高分辨率航帶影像像控點(diǎn)的布設(shè)和基準(zhǔn)約束測(cè)量

范業(yè)穩(wěn)，李睿碩，周洪波

(1. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 2. 武大吉奧信息技術(shù)有限公司，湖北 武漢 420223)

高分辨率航帶影像像控點(diǎn)的布設(shè)和基準(zhǔn)約束測(cè)量

范業(yè)穩(wěn)1，李睿碩2，周洪波1

(1. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 2. 武大吉奧信息技術(shù)有限公司，湖北 武漢 420223)

推掃式航攝儀所獲取的帶狀影像，其每個(gè)像素都具有比較準(zhǔn)確的WGS-84坐標(biāo)。帶狀影像模型自成剛體，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，但其區(qū)域網(wǎng)模型精度在高程方面偏弱。受其自身航帶影像模型剛性和區(qū)域網(wǎng)弱高程模型精度的影響，其像控點(diǎn)布設(shè)有其自身的特殊性。在獲取具有多重空間基準(zhǔn)約束的像控點(diǎn)的過程中，當(dāng)在像控區(qū)域中有CORS基站、GPS控制網(wǎng)、水準(zhǔn)控制網(wǎng)等多個(gè)空間基準(zhǔn)類型可以利用時(shí)，可利用IGS站點(diǎn)和EGM2008數(shù)據(jù)快速驗(yàn)證這些基準(zhǔn)的應(yīng)用有效性，避免已有空間基準(zhǔn)的潛在問題，這是保證像控點(diǎn)快速和精確獲取的關(guān)鍵。

推掃式航空影像；像控點(diǎn)布設(shè)；基準(zhǔn)約束；像控測(cè)量；IGS

由于采用線性CCD作為成像單元，推掃式航空攝影系統(tǒng)需要集成GPS和慣性測(cè)量單元(IMU)，在航攝時(shí)記錄每條掃描線數(shù)據(jù)的同時(shí)能夠記錄每條掃描線的投影中心坐標(biāo)和姿態(tài)，再通過機(jī)載GPS事后差分及與IMU的融合計(jì)算可以獲得每個(gè)像素比較準(zhǔn)確的WGS-84坐標(biāo)[1-2]。其所形成的航帶影像剛性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，直接地理定位精度較高。但是在大比例尺推掃式航空攝影測(cè)量應(yīng)用中，由于所需測(cè)繪產(chǎn)品的精度高于航帶影像直接地理定位精度，同時(shí)又要保證測(cè)繪產(chǎn)品能夠在地方空間基準(zhǔn)下的靈活應(yīng)用，必須對(duì)推掃式航攝影像進(jìn)行空三加密。而進(jìn)行空三加密，首先必須合理布設(shè)和獲取空三加密所需的像片控制點(diǎn)。推掃式航攝影像受其自身航帶影像的剛性和其區(qū)域網(wǎng)弱高程精度的影響，其像片控制點(diǎn)的布設(shè)有其自身的特殊性；并且隨著現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，在一個(gè)測(cè)區(qū)中通常有多個(gè)空間基準(zhǔn)存在，在原始影像基準(zhǔn)和目標(biāo)空間基準(zhǔn)的雙重約束下，如何合理利用測(cè)區(qū)已有空間基準(zhǔn)以保證像控點(diǎn)的快速和精確獲取，是提高航空攝影成果應(yīng)用效率的關(guān)鍵。

1 航帶影像像片控制點(diǎn)布設(shè)

無論是面陣式還是線陣式航空影像空三加密，都需要一定數(shù)量的像片控制點(diǎn)。由推掃式航攝儀的成像原理[3-6]可知，通過線陣推掃方式所獲得的航帶影像，其誤差主要來自GPS和IMU因航帶飛行時(shí)間而產(chǎn)生的積累誤差，通過采用分段或定向影像技術(shù)建立影像成像平差模型，恢復(fù)航帶影像后，在x、y平面上，其內(nèi)部像素之間具有很強(qiáng)約束性，整體呈現(xiàn)為剛性，地理定位精度較高；而在Z方向，則主要受航攝時(shí)飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定性、速度均勻性及線陣感光元件CMOS本身的制造平整性等質(zhì)量元素影響較大，區(qū)域網(wǎng)模型呈現(xiàn)弱高程精度特征。因此，根據(jù)推掃式航空影像的影像模型誤差特征，以及傳統(tǒng)的像片控制點(diǎn)布設(shè)原理，推掃式航帶影像的像控點(diǎn)布設(shè)要求設(shè)計(jì)如下：

