張 麗 鄧?yán)^偉

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

航空攝影測(cè)量技術(shù)包括航空攝影、地面控制、空三加密、內(nèi)業(yè)測(cè)圖等幾個(gè)階段[1]，其中，空中三角測(cè)量是攝影測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵步驟。它利用少量地面控制點(diǎn)將整個(gè)區(qū)域網(wǎng)連接成一個(gè)整體，通過區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算一個(gè)測(cè)區(qū)中所有影像的外方位元素和所有加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)，用于模型定向以及后續(xù)4D產(chǎn)品的生產(chǎn)[2-3]。

常用的解析空中三角測(cè)量軟件主要有SOCETSET、Orima和SSK。SOCETSET是LH公司HELAVA全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站采用的最小二乘光束法平差軟件，可對(duì)多種資源影像進(jìn)行三角測(cè)量。Orima加密軟件是一個(gè)區(qū)域空中三角測(cè)量分析軟件系統(tǒng)，能夠處理大量的影像坐標(biāo)、地面控制點(diǎn)和GPS坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)以生產(chǎn)為核心的框幅式和推掃式(徠卡ADS系列)影像的空中三角測(cè)量，可以處理air borne GPS和Intertial Measurement Unit姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括GPS偏移和IMU誤差參數(shù)。SSK是Intergraph公司研發(fā)的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，其中ISAT(ImageStation)自動(dòng)空三模塊能自動(dòng)進(jìn)行連接點(diǎn)生成和空三計(jì)算。采用ISAT進(jìn)行影像匹配時(shí)，可利用其內(nèi)置的光束法軟件自動(dòng)生成多重疊的連接點(diǎn)，可以利用圖形選擇像片、模型、測(cè)區(qū)，項(xiàng)目大小不受限制，支持GPS、慣導(dǎo)處理、相機(jī)檢校、自檢校參數(shù)自動(dòng)設(shè)置及分析、空三結(jié)果的圖形分析等。ISAT支持內(nèi)定向、連接點(diǎn)自動(dòng)提取、空三計(jì)算及分析的全部流程。

上述三類軟件在空三加密上各有優(yōu)劣。SOCETSET軟件優(yōu)點(diǎn)在于點(diǎn)的量測(cè)上更為人性化，適合樹木茂密、地形復(fù)雜地區(qū)連接點(diǎn)的匹配。在POS系統(tǒng)輔助的空三加密中，Orima在目標(biāo)點(diǎn)自動(dòng)匹配和粗差自動(dòng)探測(cè)和剔除方面優(yōu)勢(shì)明顯，但是在匹配弱區(qū)加點(diǎn)時(shí)比較繁瑣。而SSK則在匹配弱區(qū)點(diǎn)的添加和平差解算方面更為方便。生產(chǎn)實(shí)踐中，需要在不同軟件間進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，給地形圖生產(chǎn)帶來了較大的麻煩。因此，對(duì)Orima、SOCETSET及SSK空三加密工程及成果轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行深入研究，對(duì)航測(cè)生產(chǎn)項(xiàng)目具有很強(qiáng)的實(shí)用性和必要性。

1 Orima、SOCETSET及SSK空三加密工程轉(zhuǎn)換

針對(duì)三款空三軟件各自的工程文件以及中間過程文件進(jìn)行詳細(xì)研究和分析，可實(shí)現(xiàn)Orima、SOCETSET及SSK相互之間的半自動(dòng)轉(zhuǎn)換。無POS輔助空三加密時(shí)，盡量選用SOCET SET5.3進(jìn)行空三加密；有POS輔助空三加密時(shí)，優(yōu)先選用LPS+Orima或者SSK空三加密軟件進(jìn)行作業(yè)。

對(duì)于無POS輔助空三加密項(xiàng)目的重新加密，可以將舊工程轉(zhuǎn)換至LPS+Orima或者SSK空三加密項(xiàng)目，將舊項(xiàng)目的EO數(shù)據(jù)作為初始POS數(shù)據(jù)使用，利用POS輔助空三加密模塊實(shí)現(xiàn)高效的空三作業(yè)。對(duì)有POS輔助的空三加密項(xiàng)目，在項(xiàng)目任務(wù)緊急時(shí)，可以選用LPS+Orima和SSK兩款空三加密軟件同時(shí)進(jìn)行，加密過程中，通過二者的相互轉(zhuǎn)換，由LPS+Orima進(jìn)行粗差自動(dòng)探測(cè)和剔除，由SSK進(jìn)行像控點(diǎn)量測(cè)和弱區(qū)域點(diǎn)的添加。

