POS輔助空中三角測量在大比例尺航空攝影測量中的應用研究

劉愛霞　吳文靜

摘 要：POS輔助空三技術的應用使得傳統航空攝影測量擺脫了對于大量地面控制點的依賴性，在提高作業效率的同時也帶來了很大的經濟效益。該文結合具體的生產項目，對1∶1 000大比例尺測圖中POS輔助空三的精度進行分析，并通過實驗探討像控點布設的最優方案，為POS輔助空三在1∶1 000成圖中的應用提供技術依據。

關鍵詞：POS輔助空中三角測量 像控點布設 最優方案 精度分析

中圖分類號：P23 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0009-04

Abstract：POS supported aerial triangulation technology application make the traditional photogrammetry from the dependent on large number of ground control points，this can not only improve the operational efficiency，at the same time also brought great economic benefits.This dissertation mainly make Accuracy analysis of POS supported aerial triangulation in 1∶1 000 large scale digital mapping，and discuss the optimal solution of the control point layout through experiments.All of those provide a reliable technical support for the POS supported aerial triangulation application in 1∶1 000 large scale digital mapping.

Key Words： POS supported aerial triangulation； Control point layout； Optimal decision； Accuracy analysis

近幾年，將POS系統應用到航空攝影測量領域成為研究熱點。POS系統主要由GPS和IMU兩個核心部件組成，GPS 用于獲取影像的空間坐標，IMU 用于記錄三個姿態角，將POS系統與航攝儀集成在一起，通過聯合解算可以直接獲取到每張像片的6個外方位元素。

POS 輔助航空攝影測量方法主要包括：

（1）直接定向法（Direct Georeferencing，DG）[1]，采用IMU/GPS輔助航空攝影技術，得到每張像片的外方位元素，實現無需地面控制點的航空攝影測量方法。

（2）輔助定向法（Integrated Sensor Orientation，ISO）[2]，即將POS系統獲取的每張像片的外方位元素作為帶權觀測值參與攝影測量區域網平差，進而得到每張像片的高精度外方位元素。

該文重點研究了POS輔助定向法滿足1∶1 000成圖精度的像控點布設方案，為項目的進一步執行提供技術參考。

1 POS輔助空中三角測量

1.1 POS輔助空中三角測量

POS輔助空中三角測量，國際上也稱為ISO（Integrated Sensor Orientation），是將基于GPS/IMU 組合系統直接獲取的每張像片的外方位元素，作為帶權觀測值參與攝影測量區域網平差，獲得更高精度的像片外方位元素成果。

POS輔助空中三角測量實際使用時，是將GPS/IMU獲取的位置和姿態數據代入到空三運算中，利用像片匹配的連接點和地面控制點等輔助數據，可以獲得更高精度的結果。國際上大量實驗證明，即使僅用像片連接點，而不用地面控制點進行聯合平差，也能大大提高GPS/IMU獲得的外方位元素的精度，尤其是高程的精度和穩定性。如果再加入地面控制點，則整個模型非常穩健，計算結果的精度接近于常規空三結果。有研究結果表明，僅用1個地面控制點就達到很高的精度，使用2個地面控制點精度進一步提高，當加到3個、4個地面控制點時，精度雖有提高但已不明顯，因此考慮到粗差的檢測以及整體的穩定性，一般在測區4角加入地面控制點比較合理。

1.2 POS輔助空中三角測量的應用前景

目前我國國民經濟的各行各業對大比例尺圖件的需求與日俱增，由于傳統的空中三角測量的精度受各種條件的限制，而POS輔助空三加密技術可以彌補傳統空三加密的缺陷，不僅改變了過去先進行航攝、接著對外業的像片控制點進行測量 ，最后進行內業的空三加密工序流程，而且提高了精度，減少作業的程序。提高了作業效率，為最終實現數字攝影測量的自動化生產奠定了堅實的基礎。進一步將空三加密成果精度得到提高，使大比例尺成圖精度達到國家規范要求有了更高的保障。所以，POS輔助空中三角測量的技術更加完善，其應用即將更加廣泛。

同時，POS輔助空中三角測量解決了西部困難重重的地形復雜地區，無法進行外業控制測量的難題，使得測繪小比例尺圖件成為現實。相信，不久的將來在我國所有的疆域上不再有測繪者不能測量的地方，使航空攝影測量在我國國民經濟發展的西部大開發中發揮更大的作用。

2 實驗研究

2.1 項目概況

新疆測區地處我國西北邊陲，地形以山間平原盆地和河谷地為主。測區東北部多為山地，海拔較高；其他地區以山間平原盆地和低矮丘陵為主，地勢比較平坦，地形起伏不大。地形類別以平地、丘陵地為主，包含部分山地。

