利用A3數碼航攝儀進行復雜地形控制點布設的研究

蔣春華(1.中國科學院大學，北京100049;2.中國科學院地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室，湖北武漢430076)

一、引 言

航空攝影測量技術經歷了模擬攝影測量和解析攝影測量階段，發展到今天的全數字攝像測量階段，已經成為快速測繪大面積4D產品的最重要手段［1］。隨著航空攝影技術在測繪行業中應用越來越廣泛，航攝領域出現了一大批數碼航攝儀。目前以A3為代表的傾斜攝影儀嶄露頭角，A3航攝儀不僅測量快速、精確、經濟，能夠減少野外作業，減輕勞動強度，而且不受地理條件的限制，因此是以后大面積數字成圖的一個重要發展方向。但是，目前在A3航攝儀外業控制布設方面并沒有明確的指導方法，現有航空攝影測量的相關技術規范主要針對傳統的攝影測量方式，傳統外業控制布點時在航向上主要由所跨的基線數決定，如果A3航攝儀還用所跨基線數來確定控制點分布，會產生太多不必要的外業控制點，無形中給外業增加不必要的工作量［2］。另外，現有的數字航空攝影測量外業控制點布設方案較少且存在一定的局限性，并不能完全適應于A3航攝儀。外業控制測量及控制點布設方面，理論支撐或可借鑒的生產經驗也不多［3］。

本文針對A3航攝儀外業控制點布設，提出了5種控制點的布設方案，通過試驗區數據解算，比對在不同控制點布設方案下，空三處理結果中地面定向點和檢查點的精度變化，分析其變化規律性。提出一種既能滿足航測內業量測精度要求又能減少外業工作量的合理布點方案，為A3航攝儀在生產應用中提供可靠的控制點布設參考方案。

二、A3航攝儀優勢分析

A3數字成像系統包括寬幅航空攝影相機與自動化數據處理系統兩部分。同常規數碼航攝儀相比，A3航攝儀具有以下優勢:①影像分辨率高，A3相機搭載300 mm的鏡頭，采用長焦距光學鏡頭獲取高分辨率影像;②數據精度高，影像的高重疊度使得其點位精度較常規數碼航攝儀更高;③生產作業效率更高，A3最大可獲取約62 000像素×8000像素的超寬幅影像圖，同時地面處理系統對數據進行全自動化處理。A3航攝儀參數見表1。

表1 A3相機參數表

三、試驗概述

本次試驗選取中國西南山區某地作為試驗區，飛行區域內有平地、丘陵地和高山地，在該區域內，分別采用密周布點、稀疏密周布點、拐點加中間布點、拐點布點、無控制點方案共5種布點方案進行試驗。

1.試驗區域概況

該試驗區位于經度 105°43'30″—106°03'01″，緯度 32°36'04″—32°41'52″，面積大約 300 km2。周邊多山區，最高點海拔1370 m，最低點海拔530 m，高差800多米，地形較為復雜，具有一定的代表性。

2.航攝參數

本次試驗采用A3航攝儀進行作業，航攝比例尺為1 ∶11 100，相對航高 3300 m，地面分辨率0.1 m，試驗區內航線共有7條，航線間距1700 m，航線長27～29 km，航向重疊度58%～67%，旁向重疊度60%～65%，航拍影像用來制作1∶1000的數字正射影像DOM，飛行質量和影像質量良好，可以滿足空三加密的要求。

3.影像數據空三處理分析

空三加密對最終的成圖精度有很大影響，其原理是以一張像片組成的一束光線作為一個平差單元，以中心投影的共線方程作為平差的基礎方程，通過各光線束在空間的旋轉和平移，使模型之間的公共光線實現最佳交會，將整體區域最佳地納入到控制點坐標系中，從而確定加密點的地面坐標及像片的外方位元素。像點、攝站及待求物方地面點遵循以下共線方程式［4］

共線方程線性化后誤差方程表示為

誤差方程法方程為

空三精度方面，區域網平差的平面精度與周邊的平面控制點密度及航帶數有關，在區域網邊緣有較密的平面控制時，其平面精度與區域網大小關系極小，同時與區域網內部平面控制關系也極小。區域網平差高程精度與高程控制航向跨度有關［5］。

A3地面處理系統Block Adjustment模塊完成影像的同名像點匹配和光束法區域平差，由于A3系統旋轉相機特殊的成像方式(框幅+掃描式)，可獲得高重疊度的影像，同一點在多達數十幅上有影像響應，可通過數十個多余觀測(共線方程)獲得解算，整個過程中，通過對像片間上百萬個聯接點的自動計算處理得到高精度的空三結果。