Orima、SOCETSET及SSK空三加密工程轉(zhuǎn)換流程如圖1所示。

圖1 Orima、SOCETSET及SSK空三加密轉(zhuǎn)換流程

1.1 空三加密工程文件

(1)Orima文件格式介紹[4-5，12]

相機(jī)文件(*.cam)：主要信息為相機(jī)焦距、像主點(diǎn)偏移，像片的四個(gè)光學(xué)框標(biāo)像點(diǎn)坐標(biāo)。

建立Orima空三工程所需的外方位元素文件：主要包括*.dat，*.gps，*.imu三個(gè)對(duì)應(yīng)文件，其中*.dat包含數(shù)據(jù)為“影像號(hào)XYZOmega Phi Kappa”，*.gps包含數(shù)據(jù)為“影像號(hào)XYZ”，*.imu包含數(shù)據(jù)為“影像號(hào) Omega Phi Kappa”。

像點(diǎn)坐標(biāo)文件：每張參與空三加密的影像對(duì)應(yīng)一個(gè)*.ipf文件。

物方點(diǎn)坐標(biāo)文件：每個(gè)像點(diǎn)前方交會(huì)所得的物方坐標(biāo)記錄在ground.dat文件中。

控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)、連接點(diǎn)權(quán)重設(shè)置文件：adjobj.0文件。

所有影像對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)文件：images.mea文件。

(2)SOCET SET文件格式介紹[6]

相機(jī)文件(*.cam)：主要信息為相機(jī)焦距、像主點(diǎn)偏移、像片的四個(gè)光學(xué)框標(biāo)像點(diǎn)坐標(biāo)。

測(cè)區(qū)航帶信息文件：*.atf文件。

像片工程信息文件(*.sup文件)：記錄該像片對(duì)應(yīng)的內(nèi)方位元素、外方位元素信息，影像及金字塔影像路徑信息等。

像點(diǎn)坐標(biāo)文件：每張參與空三加密的影像對(duì)應(yīng)一個(gè)*.ipf文件。

物方坐標(biāo)文件(*.gpf)：記錄影像區(qū)域網(wǎng)平差后前方交會(huì)得到的所有物方點(diǎn)坐標(biāo)。

內(nèi)定向結(jié)果文件：*.iop文件。

空三加密平差結(jié)果文件(*.rep)：記錄影像區(qū)域網(wǎng)平差前后的內(nèi)外方位元素及殘差、像點(diǎn)殘差、前方交會(huì)得到的物方點(diǎn)坐標(biāo)及殘差。

(3)SSK文件格式介紹

相機(jī)文件(camera)：主要信息為相機(jī)焦距、像主點(diǎn)偏移。

空三工程文件(project)：記錄測(cè)區(qū)信息，航帶信息等。

像點(diǎn)坐標(biāo)文件(photo)：記錄空三工程中所有的像點(diǎn)坐標(biāo)。

物方點(diǎn)坐標(biāo)文件(control)：記錄空三工程中所有像點(diǎn)坐標(biāo)前方交會(huì)所得到的物方點(diǎn)坐標(biāo)。

空三工程模型文件(model)：記錄空三工程中所有像對(duì)模型信息。

1.2 Orima、SOCET SET及SKK空三工程轉(zhuǎn)換流程

(1)Orima與SOCET SET空三工程轉(zhuǎn)換

利用測(cè)區(qū)原始數(shù)據(jù)，分別建立Orima以及SOCET SET空三加密工程；針對(duì)測(cè)區(qū)的實(shí)際特點(diǎn)，先選用其中一款軟件進(jìn)行初次空三加密，然后通過工程轉(zhuǎn)換，利用另外一款軟件進(jìn)行二次空三加密。例如，先用Orima進(jìn)行自由網(wǎng)匹配和平差，然后轉(zhuǎn)換至SOCET SET，進(jìn)行像控點(diǎn)量測(cè)和平差。Orima工程中的*.ipf和images.mea可以與SOCET SET工程中的*.ipf、*.iop進(jìn)行對(duì)應(yīng)互轉(zhuǎn)；Orima工程中的*.ground可以與SOCET SET工程中的*.gpf進(jìn)行對(duì)應(yīng)互轉(zhuǎn)；Orima工程中的*.gps、*.imu可以與SOCET SET工程中的*.sup、*.atf進(jìn)行對(duì)應(yīng)互轉(zhuǎn)。工程轉(zhuǎn)換流程如圖2。

