基于UCX數字航空影像的空三加密像控點布設方案探討

鄭穎，喬煒，沈瑩，秦思嫻，高雅冰

（武漢市測繪研究院，湖北武漢 430022）

基于UCX數字航空影像的空三加密像控點布設方案探討

鄭穎?，喬煒，沈瑩，秦思嫻，高雅冰

（武漢市測繪研究院，湖北武漢 430022）

隨著數字航空攝影技術的成熟，數字航空攝影測量被越來越多地應用于數字地形圖測繪?，F有的航空攝影作業規范對于外業像控點布設和內業空中三角測量均有明確的規定，但在保證精度的前提下，若用已有規范要求的作業方法進行處理，其外業像控點的布設工作量會非常大，工作效率也不高，其成本也高。本文利用2010年航飛的UCX數碼航攝影像，將生產經驗與理論相結合，尋找一種既能滿足技術要求規定和生產技術規范，又能減少外業像控點布設工作量、縮短工作周期、降低成本的數字航空影像空三加密像控點布設方案。

UCX數字航空影像；空中三角測量；空三加密；像控點布設方案

1 引 言

如今數字航空攝影技術雖然沒有傳統光學航攝那樣完善，數字航空攝影技術已經越來越多地被用于測繪生產單位，其后期影像處理的技術環節也在逐步走向成熟。數字攝影測量完全替代傳統的膠片攝影測量已成必然。UCX超大幅面數字航攝像機是美國Microsoft公司繼UCD之后推出的新一代數字航攝系統，是基于大面陣CCD設計和FMC電子像移補償，具有大幅面、高航向重疊度（≥90%）、高分辨率（6.0 um）、集成POS技術等優勢，在GIS、遙感和制圖等領域都得到了廣泛的應用。與傳統膠片影像（23 cm×23 cm）相比較，UCX影像僅僅只有 9 cm×6 cm，如果對相同面積的區域航飛來進行覆蓋，由于數字影像像幅比膠片影像小很多，其數量則會遠大于膠片影像的數量。目前應用最廣泛的作業技術指導規范為《城市測量規范》（CJJ/T8-2011），若按照該技術規范來指導生產，空三加密布點較傳統膠片的空三加密布點來說工作量大大增加，成本也提高不少，不僅沒能將新技術的優勢發揮出來，反而因為數字影像像幅小、基線短而大大增加了外業像空點布設的工作量。

《城市測量規范》對于大比例尺的區域網空中三角測量中像控點布設的基本要求為:對平高區域網或平面區域網，采用數字攝影資料時，區域航線數不宜超過12條；基線數量不宜超過32條；當采用聯合DGPS/ IMU數據進行區域網平差時，航線數和基線數可適當的放寬。平高控制點宜采用區域周邊布點的方法，內部可加布適當點數的平高控制點。當采用數字攝影的資料時，平高控制點的航向跨度（基線）應≤8條；旁向跨度（航線）應≤6條。如此看來，一個測區如果被23 cm×23 cm的膠片覆蓋，測區共有5條航線，每條航線10張航片時，則整個測區需要布設至少15個像控點才能滿足規范要求。而如果相同的測區改用UCX進行覆蓋，則需要7條航線，每條航線27張航片，則整個測區需要布設約35個像控點。由此對比得出，如果按照規范中的要求對相同區域分別利用 23 cm的傳統膠片和UCX影像進行覆蓋后，UCX影像空三加密需要的控制點數遠遠大于 23 cm傳統膠片所需像控點的數量。

本文的研究目的就是利用2010年航飛的UCX數碼影像，將生產經驗與理論相結合，尋找一種既能滿足技術要求規定和生產技術規范，又能減少外業像控點布設工作量、縮短工作周期、降低成本的數字航空影像空三加密像控點布設方案，盡可能在實際應用中更高效地發揮UCX的優勢。

