基于ADS80數碼影像空三加密流程及精度分析

李海偉 ，姚 喜 ，王翠霞 ，安 潔

（1.濟南市勘察測繪研究院，濟南 250013；2.山東省水利勘測設計院，濟南 250013）

ADS40測量系統在2001年推出，其主要是由瑞士徠卡公司所開發，其掃描和攝影主要是基于線陣CCD。之后瑞士徠卡公司在2008年又推出了ADS80，這款測量系統是在ADS40基礎上發展而來，并添加了一系列相關功能，其已經達到了世界先進水平，在國內外都有廣泛應用。為了將攝影測量的效果進行有效提高，國內許多相關機構購置這個系統，將其應用在各大領域，如通信、水利、能源、規劃、交通、測繪等，這對于行業的基礎建設項目具有一定的實際意義。

傳統的空三加密還存在很多缺點，不能夠滿足當下的一些需求，為了得到更好的攝影測量效果，開發先進的測量系統十分必要，而Leica ADS80機載數字航空攝影是當下非常先進的測量系統，執行航攝任務具有成圖速度快、精度高、獲取產品多的特征。其具有的慣性導航定位系統和全球定位系統都是高精度的，可以實現多角度的精確攝影，且還可將外業控制進行有效減少，很好地解決了高程精度不足問題。執行航攝任務具有成圖速度快、精度高、獲取產品多等特征。利用Leica Gpro軟件平臺對ADS80三線陣影像進行空三加密，相比傳統的框幅式影像的空三加密，需要的控制點少，且高程精度較高，大大減少了外業工作量，降低生產成本，縮短生產周期。

由于ADS80數據具備的各項優勢，在南四湖下級湖抬高蓄水位影響處理工程項目中的1∶2000比例尺地形圖測繪，主要采用ADS80數據。

1 工程概況

南水北調工程中輸水、蓄水主要使用南四湖的下級湖，其對應的蓄水量也會發生較大變化，一定程度上對湖區生態環境造成了影響。一般來說，水位越高的話，其對應的漁湖業發展、水資源利用情況也會越好，具有一定的經濟效益。項目確定3條水位線，高程分別是32.3，32.8，33.3m，因此對高程精度和影像的現勢性等要求較高。

本項目選擇使用ADS80推掃式數字航攝儀，其主要是利用了三線陣掃描原理，并進行多角度的攝影，能夠同時獲得具有前視、下視、后視、100%三度重疊度、連續無縫的高精度立體影像。基準面GSD為15cm。

微山湖空三加密區總航線有34條，測區共布設26個像控點，根據每次架次航攝位置不同及航線長短不同，整個加密區分成2個空三加密小區，逐個進行平差計算，具體分區如圖1。

圖1 分區示意圖

圖中微山湖01-14航線為加密1區（project_wsh），微山湖15-34航線為加密2區（project_wsh2p）。

2 ADS80數碼影像空中三角測量

對ADS80數據進行獨立處理的空三加密軟件很少，這與采集的數據非常復雜有關。而徠卡公司為了快速有效地進行相關分析，推出了Leica Gpro軟件平臺，專門分析處理ADS數據，具有一系列方便實用的功能。使用該軟件，可快速生成正射影像或立體圖像。為此，該項目內業處理設備及軟件引進了Leica公司攝影測量系統，主要包括ADS數據后處理系統Gpro、POS數據處理系統IPAS、全數字攝影測量工作站LPS、自動空中三角測量ORIMA和遙感影像處理軟件ERDAS。其中，作為一種自動空三加密軟件，其具有基本不受數據量限制、操作簡單、自動、高效等優點。

Leica攝影測量系統的各軟件模塊主要功能為：Gpro軟件主要是用來對ADS80采集數據的前期處理，影像糾正、創建工程、數據下載等都可由其完成，并進行初級加密。I GPS/IMU數據進行一系列相關處理主要是利用PAS軟件來進行，并獲得相應的得到姿態和位置數據信息，之后在將其進行融合，從而得到定姿數據。聯合平差計算區域網主要使用Orima來進行相關分析。

2.1 數據準備

空三加密前需要準備原始數據：

（1）LO級影像數據文件，TIF格式。

（2）影像參數文件（.ads）文件。

（3）飛行GPS-IMU數據。

（4）相機參數文件（cam）。

2.2 空三加密流程

ADS80空三加密采用Leica公司攝影測量系統，主要包括ADS數據后處理系統Gpro、POS數據處理系統IPAS、全數字攝影測量工作站LPS、自動空中三角測量ORIMA和遙感影像處理軟件ERDAS。首先需要對原始數據進行預處理，得到L0級影像，在建立測區后進行區域內連接點匹配，完成區域網平差計算。加入像控點及檢查點后進行區域網的聯合平差解算。當檢查點的殘差滿足精度要求時，輸出加密成果，提交下工序使用。