圖2 Orima與SOCET SET空三工程相互轉(zhuǎn)換流程

(2)Orima與SSK空三工程相互轉(zhuǎn)換

利用測(cè)區(qū)原始數(shù)據(jù)，分別建立Orima以及SSK空三加密工程，針對(duì)測(cè)區(qū)的實(shí)際特點(diǎn)，用Orima(或者SSK)進(jìn)行自由網(wǎng)匹配和平差，然后轉(zhuǎn)換至SSK(或Orima)進(jìn)行像控點(diǎn)量測(cè)和平差。Orima工程中的*.ipf和images.mea可與SSK工程中的photo文件進(jìn)行對(duì)應(yīng)互轉(zhuǎn)；Orima工程中的*.ground與SSK工程中的control可對(duì)應(yīng)互轉(zhuǎn)；Orima工程中的*.gps、*.imu可以與SSK工程中的project文件進(jìn)行對(duì)應(yīng)互轉(zhuǎn)。工程轉(zhuǎn)換流程如圖3。

圖3 Orima與SSK空三工程相互轉(zhuǎn)換流程

(3)SOCET SET與SSK空三工程相互轉(zhuǎn)換

利用測(cè)區(qū)原始數(shù)據(jù)，分別建立SOCET SET和SSK空三加密工程，根據(jù)地形和數(shù)據(jù)特點(diǎn)，用SOCET SET(或者SSK)進(jìn)行匹配和平差，然后將工程轉(zhuǎn)換至SSK(或SOCET SET)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差和粗差剔除。SOCET SET工程中的*.ipf和*.iop可與SSK工程中的photo文件進(jìn)行互轉(zhuǎn)，SOCET SET工程中的*.sup、*.atf可與SSK工程中的project、model進(jìn)行對(duì)應(yīng)互轉(zhuǎn)。工程轉(zhuǎn)換流程如圖4。

圖4 SOCET SET與SSK空三工程相互轉(zhuǎn)換流程

Orima、SOCET SET及SKK空三加密工程轉(zhuǎn)換的核心在于對(duì)工程文件的分析，其重點(diǎn)為各款空三加密軟件中坐標(biāo)系的定義、外方位元素、像點(diǎn)坐標(biāo)及物方點(diǎn)坐標(biāo)信息的記錄方式等。通過程序?qū)崿F(xiàn)了三種軟件關(guān)鍵工程文件的讀取和轉(zhuǎn)換，通過手工建立空三初始化工程，然后利用程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換過程文件的方式，實(shí)現(xiàn)了三種空三加密工程的半自動(dòng)無縫轉(zhuǎn)換，極大提高了空三加密工程的精度和作業(yè)效率。

2 空三加密成果導(dǎo)出及轉(zhuǎn)換

目前使用的測(cè)圖軟件主要是JX-4和MapMatrix攝影測(cè)量工作站，針對(duì)不同的空三加密軟件定制了不同的接口，但不同的空三成果的導(dǎo)入方式不盡一致，亦有難易之分。目前，測(cè)圖人員多習(xí)慣使用PATB格式、Z/I格式、JX-4自帶空三旋轉(zhuǎn)矩陣格式以及MapMatrix自帶空三旋轉(zhuǎn)矩陣格式等。針對(duì)不同的測(cè)圖軟件，可以導(dǎo)出適應(yīng)性最強(qiáng)的空三加密成果格式，從而實(shí)現(xiàn)加密成果與測(cè)圖定向接口間的無縫對(duì)接，大幅提高測(cè)圖定向效率。