(1) 由于推掃式航帶影像的剛性特點(diǎn)，平面控制點(diǎn)的作用主要是將航帶模型歸算到目標(biāo)基準(zhǔn)并平差整個(gè)航帶模型的解算誤差，提高模型的平面精度，因此平面控制點(diǎn)的布設(shè)宜按宏觀控制整個(gè)航帶或測(cè)區(qū)的要求布設(shè)，航帶模型宜布設(shè)在航帶兩端，規(guī)則區(qū)域網(wǎng)宜布設(shè)在區(qū)域網(wǎng)周邊角點(diǎn)，不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)按區(qū)域網(wǎng)周邊角點(diǎn)布設(shè)，在不規(guī)則部分可適當(dāng)增加檢查點(diǎn)，如圖 1所示。

圖1 推掃式航帶影像的平面控制點(diǎn)布設(shè)方案

(2) 高程控制，因每個(gè)點(diǎn)的高程是呈離散分布的，其精度主要與測(cè)繪區(qū)域的測(cè)量模型與實(shí)際模型的符合度相關(guān)，且測(cè)量模型的平面精度對(duì)每個(gè)點(diǎn)高程的變化具有一定的約束作用。由于推掃式航帶影像具有較高平面精度，因此其高程主要表現(xiàn)為平差解算過程中傳遞高程分量的方位元素誤差的積累。因此推掃式航帶影像的高程控制點(diǎn)同框幅式航攝影像一樣，應(yīng)按照精確擬合測(cè)繪區(qū)域?qū)嶋H模型起伏和分塊控制誤差積累的目的來布設(shè)，宜覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，按矩形、品型布設(shè)，如圖 1所示，通常可采用9、12、21點(diǎn)法來布設(shè)，且每個(gè)像控點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在地面平坦區(qū)域，同時(shí)要求最外圍高程控制點(diǎn)連線區(qū)域應(yīng)包含整個(gè)成圖范圍。

(3) 對(duì)于像片控制點(diǎn)的測(cè)量精度應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行，刺點(diǎn)要求則按照內(nèi)業(yè)能夠有效判讀的原則執(zhí)行。

2 基準(zhǔn)約束下像片控制點(diǎn)獲取

隨著GPS技術(shù)的快速發(fā)展，各地通常同時(shí)都有多套空間基準(zhǔn)，由于保存和維護(hù)不到位，基準(zhǔn)成果出現(xiàn)變化，沒有得到及時(shí)更新是常見之事。由于航帶影像自身具有WGS-84坐標(biāo)，為保證該成果能得到靈活應(yīng)用，需要建立WGS-84與地方坐標(biāo)、大地高和正常高之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。基于現(xiàn)有多基準(zhǔn)的情況，設(shè)計(jì)一套像片控制點(diǎn)獲取和驗(yàn)證方案，可減少像控工作因基準(zhǔn)的潛在問題而返測(cè)的可能，并對(duì)基準(zhǔn)及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。

(1) 如果測(cè)區(qū)有具有地方坐標(biāo)的CORS基站或GPS控制點(diǎn)，可采用聯(lián)測(cè)IGS(the international GNSS service)站的方式，獲取CORS站或GPS控制點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)，同時(shí)驗(yàn)證這些控制點(diǎn)已有WGS-84坐標(biāo)的正確性。控制點(diǎn)與IGS站聯(lián)測(cè)的基本原理[8]是通過采用大地型雙頻GPS和天線，使用最新的軌道參數(shù)，觀測(cè)24 h，再根據(jù)IGS站點(diǎn)[9]的分布情況，選取合適的IGS站點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)組網(wǎng)，并作為區(qū)域網(wǎng)起算點(diǎn)，然后下載同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用成熟的GPS數(shù)據(jù)處理軟件來解求待測(cè)點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)。