ADS80數據的空三加密基本流程主要包括Orima平差解算、同名點匹配、影像預處理、GPS/IMU數據解算等，下面將對其進行簡單介紹，如圖2。

圖2 加密流程

2.2.1 POS（GPS/IMU）數據解算

GPS數據解算對本次分析至關重要，一般來說，在有地面基站的情況下，將會更多選擇WayPoint軟件，而在沒有地面基站的情況下，將會更多選擇IPAS PPP軟件，計算將會使用后向和前向，并對比兩者的計算結果，一定要保證兩者誤差在一定誤差范圍內。融合GPS和IMU數據常用軟件為IPASPRO，其不僅可進行軌跡光滑，還可將其一系列相關數據進行有效解算，并得到相應的最優軌跡文件，導航信息一般會按照時間順序進行記錄，還會相應地產生一系列相關文件，這對其將相關誤差進行有效反映至關重要，主要包括速度中誤差、姿態中誤差和位置中誤差等。

2.2.2 影像數據預處理

對采集的相關數據進行相關檢查，檢查通過后，解壓相關坐標信息，并建立對應坐標關系，可以根據機載GPS/IMU進行關聯影像曝光和觀測時間，使相關數據帶有坐標信息，得到相應初始定向文件EOP，進而得到金字塔影像和L0級影像，即可用于添加人工點和平差。

2.2.3 APM自動點量測

實際地理定位信息和L0級影像文件會有誤差，為了有效減小誤差，在相關技術基礎上，實現自動同名點匹配，使用空中三角進行測量，達到重定向各條航帶的目的。自動點量測可將APMADS80數據進行有效匹配，其主要是根據多視角、多光束、多片的自動點來進行，可得到較佳的影像匹配。

2.2.4 ORIMA平差解算

平差解算是較關鍵的一環，主要使用Orima進行，在平差前設定相關參數，主要包括粗差剔除選項、權中誤差值、迭代次數等。

2.2.5 輸出成果

在進行系列的操作后，輸出最終加密成果，主要為一系列不同信息文件，如高程異常修正值文件、七參數文件、相機文件、影像的初始定向文件等。

無約束平差空中三角測量數據處理的技術要求：

（1）ORIMA空三Sigma值小于2。

（2）X，Y，Z，O，P，K的權在0.8～1.2之間。

（3）Antenna Centers RMS：X，Y，Z值小于0.2。

（4）IMUAngles RMS：X，Y，Z值小于0.05。

3 精度評定及分析

3.1 主要精度要求

相關參數對應的精度要求，具體參考如表1，空三報告統計如表2。

表1 精度要求

表2 空三報告統計

3.2 精度影響因素

3.2.1 GPS/IMU數據精度

從ADS80數字航空攝影的特點來看，空三加密過程不依賴于地面控制點，而根據空三解算相關數據，影像數據在被ADS80相機獲取時，也相應被記錄到MM40系統中。一般來說，影像采樣頻率較高，而GPS接收機對應的采樣頻率明顯更小，雖然獲得的位置參數十分精確，但其對應的可靠性較差，尤其是在高動態環境中。在較短的時間內具有較高的精度是IMU數據的一大特征，如果時間在慢慢延長變化，其對應的誤差也會相應變大，這時就需要利用相關工具進行矯正，及時矯正對于有效控制誤差來說至關重要。此外，還需要將周跳、信號失鎖等問題進行有效解決，一般發生在動態環境中，可以利用傳感器傳回來的相關姿態和位置信息進行處理。GPS/IMU的精度情況對于ADS80系統的性能情況起著十分關鍵的作用。

3.2.2 坐標系統

WGS84坐標系是ADS80主要的參考坐標系，其中高程坐標系和平面坐標系都是使用該坐標系，這與WGS－84橢球具有較高精度和一定的可靠性是分不開的。在進行相關數據分析時，如果涉及到坐標變化范圍的數據時，需要將其進行相關轉化，這對高程精度至關重要。

3.2.3 基高比影響精度分析

基高比是影響高程精度量測的重要因素。人員立體觀測一般會受基高較大影響，所以高程量測精度可能存在較大誤差。一般來說，基高比越大，立體夸大現象越明顯，可以得到更準確的立體采集。ADS80航攝系統相比市場上其他系統要高出很多，0.76為其對應的最大基高比，為繪制高程精度圖提供了保障。

4 結語

ADS80機載數字航空攝影是目前非常先進的測量系統，其優勢特點具體如下：

（1）ADS80進行攝影使用的是三線陣方式，可獲得較高質量的立體影像，且可實現多個角度攝影，相互補充盲點，對可能被遮擋的位置進行有效采集。

（2）ADS80具有高精度的慣性導航定位系統和全球定位系統，可實現多角度精確攝影，有效減少外業控制，很好地解決高程精度不足的問題，具有更高的整體成圖精度。

（3）完整影像采用單一鏡頭就可獲取，其需要的控制點少，且高程精度較高，大大減少了外業工作量，降低生產成本，縮短生產周期。

（4）通過南四湖項目，本文主要選擇Leica ADS80進行相關研究探討，其機載數字航空攝影是目前非常先進的測量系統，執行航攝任務具有成圖速度快、成圖精度高、獲取產品多的特征，可實現多角度的精確攝影。本次設計結果顯示，空三精度符合1∶2000比例尺精度要求，且其對應的控制點明顯減少，可實現較好的作業要求，將外業工作量進行有效減輕，大大提高了生產效率和地形圖更新速度，具有廣泛的應用前景。