鄧 芳，張 俊，劉 怡，李春華，劉國(guó)祥

(1.成都市勘察測(cè)繪研究院，四川成都610081;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

基于UCD/UCX航攝影像的像控點(diǎn)布設(shè)方案研究

鄧 芳1，張 俊1，劉 怡2，李春華1，劉國(guó)祥2

(1.成都市勘察測(cè)繪研究院，四川成都610081;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

為尋求像片控制點(diǎn)合理的布設(shè)方案，采用某地區(qū)的UCD/UCX航攝影像作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)區(qū)域網(wǎng)按均勻分布原則設(shè)置不同的平高控制點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行系列的空中三角測(cè)量試驗(yàn)研究及精度評(píng)定，最后提出幾種在保證特定精度情況下，能減少外業(yè)工作量、降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期的像片控制點(diǎn)布設(shè)方案。

UCD/UCX;像片控制點(diǎn);精度;空中三角測(cè)量

一、引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以后，我國(guó)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量以驚人的速度發(fā)展，DWP(處理對(duì)象為掃描形成的數(shù)字化影像)盛行至今已18年。2000年荷蘭阿姆斯特丹國(guó)際攝影測(cè)量與遙感大會(huì)上數(shù)碼航空相機(jī)開始出現(xiàn)［1］。目前國(guó)際上數(shù)字航攝儀產(chǎn)品主要有以下幾種:瑞士徠卡公司的ADS40，美國(guó)Z/I公司的DMC，奧地利的UCD/UCX，以及我國(guó)劉先林院士研制的SWDC系列數(shù)字航空攝影儀。

大幅面航空數(shù)碼相機(jī)影像較常規(guī)相機(jī)膠片影像更清晰，且無(wú)需掃描可直接獲取數(shù)字化影像，因此它在攝影測(cè)量的生產(chǎn)實(shí)踐中受到極大的關(guān)注［1］。然而航空數(shù)碼相機(jī)的攝影比例尺小于常規(guī)航空相機(jī)，使得其影像覆蓋范圍縮小，像對(duì)數(shù)(模型)增加，工作量加大。同時(shí)，由于航空數(shù)碼相機(jī)的交會(huì)角較小，還導(dǎo)致其高程量測(cè)精度較低，這些缺點(diǎn)都將限制其廣泛應(yīng)用。但如利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)的理念沖破傳統(tǒng)攝影測(cè)量的束縛，以圖幅為單位進(jìn)行立體測(cè)圖、DEM生成、實(shí)現(xiàn)模型接邊自動(dòng)化，或按多目視覺(jué)理論，利用多重疊影像增大交會(huì)角的方式，都可在一定程度上克服這些缺點(diǎn)［1］。

本文將在以上研究理論的基礎(chǔ)上，采用某地區(qū)UCD/UCX航攝影像作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)區(qū)域網(wǎng)按均勻分布原則設(shè)置不同的平高控制點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行系列的空中三角測(cè)量試驗(yàn)研究及精度評(píng)定。最后提出在保證特定精度情況下，能減少外業(yè)工作量、降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期的像片控制點(diǎn)布設(shè)方案。

二、研究區(qū)域

1.攝影參數(shù)及研究區(qū)域

數(shù)字航空攝影儀為UCD/UCX，其鏡頭由4臺(tái)黑白影像的全色波段(Pan)相機(jī)、4臺(tái)多光波(MS)相機(jī)組成，如圖1所示。

圖1 UCD/UCX相機(jī)鏡頭示意圖

UCD/UCX數(shù)碼相機(jī)為垂直中心投影，其主要性能參數(shù)如表1所示。

研究區(qū)域航攝資料的其他參數(shù)如下:相對(duì)航高為2 200 m，航攝比例尺為1∶21 000，南北方向飛行，地面分辨率優(yōu)于0.2 m。像片總數(shù)為102張，航線數(shù)為6條，每條航線17張影像，即每條航線16條基線。影像航向重疊大于65%～70%，旁向重疊大于30%。如圖2所示，其中“+”號(hào)表示像主點(diǎn)。

表1 UCD/UCX數(shù)碼相機(jī)主要性能參數(shù)表

圖2 研究區(qū)域DEM與像主點(diǎn)坐標(biāo)的疊加圖/(°)

