機載GPS輔助像控布設在數字醴陵大比例尺航攝成圖中的應用

田婉怡 劉正才 戴建初 田喜軍

摘 要 本文以數字醴陵項目為例，設計800 km2、1000 km2、1200 km2和1500 km2四個不同面積的加密分區，采用GPS輔助光束法區域網平差的方法，在區域四角布設平高地面控制點，敷設兩條構架航線，研究滿足現行航空攝影測量作業規范的合理加密分區面積，并與常規光束法區域網布點方案外業工作量進行對比。研究表明：本次試驗中利用上述方法在800 km2-1200 km2加密分區范圍內能滿足規范要求，減少80 %左右的像片控制工作量，縮短航測成圖周期，具有較高的推廣應用價值。

關鍵詞 GPS；光束法區域網平差；構架航線

中圖分類號：P207+.2 文獻標識碼：A

Abstract： Taking the project of digital city of Liling for example to design four aerotriangulation area with different area of 800 km2， 1000 km2， 1200 km2 and 1500 km2. Adopt the method of GPS-supported bundle block adjustment， when there are 4 XYZ ground control points around the corners of a block area， layouts 2 tie flights and research the reasonable size of aerotriangulation area which meet the current specifications of aerophotogrammetry and compare with the outside work of conventional bundle block adjustment. Research shows： In this experiment， the results confirms that the accuracy meets the requirement of the specifications in the range of 800 km?-1200 km?. It leads to more than 80% reduction in field survey for ground control points and shorten the period of mapping. As a result， the method illustrated in the paper is worthy of being widely applied.

Keywords： GPS； bundle block adjustment； tie flight

0 引 言

攝影測量需解決航攝像片的定向問題。航攝像片的定向通常指在實驗室采用物理的方法檢定像片內方位元素，并依靠空中三角測量和大量的地面控制點間接求解像片加密點的大地坐標或外方位元素的過程。其中，傳統空中三角測量需要大量的地面控制點。但是，對于植被茂盛、地勢險峻的山地、丘陵以及沙漠、戈壁等特殊測區，找到合適的地面控制點較難，從而導致該成圖方法精度不高且效率低[1]。因此，在難以獲取地面控制點的測區，探究一種能減少甚至無需地面控制點來恢復攝影瞬間航攝像片外方位元素的方法至關重要。

攝影測量區域網平差是空中三角測量中關鍵的步驟，通常是利用足夠數量的地面控制點，實現由空中三角測量網到規定地面坐標系的轉換，對模型網進行絕對定向并改正系統誤差[2]。理論上，在各種區域網平差方法中，光束法區域網平差最為嚴密。基于該平差方法，為獲得最優加密精度，必須在區域網中央平均每隔4條基線布設1個高程地面控制點，在區域網四周平均每隔2條基線布設1個平高地面控制點，并布設成鎖網狀。而GPS輔助光束法區域網平差可利用GPS獲取攝站三維坐標，將其作為輔助數據引入攝影測量區域網平差，以取代地面控制點，從而減少地面控制點的數量。袁修孝[3]等通過帶有GPS導航數據的實際航攝資料對地面控制點的布設、構架航線的敷設、無地面控制空中三角測量的精度等進行了研究。研究表明，實際生產中，必須在測區的四角布設4個地面平高控制點。引入少量地面控制點是為了轉換GPS攝站坐標和改正各種系統誤差，提高空三加密精度。王鐵軍[4]等對不同地面控制條件下GPS輔助空中三角測量精度進行了對比分析，驗證引入少量地面控制點與GPS數據進行聯合平差可以有效地改正各種系統誤差，提高空三加密的精度。李安福[5]等通過四角布點加構架航線的方法，對位于某空曠戈壁灘的測區進行GPS輔助空中三角測量，并通過外業實地采集檢查點對地形圖進行精度檢測，驗證了該方法可行性，并說明構架航線能起到控制點的作用，可大量減少地面控制點的數量。秦修功[6]等基于無人機航空影像，分析構架航線對GPS輔助光束法區域網平差精度的影響，通過對不同試驗方案進行精度分析，論證了構架航線在提高區域網平差精度有著重要作用，能實現外業控制點數量的減少。上述研究主要驗證了GPS輔助光束法區域網平差方法的可行性和四角像控點加飛構架航線的像控布點方式可以提高空三成果的高程精度。在工程實踐中，受到地形、航攝資料等因素的影響，運用四角像控點加飛構架航線的像控布點方式在加密區面積增大至一定范圍后可能精度無法滿足規范要求。因此，研究在滿足規范精度要求的前提下加密區最大面積，能盡可能減少外業工作量，提高工作效率，具有良好的社會效益與經濟效益。

