強。INPHO系統的穩定性明顯強于HELAVA系統。這些結果證明了加入POS數據輔助空中三角測量，可以有效地減少地面控制點的數量。而通過平、高的選擇實驗方案也可以看出，平、高點的試驗方案精度也高于全控制點的精度，由此也說明，多增加外業控制點并不能提高整個區域的加密精度。

[1]高文革，范永杰，宋倩，等.空三加密在數字攝影測量中的精度分析[J].山東國土資源，2010(12)

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