2.像控點(diǎn)信息

采用網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量模式進(jìn)行像片控制點(diǎn)采集，并利用該地區(qū)1'×1'格網(wǎng)似大地水準(zhǔn)面模型進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換，平面和高程精度均優(yōu)于±5 cm，像片控制點(diǎn)共101個(gè)。坐標(biāo)系統(tǒng)為地方獨(dú)立平面坐標(biāo)系和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。由于該研究區(qū)域?qū)儆谄教箙^(qū)域，像控點(diǎn)的選擇僅根據(jù)均勻分布的原則，未過(guò)多考慮地形因素。

三、試驗(yàn)驗(yàn)證

1.試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)根據(jù)光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差原理，分別利用攝影測(cè)量工作站JX-4和Virtuo Zo進(jìn)行整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域的空三加密計(jì)算。

為了更清晰地說(shuō)明像控點(diǎn)布設(shè)方案，首先將航攝區(qū)域6條航帶的6×17個(gè)像主點(diǎn)坐標(biāo)按規(guī)則排列(如圖3所示)，圖中，橫坐標(biāo)值整數(shù)x表示第x航帶，縱坐標(biāo)值整數(shù)y表示相應(yīng)航帶的第y張航攝影像的像主點(diǎn)坐標(biāo)，相鄰像主點(diǎn)之間的連線為航攝基線。

圖3 像控點(diǎn)布設(shè)方案示意圖

以六點(diǎn)法為例，詳細(xì)說(shuō)明第一種像控點(diǎn)布設(shè)方案。六點(diǎn)法的6個(gè)像控點(diǎn)位置大致分別位于(0.5，1)、(0.5，17)、(3.5，1)、(3.5，17)、(6.5，1)、(6.5，17)處。對(duì)此處的6個(gè)位置可進(jìn)行如下描述:基線間隔數(shù)為16，航帶間隔數(shù)為3。因此，對(duì)像控點(diǎn)布設(shè)的9種方案(如圖4所示)可進(jìn)行如下描述:①六點(diǎn)法，基線間隔數(shù)為16，航帶間隔數(shù)為3;②八點(diǎn)法，基線間隔數(shù)為16，航帶間隔數(shù)為2;③ 九點(diǎn)法，基線間隔數(shù)為8，航帶間隔數(shù)為3;④十二點(diǎn)法，基線間隔數(shù)為8，航帶間隔數(shù)為2;⑤ 十五點(diǎn)法，基線間隔數(shù)為4，航帶間隔數(shù)為3;⑥ 二十點(diǎn)法，基線間隔數(shù)為4，航帶間隔數(shù)為2;⑦二十七點(diǎn)法，基線間隔數(shù)為2，航帶間隔數(shù)為3;⑧三十六點(diǎn)法，基線間隔數(shù)為2，航帶間隔數(shù)為2;⑨六十三點(diǎn)法，基線間隔數(shù)為2，航帶間隔數(shù)為1。

圖4 像控點(diǎn)布設(shè)的9種方案

2.方案對(duì)比

利用攝影測(cè)量工作站JX-4和Virtuo Zo分別對(duì)整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行空三加密計(jì)算之后，再按照式(1)計(jì)算平面及高程中誤差。9種方案的空三加密統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

式中，mS為平面中誤差;mh為高程中誤差;(xi，yi，hi)為第i個(gè)檢測(cè)點(diǎn)加密坐標(biāo);(x'i，y'i，h'i)為指第i個(gè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo);單位為m。

表2顯示JX-4與Virtuo Zo兩套軟件的平面誤差基本一致，中誤差約為±0.2 m，即一個(gè)像元的精度。其中JX-4試驗(yàn)結(jié)果為:平面中誤差介于［0.20 m，0.25 m］之間，最大誤差介于［0.35 m，0.54 m］之間;高程中誤差介于［1.09 m，0.30m］之間，最大誤差介于［2.01 m，0.62 m］之間。Virtuo Zo試驗(yàn)結(jié)果為:平面中誤差介于［0.16 m，0.21 m］之間，最大誤差介于［0.40 m，0.49 m］之間;高程中誤差介于［2.26 m，0.29 m］之間，最大誤差介于［3.47 m，0.63 m］之間。以上平面精度完全達(dá)到了《1∶500 1∶1000 1∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》《GB/T 7930—2008》中1∶1000地形圖空三加密的精度要求。9種方案的平面中誤差與高程中誤差統(tǒng)計(jì)圖如圖5所示。