為此，本文以數字醴陵地理信息基礎工程建設項目中的航測1∶2000 DLG制作為例，運用GPS輔助空中三角測量，采用帶構架航線的GPS輔助光束法區域網平差像控布點方案得到空三成果數據，研究在該方案下滿足國家規范的空三成果的最大加密分區面積，并與常規方案下空三成果的精度和工作量做對比分析。研究結果將大幅提高大比例尺航攝成圖的整體精度，并大量減少像控點的布設數量，減少外業工作量，提高生產效率。

1 試驗方案

1.1 測區概況及航線敷設情況

醴陵市位于湖南省東部，以山區、丘陵地貌為主。攝影分區內平均高程為385米，最高點840米，最低點35米，地形地貌復雜且北部為山區，不易布設像控點，且醴陵測區的行政界線形狀不規則。為減小航攝工作量和像控布點難度，醴陵測區的航線按照攝區行政界線形狀方向敷設（見圖1）。其中，N01-N25是普通測圖航線，N26-N28是構架航線。攝區航空攝影基本技術要求如表1所示。

1.2 加密分區及像控布點方案

本次試驗在A攝區范圍內進行，使用了測圖航線N01-N18和構架航線N27-N28。為了確認最大加密分區范圍，在A攝區內依次選取四個不同面積的加密分區，并在每個加密分區的四個角上各布設一個平高點，在區域兩端敷設兩條構架航線見（圖2）。像控點盡量布設在有明顯地面標識物的區域。為減少外業像控工作量，能重復使用的像控點盡量重復使用。在每個加密分區的中間按品字形均勻分布檢查點，用于空三加密的檢查點計算。其具體方案設計見表2。對每個加密分區分別進行空三加密，將得到的平差結果（基本定向點殘差、檢查點誤差、連接點誤差、公共點較差）與國家規范[7]的精度指標進行比對，分析該方法對空三成果的精度有何影響和減少的外業工作量。

2 試驗結果分析

2.1 內業精度分析

本項目采用imagination軟件進行區域網平差。該軟件利用GPS/BD輔助技術把時間作為有效觀測值，運用少量的地面已知點（像控點）即可實現像方坐標到物方坐標的整體空間轉換。結果表明：liling01，liling02，liling03三個測區的平差結果均滿足國家規范。但是，liling04分區有部分檢查點高程中誤差精度超限，其平差結果不能滿足國家規范。因此，采用GPS輔助光束法區域網平差四角像控點加構架航線的像控布設方法，在800 km-1200 km加密分區范圍內能滿足規范要求，而1500 km2的空三加密分區范圍不能滿足國家規范。

為此，本試驗liing04分區在連接點、像控點與檢查點點位均不變的前提下，按照在補飛航線集中的區域、補飛航線與原航線銜接處、區域網中間適當增加像控點的原則，在liing04分區檢查點中選取三個檢查點（JC0014、JC0016、JC0018）改為像控點使用，并參與平差計算。

結果表明四個加密分區中，基本定向點的平面中誤差最大值為0.247 m，高程中誤差最大值為0.189 m；檢查點的平面中誤差最大值為0.358 m，高程中誤差最大值為0.238 m，均符合國家規范要求（見表3）。因此，通過在分區中間增加三個像控點來增強區域網的連接性，再進行區域網平差的補救方法是可行的。liling04分區內補飛航線有5條之多，在航線連接處添加像控點之后的高程誤差雖然在精度范圍內，但高程誤差仍比其他三個分區增加了約30%。而補飛航線兩條的liling03分區，高程中誤差相較于沒有補飛航線的liling01分區增加約9%，比有一條補飛航線的liling02分區減少約7%，說明補飛航線小于等于兩條的時候，對高程精度影響不大，建議每個加密分區補飛航線條數應不大于兩條。