2 實驗設計

本實驗利用攝影測量工作站 Intergraph公司的SSK ISAT軟件根據光束法區域網整體平差原理，來進行整個實驗區域的空三加密計算。航片采用2010年航攝的UCX航空數碼影像，沿著東西向飛行，飛行高度 1 800 m，攝影比例尺為 1∶18 000，地面分辨率約為 0.11 m。

? 收稿日期:2015—11—18

作者簡介:鄭穎（1985—），女，助理工程師，碩士，研究方向為航空攝影測量。

基金項目：精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金（PF2015-10）

為了能夠更加清楚地說明該像控點布設方案，選取了一個8條航線、每條航線32張航片的測區，即每條航線32條基線，像片總數256張。影像航向重疊約65%，旁向重疊約30%。測區覆蓋面積約 115 km2，航線敷設情況如圖1所示，圖中的紅色“+”表示像主點。從圖1中我們可以看出整個測區地勢平坦，屬于水系、農田和城鎮相加和的地勢。測區內無山，有零星分布的水域，還有一條漢江貫穿西南。測區可歸類為“平地”等級。

本實驗用網絡RTK測量模式進行像控點的采集，并且利用大地水準面模型進行高程轉換，平面和高程的精度都優于 ±2 cm。測區坐標系統為北京54坐標系和1985國家高程基準。由于該研究區域屬于平坦區域，唯一一條可能影響測區連貫的漢江也并沒有影響到模型間的連接，因此像控點的選擇是根據均勻分布的原則，沒有過多地考慮地形的影響。通過以上資料，進行 1∶2 000成圖比例尺空三加密測試。

圖1　航線敷設示意圖

為了清晰地說明像控點布設方案，首先將航攝區域8條航線的8×32個像主點坐標按規律排列，如圖2所示。圖2中，橫坐標x表示第x張航攝影像的像主點坐標，縱坐標整數y表示第y條航線，相鄰像主點之間的連線為航攝基線。由于像控點的獲取采用的是RTK技術，可同時獲取平面和高程值，因此像控點均是平高控制點。根據控制點布設的航線間基線數不同、航帶間隔不同，共設計了11種空三控制點布設方案，如圖2、表1所示。

圖2　像控點布點方案示意圖

實驗方案設計 表1

3 數據分析

3.1 實驗數據結果

本實驗用是Intergraph公司的SSK ISAT軟件，通過常規空三作業流程完成創建測區、添加航線信息、內定向、自動匹配相對定向、人工干預等步驟，直至建立好測區航片的相對關系網。它的相對定向中誤差RMSx=0.8 μm，RMSy=0.8 μm，sigma=1.0 μm，滿足規范要求。在進行像控點采集時，同時獲取了在測區范圍內均勻分布的60個檢查點，用于檢核各個空三加密實驗區的成果，檢查點的分布情況如圖3所示。

檢查點采用網絡RTK測量模式進行像片控制點的采集，平面和高程精度均優于±5 cm。

11個實驗區的空三加密精度統計，如表2所示。各個方案檢查點中誤差統計，如表3所示。

圖3　檢查點分布圖

實驗方案精度對比表 表2

檢查點精度統計表 表3

3.2 數據結果比較分析

從圖4中可以看到，方案一～方案十一的空三加密精度均滿足 1∶2 000定向精度要求。隨著控制點的密度增加，空三平差的精度越來越好，平面和高程精度最好的都是密集布點方案。

圖4　十一種方案的空三加密誤差

圖5　十一種方案的檢查點較差

利用檢查點精度統計表的數據來繪制中誤差曲線圖和最大較差柱狀圖見圖4和圖5，可以直觀看出檢查點的平面和高程精度都隨著控制點的增多而越來越好。方案一～方案五的平面中誤差均超限，方案一～方案四的高程中誤差均超限，方案七～方案十一均滿足規范精度要求。方案六～方案十一的精度幾乎都在一個精度范圍內。從柱狀圖中可以可看出各個測區的穩定性，由方案一～方案十一，檢核點較差活動范圍逐漸減小，可見測區的穩定性逐步遞增。