表2 空三加密結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖5 9種方案的平面中誤差與高程中誤差統(tǒng)計(jì)圖

如圖5所示，方案1和方案2(基線間隔數(shù)為16)的高程中誤差明顯比其余7種方案所計(jì)算的高程中誤差大，因此，剔除這兩種方案。其余7種方案的高程中誤差基本一致，如使用JX-4的計(jì)算結(jié)果介于［0.37 m，0.30 m］之間，利用Virtuo Zo的計(jì)算結(jié)果介于［0.45 m，0.29 m］之間，高程中誤差分布如圖6所示。

圖6 方案3—方案9高程中誤差分布圖

如圖7所顯示，9種方案所需定向點(diǎn)個(gè)數(shù)的變化趨勢(shì)為逐次遞增。方案1和方案2由于所計(jì)算的高程中誤差較大，已經(jīng)被剔除。因此僅考慮其余7種方案隨著定向點(diǎn)數(shù)目的增加高程加密精度的改進(jìn)情況。觀察圖6～圖7，可發(fā)現(xiàn)隨著定向點(diǎn)數(shù)量的增加，高程加密精度略有改善，但9個(gè)定向點(diǎn)與63個(gè)定向點(diǎn)的所計(jì)算的高程中誤差為同一個(gè)數(shù)量級(jí)，而控制點(diǎn)的數(shù)量卻增加了4倍，大大增加了外業(yè)工作量，延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期。

圖7 定向點(diǎn)數(shù)量分布圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證以上部分像控點(diǎn)布設(shè)方案的優(yōu)越性，特選取了研究區(qū)域中的3個(gè)子區(qū)域進(jìn)行全野外像控點(diǎn)布設(shè)，每個(gè)模型(一個(gè)立體像對(duì))6個(gè)定向點(diǎn)，若干檢查點(diǎn)，采用獨(dú)立模型法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量的方式解算檢查點(diǎn)坐標(biāo)，并進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 全野外模型檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)表

以上數(shù)據(jù)表明，在全野外像控點(diǎn)布設(shè)方案中采用獨(dú)立模型法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量，與在試驗(yàn)方案中采用光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量所計(jì)算出的平面精度(方案1—方案9)保持在同一數(shù)量級(jí)，并且大小相近，高程精度(方案3—方案9)也保持在同一數(shù)量級(jí)，大小也相近(高程精度全野外模型略優(yōu))。但全野外像控點(diǎn)布設(shè)方案的控制點(diǎn)數(shù)量卻大大增加，為試驗(yàn)方案3(9點(diǎn)法)的24倍(如采用全野外像控點(diǎn)布設(shè)方案，該區(qū)域需布設(shè) 221個(gè)，即17×13個(gè))。

四、結(jié)束語(yǔ)

為了減少外業(yè)工作量、降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期，本文采用某地區(qū)的UCD/UCX航攝影像作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了9種像片控制點(diǎn)布設(shè)方案，通過(guò)光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量的方法計(jì)算出每一種方案的平面及高程測(cè)量精度，并與全野外像控點(diǎn)布設(shè)方案的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得出如下結(jié)論:①對(duì)于該數(shù)字航空攝影儀，就平面精度而言，其航攝比例尺與成圖比例尺可放寬至20倍，即可以用1∶20 000航攝資料制作1∶1 000數(shù)字線劃圖;②全野外像控點(diǎn)布設(shè)方案與試驗(yàn)方案1—方案9的平面精度完全一致，約為1個(gè)像元大小(0.2 m)的精度，而高程精度隨著控制點(diǎn)數(shù)量的成倍增加略有改善，因此，建議采用九點(diǎn)法或十二點(diǎn)法布設(shè)像片控制點(diǎn)，既保證了平面精度，又兼顧了高程精度。如只考慮平面精度，可采用六點(diǎn)法的布設(shè)模式。

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On Distribution Scheme of Photo Control Points for UCD/UCX Aerial Imagery

DENG Fang，ZHANG Jun，LIU Yi，LI Chunhua，LIU Guoxiang

0494-0911(2011)08-0009-04

P231.4

B

2010-09-02

鄧 芳(1978—)，女，湖南懷化人，碩士，工程師，主要從事攝影測(cè)量與遙感技術(shù)應(yīng)用以及數(shù)據(jù)加工等方面的研究。