該實驗數據選用新疆項目所獲取的航空影像，采用POS輔助航空攝影技術，所使用的相機為UCXp相機，相機焦距為100 mm，CCD面陣像元數為17 310×11 310，像元尺寸為6 um，設計影像地面分辨率為0.08 m，相對航高為1 330 m。該實驗選取了5條航線，每條航線約27張影像，共計133張影像。空三加密采用常規空三， POS輔助空三四點法、五點法、六點法進行區域網平差計算。

空三加密處理采用航空數據處理空三加密軟件PixelGrid，其平差模塊是國際上公認的光束法區域網平差軟件PATB。該實驗主要結合項目探討分析在1∶1 000大比例尺測圖情況下POS輔助空三的加密精度以及像控點布設的最優方案。

2.2 常規空三加密實驗

常規空三加密處理使用控制點布點方案如圖1所示。

規范（GB/T 23236-2009）要求的加密精度[3]見表1所示，該實驗得到的常規空三加密處理精度見表2所示。

2.3 POS輔助空三加密實驗

將解算得到的每張影像的高精度外方位元素作為空中三角測量的附加觀測值導入到PixelGrid空三加密軟件中參與區域網平差，分別采用四點法、五點法、六點法作為定向點，其余作為檢查點，進行平差。

四點法：將4個控制點布設在實驗區的四角。如圖2所示。

五點法：將其中4個控制點布設在實驗區的四角，一個控制點布設約中間位置。如下圖3所示。

六點法：在四點法的基礎上，實驗區中間航線的兩端各加布一個像控點。如下圖4所示。

從表3可以看出POS輔助空三加密對于該測區采用五點法即可滿足我國規范對于1∶1 000比例尺丘陵地地形的精度要求，且加密精度與常規空三加密精度相差不大。從而可以得到在航線方向的跨度20條基線，旁向跨度5條航線時布點，采用五點法即可達到要求的精度。

此外，在實驗區5條航線的基礎上，進一步增加航線條數，采用POS輔助五點法進行空三加密實驗，以得到滿足精度要求情況下的最佳像控布設方案。

從表4可以看出增加航線數測區精度會有明顯下降，在旁向8條航線、航向每隔約20條基線布點是可以滿足精度要求的，但增加到9條航線就無法滿足精度要求了。

2.4 實驗結果

該實驗針對采用UCXP數碼相機，丘陵地形，并滿足1∶1 000比例尺的成圖要求的測區進行論證。通過對整個試驗過程的回顧，事實證明，區域網規模為5條航線，27條基線時，采用POS輔助空三加密，布設5個控制點就能夠達到規范所要求的精度，所得到的加密成果完全可以滿足實際應用。在航線增加到8條航線時，航向每隔20根基線布點也可滿足規范精度要求，但是該項目在作業時為了保證精度沒有大規模的采用這種布點方案，只是在丘陵地區進行了小區域實驗分析，大規模區域布點以及復雜地形應用還需進一步進行應用實驗研究。

3 結語

機載POS輔助航空攝影測量對于我國測繪行業來說發展時間還不長， 相應的技術規范還不能做到面面俱到，其在機載 POS 輔助航空攝影測量的區域網劃分和布設方面還沒有一個明確的規定[4]。通過POS輔助空中三角測量是一種實用、經濟的攝影測量加密方法，為航空攝影測量開辟了新的前景。POS輔助航空攝影測量滿足平地、丘陵等地區精度要求的同時，也可減少空三加密的繁重野外控制工作，很好地解決山區、森林等困難地區的布點、刺點、測量困難大等問題，縮減成本，提高作業效率。該文是POS輔助空中三角測量在實際生產中的應用實驗，從實驗結果可以看出，使用POS輔助定向法取得了較理想的精度。該文只是結合公司實施的項目進行了一次應用實驗工作，希望在以后的生產實踐中能夠提供有價值的技術參考，使其能夠更好的服務于國家各種測繪項目之中。

參考文獻

[1] 中華人民共和國國家標準.GB/T 27919-2011，IMU GPS輔助航空攝影技術規范[S].北京：中國標準出版社，2011.

[2] 王樹根.攝影測量原理與應用[M].武漢：武漢大學出版社， 2009.

[3] GB/T 23236-2009，數字航空攝影測量空中三角測量規范[S].北京：中國標準出版社，2009.

[4] 黃健，鄒學忠.輔助定向法空中三角測量區域網布控方案分析[J].測繪通報，2014（7）：70-74.