通過對測試數據的比較，方案六～十一的穩定性、精度都比較高。其中方案十和方案十一是嚴格按照《城市測量規范》（CJJ/T8-2011）中要求來設計，規范指出若采用數字攝影資料，平高控制點航向跨度（基線）應該≤8條，旁向跨度（航線）應該≤6條，方案十采用航線間隔8條基線，航帶間隔2條，一共布設25個控制點，方案十一采用航線間隔8條基線，航帶間隔1條，一共布設45個控制點。雖然方案十一的精度最優，可是該方案需要布設45個控制點，由于外業像控點布設的效率直接決定整個項目的進度，同時考慮到外業控制點成本，并不推薦使用方案十一。而方案六～方案十一的穩定性和精度都符合規范要求，但是這幾個方案中，方案六布點最少，只有20個，但是該方案的精度和方案十一在一個精度范圍內，相差并不明顯，因此結合工作量和生產效率，特別是外業控制點布設成本等方面綜合考慮，方案六是相對經濟并且有效的像控點布設方案。

4 結 論

通過本次的實驗和分析，得出以下結論:

（1）由于數字攝影測量系統自動進行空三加密，可以不一定非要嚴格地按照現行規范要求的空三區域網像控點布設要求，這樣可以大大提高控制點間的基線數。1∶2 000的UCX數字航攝影像航向可采用12條基線布設平高點，旁向2條基線布設平高點，這個方案是一種精度佳，成本最省的空三加密方案。其他航攝比例尺的UCX數字航攝影像也可以參考本次實驗結果以及成圖比例尺的要求來綜合考慮。

（2）適當地增加周圍的平面高程控制點可以改善區域網平差后的中誤差，當采用密集布點法的時候，中誤差明顯得以改善，從而達到相應比例尺國家規范的要求。

（3）根據現有的技術規范要求，航向基線的跨度應該小于等于8條，但依照本次實驗結果來看，野外像控點布設可以放寬到12條。數字攝影測量的空三加密，上下左右模型之間的連接強度大大增加，相對定向的點數、模型連接的點數以及加密點的數量也大大增加，刺點、轉點的精度和自動匹配的觀測值精度也得到了大幅度地提高，再加上UCX影像傳統航攝膠片像幅小，像對的基線只有傳統航攝膠片的一半，因此把基線長提高到與傳統航攝膠片接近的長度空三加密也完全可以達到精度要求。

（4）根據現有的技術規范要求，野外像控點距像片邊緣的距離不應小于 15 mm（23×23）或 5 mm（數碼相片），這是因為影像的邊緣變化較大，對空三加密的成果有影像。但是對于UCX影像而言，由于影像是由4個單鏡頭影像拼接而成的，并且相機的鏡頭較小，影像邊緣變形也很小，可不必考慮傳統航空影像對影像邊緣的一些嚴格規定，即外業像控點可布設在影像的邊緣或靠近影像邊緣的位置，像控點布設在影像邊緣不會影像空三加密成果。

5 建 議

隨著數字航空攝影技術的不斷發展，其設備也在不斷成熟、不斷更新，但是大規模采用數碼航攝還有一定的局限性。例如設備投入太大、更新換代速度較快、相應的軟件購買成本較高。同時技術標準的制定在實踐中還不是最優，相機檢定、后期影像處理技術還比較滯后，從事攝影測量和遙感人員對它的認識也有待提高。為此，提出以下建議:

（1）不斷引進新的技術，開發新航空攝影平臺。各個生產單位應該大力開展技術培訓和廣泛交流，配合軟件公司開發新的生產環節的軟件，不斷創新，找出更加實用的生產方法。與此同時，還需要對開發出的軟件進行定期的更新，以跟上技術快速發展的腳步。

（2）開發的新軟件應有很強的兼容性，不僅能讀各種格式的數據，而且對計算機配置的要求不宜過高，否則為購買該軟件首先還要使電腦配置達到軟件所需的運行要求，造成成本過高。