(2) 將具有WGS-84三維坐標(biāo)和地方坐標(biāo)的控制點(diǎn)與高精度高程控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)，獲取其高程(1985國家高程基準(zhǔn))驗(yàn)證起算點(diǎn)高程(1985國家高程基準(zhǔn))的正確性；如果區(qū)域內(nèi)無高精度高程控制點(diǎn)，則根據(jù)空三高程精度要求，參考采用EGM2008全球高程異常數(shù)據(jù)來解求或驗(yàn)證各控制點(diǎn)已有的正常高。

(3) 采用分級(jí)控制的方法推求所有控制點(diǎn)的坐標(biāo)，解算兩套基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，確保空三平差精度。

3 方案驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)區(qū)位于中國西北部，由南北2個(gè)航攝分區(qū)構(gòu)成。北區(qū)約120 km2，測(cè)圖比例尺為1∶2000，基準(zhǔn)面高700 m，航片GSD為20 cm，相對(duì)航高1929 m，旁向重疊35%，9條航線，平均長度30 km；南區(qū)約280 km2，測(cè)圖比例尺為1∶5000，基準(zhǔn)面高950 m，航片GSD為27 cm，相對(duì)航高2604 m，旁向重疊35%，10條航線，平均長度18 km。影像數(shù)據(jù)采用ADS80航攝儀(鏡頭編號(hào)1404，焦距62.7 μm，像素6.5 μm)于2012年7月獲取，機(jī)載POS數(shù)據(jù)采用JPL精密星歷解算。測(cè)區(qū)基礎(chǔ)控制資料包括1個(gè)CORS基站，19個(gè)E級(jí)控制點(diǎn)，4個(gè)D級(jí)控制點(diǎn)， Ⅰ等和Ⅱ等高程控制點(diǎn)共5個(gè)，并參照空三加密布點(diǎn)要求，經(jīng)實(shí)地踏勘布設(shè)了33個(gè)像片控制點(diǎn)，如圖 2所示。

圖2 研究區(qū)航線像控點(diǎn)結(jié)合圖

現(xiàn)有空間基準(zhǔn)中CORS基站具有WGS-84和地方坐標(biāo)，在日常修測(cè)中經(jīng)常使用；D、E級(jí)控制點(diǎn)只有地方坐標(biāo)和1985國家高程基準(zhǔn)高程，高程控制點(diǎn)保存完好，1985國家高程基準(zhǔn)高程精度高。因此可以采用本方案來獲取像控點(diǎn)成果。

3.2 測(cè)區(qū)控制點(diǎn)與IGS站聯(lián)測(cè)

根據(jù)聯(lián)測(cè)和檢核要求，提取CORS基站2012年12月16日的獨(dú)立觀測(cè)記錄，并采用大地型GPS在3個(gè)E級(jí)點(diǎn)上同時(shí)設(shè)站(KC288、KC294、KC309)，如圖3所示，與CORS基站形成同步觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間大于8 h，解算軟件采用BERNESE 5.0，坐標(biāo)框架[10]為IGS08，基于IGS站的長距離相對(duì)定位方式來解算。選用的IGS站有ARTU、BADG、BJFS、CHUM、GUAO、IRKJ、KIT3、LHAZ、NRIL、POL2、TEHN、ULAB、URUM，采用的星歷產(chǎn)品為快速星歷產(chǎn)品。在基線解算過程中需對(duì)各項(xiàng)誤差進(jìn)行模型改正， 包括影