4.試驗技術方案與精度分析

由于A3航攝儀跟常規的數碼航攝儀在像幅面大小和成像方式上都有不同，考慮到試驗區域地形復雜，為了最大限度地降低外業作業工作量，同時又保證達到成圖精度要求，對試驗區采用密周布設控制點，所有的控制點都為平高點。在能夠野外布設控制點的情況下，航向每隔5 km布設一個點，旁向每隔5 km布設一點，整個區域共布設15個控制點，控制點分布如圖1所示，本次試驗像控點采用GPS RTK施測，布設像控點均按平高點要求進行布設。像控點距超寬幅影像邊緣不應少于1.5 cm，像控點選在影像清晰的明顯地物點、接近正交的線狀地物交點、地物拐角點或固定的點狀地物上，局部高程變化小且點位周圍相對平坦［6］。

圖1 控制點布設示意圖

在整個數據處理過程中空三處理是保證精度的主要環節，對試驗區影像處理的過程中，按照一定的分布規律逐漸減少控制點參與空三解算，控制點選取按照下面5種方案:①密周布點:所有15個外業控制點參加光束法平差;②稀疏密周布點:按照旁向每隔5 km、航向每隔10 km一個平高點，共選取9個平高點;③拐點加中間布點:選取四周4個拐點和中心點，共5個平高點;④拐點布點:只選取四角4個平高點［7］;⑤無控制點:無控制點參與解算。對上述5種控制點布設方案，依次進行空三解算，空三處理后，地面定向點結果見表2。

表2 光束法平差結果 m

表2中，RMSx為定向點北坐標x的中誤差;RMSy為定向點東坐標y的中誤差;RMSxy為定向點的平面中誤差;RMSz為定向點的高程中誤差［8］。無控制點的情況下空三結果通過檢查點核算，對地面多余控制點進行檢核計算，多余控制點精度見表3。

表3 檢查點精度結果 m

表3中，Mx為檢查點北坐標x的中誤差;My為檢查點東坐標y的中誤差;Mxy為檢查點的平面中誤差;Mz為檢查點的高程中誤差［9］。根據地形圖航空攝影測量內業規范可知，1∶1000山地空三地面定向點、多余控制點限差表見表4［10］。

表4 1∶1000山地空三定向點、多余控制點限差表m

通過比較表2、表3和表4可知:密周布點法、稀疏密周布點法、拐點加中間布點、拐點布點、無控制點布設這5種控制點布設方案都能夠滿足精度限差要求。密周布點法和稀疏密周布點解算精度很理想;拐點加中間布點和拐點布點解算中誤差明顯加大;由地面檢查點結果可知，無控制點布設情況下解算結果檢查點中誤差最大。總體來看，隨著像控點之間間隔距離的增加，參與解算像控點減少，定向點和檢查點的點位中誤差和高程中誤差呈增大的趨勢。

四、結 論

綜合試驗生產工作量情況和各項成果的精度可得出以下結論:

1)采用A3航攝儀進行山地區域航空攝影作業時，在控制點布設方案的選擇中，如果作業范圍較小可以選擇無控制點方案。但是范圍較大的情況下，為了保證空三結果精度更優，選擇拐點加中間布點方案，在4個拐點與中心位置各布設一個控制點對整個區域進行控制，這樣整體空三的精度更可靠。

2)對于大范圍測區，建議按照稀疏密周布點布設方案，如果條件允許，5～10 km布設一個平高點，對于困難區域，可適當放寬一點。

3)由于A3航攝儀的特殊作業方式，本次試驗中無控制點空三解算后，精度可以達到要求，但是對于常規框幅式及推掃式數碼航攝儀無控制點布設方案的可行性，還需進一步試驗。

［1］張祖勛，張劍清.數字攝影測量學［M］.武漢:武漢大學出版社，1997.

［2］何文林，郭文.航空攝影測量像片控制點布設方案研究［J］.四川測繪，2003，26(1):43-48.

［3］祝曉坤，張海濤，董明.基于數理統計分析的數字攝影資料空三布點方案選擇［J］.北京測繪，2006(4):1-5.

［4］張劍清，潘勵，王樹根.攝影測量學［M］.2版.武漢:武漢大學出版社，2009.

［5］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.

［6］安金玉，方源敏.基于DMC-Ⅱ數碼航空攝影測量區域網布設研究［J］.價值工程，2013(31):219-221.

［7］朱士才，羌樹華，鄒學忠，等.數碼航攝(DMC)像控布設方案研究［J］.現代測繪，2008，31(6):9-10.

［8］朱陳明，趙力彬，李慶東.基于DMC數碼影像的數字攝影測量精度探討［J］.測繪標準化，2010，26(3):19-22.

［9］趙云昌，丁瑩瑩.SWDC數碼航攝區域網控制點布設的精度試驗［J］.山東國土資源，2009(12):31-33.

［10］國家測繪局.GB 7930—87 1 ∶500、1 ∶1000、1 ∶2000地形圖航空攝影測量內業規范［S］.北京:中國標準出版社，1987.