（3）要根據新技術的要求及時調整生產結構?，F在的網絡化環境下單機作業模式，要逐漸讓位于基于攝影測量服務器和數據采集客戶端相結合的模式，新一輪的數據更新更加要求這樣的生產模式。要強化全數字化的空中三角測量環節，提升影像判讀能力，形成網絡一體化的航空攝影測量體系。

（4）根據生產的實際情況和技術的發展，不斷修訂和完善航空攝影和攝影測量的標準，使其能更加適用于實際工作，同時還應考慮到工作成本的控制問題。航空攝影相機檢定、航空攝影規范、航空攝影質量評定、航空攝影測量等系列的標準均有待修訂，使其在生產工作中更符合實際工作情況。

［1］孫家炳.遙感原理與應用［M］.武漢：武漢大學出版社，2005.

［2］Visiontek公司.MapMatrix用戶手冊［R］.

［3］王佩軍，徐亞明.攝影測量學［M］.武漢，武漢大學出版社，2005.

［4］黃世德.航空攝影測量學［M］.北京：測繪出版社.

［5］吳巧玲.大比例尺數碼影像航測像控點布點方案探討［J］.測繪通報，2009（5）：35～37.

［6］余詠勝，游寧君.數碼航攝像機——傳統膠片航攝像機的替代者［J］.測繪通報，2005（3）.

［7］許婭婭、王月莉.全數字空中三角測量數據檢查驗收及質量評價方法的探討［J］.測繪通報，2006，52（1）：33～35.

［8］張祖勛.航空數碼相機及其有關問題［J］.測繪工程，2004，13（4）：1～5.

［9］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.

［10］李德仁.攝影測量與遙感的現狀及發展趨勢［J］.武漢測繪科技大學學報，2000，25（1）：1～6.

［11］Stewart Fotheringham&Peter Rogerson.Spatial Analysis and GIST.aylor&Francis，1994.

［12］Stan Aronoff.Geographic Information Systems：A Management Perspective.WDL publication Ottawa，Canada，1991.

［13］Jihong Guan，Shuigeng Zhou，Aoying Zhou，Moble-Agent Based Distributed WebGis［J］.Lecture Notes in Computer Science，2011，2172：53-66.

［14］Monchen Dficiency of Photogrammertric Precisidn Methods for Densification of Control Networks［J］.1977：46～50.

［15］CJJ/T8-2011.城市測量規范［S］.

［16］CH 1002-95.測繪產品檢查驗收規定［S］.

［17］CH 1003-95.測繪產品質量評定標準［S］.

［18］GB/T 18316-2001.數字測繪產品檢查驗收規定和質量評定［S］.

［19］GB 7930-87.1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測量內業規范［S］.

Research on the Layout of Photo-Control-Point of Aerotriangulation in UCX Digital Aerial Photograph

Zheng Ying，Qiao Wei，Shen Ying，Qin Sixian，Gao Yabing
（Wuhan Geomatics Institute，Wuhan 430022，China）

With the mature of digital aerial photography technology，digital aerial photography is increasingly used in surveying and mapping production units.Traditional aerial photography data for the field as the locus of control and aerial triangulation in the industry has more mature method.But on the premise of guarantee accuracy，if using the same method to process the digital aerial photography data and using traditional conventional film production technology specification，to guide the production of aviation digital imaging，the field as the control point layout of workload is several times of traditional conventional film and really costs more money.The purpose of this paper is to use the UCX digital aerial photography flying in 2010 of Wuhan geomatic institute，combining production experience and theory，looking for a kind of method which can satisfy the technical requirement and production specification，and can reduce the field as the control point layout work，shorten the working period，reduce the cost of digital aerial images three encryption as the control point layout scheme.

UCX digital aerial image；aerial triangulation；aerial triangulation encryption；photo-control-point layout plan

1672-8262（2016）02-79-05中圖分類號：P231

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