響較小的地球物理效應(yīng)(極移、歲差、章動(dòng)、潮汐等)。衛(wèi)星軌道采用九參數(shù)光壓模型，接收機(jī)鐘差利用改正后的衛(wèi)星位置和偽距觀測(cè)值計(jì)算而得，對(duì)流層采用Saastamoinen模型，映射函數(shù)為niell干濕延遲[11]；電離層采用LC觀測(cè)值消電離層方法；每條基線的整周模糊度采用QIF法確定，確定模糊度后，計(jì)算各參數(shù)值，包括對(duì)流層參數(shù)、坐標(biāo)等。同時(shí)選取GUAO、URUM、POL2這3個(gè)IGS站作為參考站，利用另外一款軟件(gamit)驗(yàn)證解算結(jié)果的可靠性，結(jié)果顯示CORS基站和KC294的X、Y、Z分量都存在幾毫米的差別(KC309在IGS08和IGS05框架下Y、Z方向的差距分別為15 mm和11 mm)。考慮到固定站選取、兩種軟件解算的策略及框架等因素，可以認(rèn)為兩種軟件解算的結(jié)果基本一致。CORS基站解算結(jié)果見表 1。

圖3

聯(lián)測(cè)前后經(jīng)度/(° ' ″)緯度/(° ' ″)大地高/mUTM/m備注CORS基站×××××5.7754×××××8.8760×20.163××361.241774××420.247185已知2012-12-16×××××5.809712×××××8.89212×18.053××362.014808××420.724447解算2013-05-13×××××5.809452×××××8.89344×18.040××362.009923××420.765327解算

從解算結(jié)果來看，CORS基站已知坐標(biāo)和聯(lián)測(cè)結(jié)果之間的坐標(biāo)差ΔY=0.770 m，ΔX=0.498 m，高程差ΔZ=-2.116 m，WGS-84坐標(biāo)和高程發(fā)生了變化，避免了因基準(zhǔn)誤差可能造成的返測(cè)。

3.3 控制點(diǎn)高程的精確獲取

由于測(cè)區(qū)內(nèi)有高精度高程控制點(diǎn)，可以采用與高等級(jí)水準(zhǔn)控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)的方式來檢測(cè)，再利用EGM2008進(jìn)行驗(yàn)證的方式來檢驗(yàn)。通過對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)已有高等級(jí)水準(zhǔn)控制點(diǎn)的保存措施和現(xiàn)狀分析，再根據(jù)D、E級(jí)點(diǎn)的地形分布，選取需要聯(lián)測(cè)的D、E級(jí)控制點(diǎn)，并設(shè)計(jì)高程聯(lián)測(cè)方案：利用一等水準(zhǔn)控制點(diǎn)奎烏3以四等水準(zhǔn)觀測(cè)要求采用閉合水準(zhǔn)路線對(duì)KC294點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)；以四等水準(zhǔn)觀測(cè)要求采用閉合水準(zhǔn)路線將奎鞏2的高程經(jīng)由DSZ08傳遞到KC309和KC310。結(jié)合2008年檢測(cè)結(jié)果最終可獲得KC288、KC294、KC309、KC310、KC300、KC293和DSZ08的水準(zhǔn)高程。通過本次檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)部分控制點(diǎn)高程變化較大，已超出規(guī)范要求，應(yīng)采用檢測(cè)成果作為起算依據(jù)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，解求KC309和KC294的高程異常，并采用EGM2008全球高程異常數(shù)據(jù)[12-13]進(jìn)行了校驗(yàn)，見表2。

表2 與IGS聯(lián)測(cè)后的控制點(diǎn)高程異常與EGM2008數(shù)據(jù)的對(duì)比 m

從表2可知，如果考慮兩個(gè)基準(zhǔn)在青島水準(zhǔn)原點(diǎn)的差別，EGM2008數(shù)據(jù)在本區(qū)域的精度應(yīng)在10 cm以內(nèi)。因此，在后續(xù)應(yīng)用中，可直接利用EGM2008數(shù)據(jù)內(nèi)插國家高程基準(zhǔn)下的高程值。

3.4 像片控制點(diǎn)獲取和空三驗(yàn)證

按照分級(jí)控制的原則，根據(jù)測(cè)區(qū)形狀、地形起伏特點(diǎn)先聯(lián)測(cè)具有精確水準(zhǔn)高程的點(diǎn)作為首級(jí)控制網(wǎng)，整體平差，檢測(cè)已有控制點(diǎn)平差后的坐標(biāo)(MaxΔS=0.02 m)；再利用平差后的D、E級(jí)點(diǎn)作為平面和高程擬合起算點(diǎn)整體平差像片控制網(wǎng)，獲取所有點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)、地方坐標(biāo)和1985國家高程基準(zhǔn)高程。