2.2 外業精度分析

為進一步驗證各不同面積大小空三加密成果的精度情況，在像控點、檢查點分布較薄弱的地區，在范圍內部分地物紋理清晰，特征明顯的位置均勻采集檢測點，用GPS-RTK到野外實測檢查點的平面和高程坐標，然后利用空三加密成果，恢復立體模型，采集同名點，比較其與實測坐標之差，以檢測本次研究的空三加密成果精度。外業檢測點誤差統計見表4。平面檢測點和高程檢測點均達到了較高精度，地形圖精度良好，完全達到規范要求。

2.3像對差精度分析

為比較不同空三加密成果的不同像對之間是否存在像對差，利用外業檢測點坐標，使用不同的空三加密成果，恢復立體模型，在立體模型下采集同名點在不同立體像對之間的坐標，來比較不同的立體像對之間是否存在像對差。一般情況來說，不同立體模型之間高程差的問題較為常見。所以，本文主要比較同名點在不同立體模型之間的高程差，比較基準起始點以每個同名點的最低高程值為準來計算。空三加密成果的同名點不同立體像對之間的坐標差如表5所示。檢查立體模型之間的像對差，即檢查空三加密過程中的連接點。從上表可以看出，空三加密成果的同名點不同立體像對之間的坐標差較小，說明空三加密過程中的連接點分布情況較好，構架航線能起到增強區域網模型連續性的作用。因此，利用GPS輔助光束法區域網平差，采用四角布點加飛構架航線的像控布點方案，可以提高大比例尺航攝成圖的整體精度。

2.4像控點工作量比較與分析

常規像控布點方案中，像控點點位應布設在影像的六度重疊區域。而本文采用的方案只需在構架航線與測圖航線的交點區域處布點，布點區域范圍較大，更易于選擇紋理清晰、特征明顯的像控點點位。在航攝方案設計時，通過Google Earth軟件確定像控布點的大致區域，適當調整構架航線與測圖航線的交點區域，盡量使交點落在有居民地等明顯地物特征聚集的區域，便于確定像控布點的位置，在航攝的同時做好外業像控點，與常規先航攝后像控布點再進行像控點測量的流程相比，可以實現航攝與外業像控同時進行，大大縮短項目的作業周期。

根據《數字航空攝影測量 控制測量規范》（CH/T3006-2011），常規像控布點方案中像片控制點采用區域網布設，四角雙點法，結合湖南省內已有帶POS數據1∶2000航攝成圖項目的經驗，POS數據像片控制點布設區域網原則上為“4條航線×15條基線”，同時，在區域網中間增加一個檢查點。按此規范布設醴陵測區的像控點，需布設30個像控點，20個檢查點。具體分布情況如下圖3所示，外業像控工作量統計表見表6。

采用有構架航線的GPS輔助光束法區域網平差像控布點方案可以減少80%左右的外業像控點工作量，大大提高外業像控作業效率，降低外業像控的成本。

3 結論

（1）采用GPS輔助光束法區域網平差，在每個加密分區的四個角上各布設一個平高點（或高程點）作為像控點，同時敷設兩條垂直構架航線的像控布設方案是可行的。本次試驗中利用上述方法在800 km2-1200 km2加密分區范圍內能滿足規范要求。

（2）補飛航線對高程精度的影響是顯著的，在一個加密分區內，補飛航線的條數應不大于兩條。

（3）采用此方法與常規像控布設方法相比可減少80%的像控點數量，減少外業成本和測繪外業作業人員勞動強度，具有較高的推廣應用價值。

（4）采用此方法，像控點布設范圍更大，更易于布設像控點，能做到航攝與外業像控同步進行，縮短項目生產周期，提高社會經濟效益。

參考文獻/References

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[5] 李安福， 榮幸. 構架航線在測制大比例尺地形圖中的應用[J]. 地理空間信息，2013，11（6）： 129-130.

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