根據(jù)所獲控制成果，計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)。利用Leica XPro 5.2加載航帶影像后自動(dòng)匹配同名點(diǎn)，未匹配出同名點(diǎn)的區(qū)域由人工補(bǔ)測(cè)，調(diào)整誤差偏大的同名點(diǎn)，使相對(duì)定向精度滿足要求；進(jìn)而將像控點(diǎn)刺在影像上，進(jìn)行約束空三計(jì)算，對(duì)誤差超限的控制點(diǎn)點(diǎn)位重新進(jìn)行編輯，直到滿足控制點(diǎn)與檢查點(diǎn)絕對(duì)定向精度要求。空三誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 3。

表3 空三平差中控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的誤差統(tǒng)計(jì)值 m

為檢驗(yàn)空三的精度，將航帶影像引入立體環(huán)境，在立體環(huán)境下量測(cè)外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)空三精度[14-15]，Mh=0.181 m，Ms=0.269 m，符合規(guī)范[16]要求，可以滿足1區(qū)與2區(qū)成圖精度要求。

4 結(jié) 語

根據(jù)對(duì)ADS80推掃式航帶影像像控點(diǎn)布設(shè)、獲取和空三的分析和試驗(yàn)結(jié)果，可以確定參照本文所提像控點(diǎn)布設(shè)方案可以大量減少像控點(diǎn)的數(shù)量，有效平差航帶影像的模型解算誤差，提高區(qū)域網(wǎng)模型的高程精度。同時(shí)在基準(zhǔn)約束下進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量時(shí)，當(dāng)利用IGS站點(diǎn)和其他成果來檢測(cè)起算點(diǎn)坐標(biāo)精度時(shí)，可有效檢驗(yàn)或避免因空間基準(zhǔn)誤差而導(dǎo)致無法及時(shí)獲取正確像控點(diǎn)坐標(biāo)的情況，提高像控點(diǎn)測(cè)量效率。

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Layout and Reference Constraints Surveying of Image Control Points for High-resolution Aerial Strip Images

FAN Yewen1，LI Ruishuo2，ZHOU Hongbo1

(1. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing of Wuhan University,Wuhan 430079, China； 2. Wuda Geoinformatics Co. Ltd., Wuhan 420223， China)

Each pixel of strip image obtained by push-broom aerial photography system has precise coordinates of WGS-84. The stereo-model formed by aerial strip image is rigid, bearing strong stability, but has low precision inZcoordinateaftercarriedonaerialtriangulationadjustment.Becauseofinfluencedbymodel’srigidityandthelowprecisionofmodel’sZcoordinate,layoutofmodel’simagecontrolpointsforaerialtriangularadjustmentisdifferentfromothersituationsandhasitsownparticularity.Whensurveyingtheimagecontrolpointsiscarriedonundermulti-spatialreferenceconstraintswithoutotherchoices,includingCORSbasestation,GPScontrolnetwork,levelcontrolnetworketc.inaerialphotographregion.ItiskeypointtovalidatethecoordinateprecisionofthecontrolpointsinexistingspatialreferencewithIGSpointsandEGM2008datatoavoidthetheirpotentialerrorsandmakecertaintheimagecontrolpointscanbesurveyedquicklyandprecisely.

push-broom digital aerial image； layout of image control points； reference constraints； surveying of image control points； IGS

范業(yè)穩(wěn)，李睿碩，周洪波.高分辨率航帶影像像控點(diǎn)的布設(shè)和基準(zhǔn)約束測(cè)量[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(4)：67-70.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0122.

2016-07-11；

2017-02-16

范業(yè)穩(wěn)(1972—)，男，博士，副研究員，研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感、空間認(rèn)知。E-mail：fyw@whu.edu.cn

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A

0494-0911(2017)04-0067-04