2.1 主要空三成果文件

(1)Patb成果文件

主要包含三個(gè)文件，分別為*.im文件，*.adj文件，*.ori文件。其中，*.im文件記錄每張影像上所有連接點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)(單位為μm)信息，*.adj文件記錄空三工程中所有控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)及連接點(diǎn)的物方坐標(biāo)(單位為m)，*.ori文件記錄空三工程所有影像的外放位元素(JX-4定向用的*.ori文件記錄的是線元素與旋轉(zhuǎn)矩陣，MapMatrix文件記錄的是線元素與角元素)。

(2)Z/I格式

主要包含五個(gè)文件，分別為project、photo、control、model和camera文件，必要時(shí)還可以附帶EO文件和patb文件。EO文件記錄空三工程中影像的外方位元素(相當(dāng)于patb格式的*.ori文件)，patb文件記錄空三工程中所有影像上連接點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)(相當(dāng)于patb格式的*.im文件)。

(3)Rep/Gpf格式

分別為*.ipf文件、*.iop文件、*.rep文件、*.gpf文件及*.exp文件。

2.2 主要空三成果文件相互轉(zhuǎn)換

通過編寫軟件，實(shí)現(xiàn)了Patb、Z/I、Rep/Gpf常用空三成果之間的相互轉(zhuǎn)換，從本質(zhì)上來說，即是三種成果所包含文件的格式轉(zhuǎn)換[13-14]。

(1)Patb和Z/I之間的轉(zhuǎn)換

(2)Patb和Rep/Gpf之間的轉(zhuǎn)換

(3)Z/I和Rep/Gpf之間的轉(zhuǎn)換

photo文件和*.ipf、*.iop文件記錄測(cè)區(qū)影像的像點(diǎn)坐標(biāo)信息，二者之間可以進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

control文件和*.gpf文件記錄測(cè)區(qū)影像加密點(diǎn)的物方坐標(biāo)信息，二者之間可以進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

model、project文件和*.rep、*.exp文件記錄測(cè)區(qū)影像的外方位元素和像對(duì)模型信息，二者之間可以進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。流程如圖5所示。

圖5 空三成果導(dǎo)出及相互轉(zhuǎn)換流程

航空攝影測(cè)量空三加密的目的是恢復(fù)測(cè)區(qū)航攝影像的拍攝位置及姿態(tài)，為后續(xù)4D產(chǎn)品的生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。對(duì)于立體測(cè)圖系統(tǒng)而言，高精度的空三成果是立體測(cè)圖能否順利進(jìn)行的基本保證。因此，立體測(cè)圖成果是空三加密與立體測(cè)圖系統(tǒng)間的關(guān)鍵紐帶。對(duì)于傳統(tǒng)航測(cè)而言，Patb一直是JX-4、VirtuoZo及MapMatrix攝影測(cè)量工作站立體定向的最常規(guī)空三成果；隨著數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展，Rep/Gpf及ZI等格式的優(yōu)勢(shì)日漸凸顯，并被大多數(shù)攝影測(cè)量軟件所應(yīng)用。因此，空三加密成果的導(dǎo)出及轉(zhuǎn)換，有利于豐富立體測(cè)圖系統(tǒng)的定向手段，提高立體測(cè)圖的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備效率。

3 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證所述研究成果的可行性，在貴州某鐵路專用線初測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行了試驗(yàn)。該項(xiàng)目使用UCX相機(jī)，測(cè)區(qū)總像片數(shù)為351張，共布設(shè)30個(gè)像控點(diǎn)，地面分辨率為10cm(地表多為茂密植被)。本次試驗(yàn)使用Orima進(jìn)行空三加密，局部有8張像片存在缺少點(diǎn)的區(qū)域(弱區(qū))，完成像控點(diǎn)初次平差后，將空三工程轉(zhuǎn)換至SOCET CET中進(jìn)行連接點(diǎn)的手工添加，然后再轉(zhuǎn)回Orima進(jìn)行最終的平差計(jì)算。平差結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果對(duì)比 m

從平差結(jié)果可以看出，利用空三工程轉(zhuǎn)換的方式在SOCET SET中添加連接點(diǎn)，可有效解決Orima在植被茂密區(qū)域難以高精度匹配連接點(diǎn)的問題，提高了空三加密的效率和精度。

4 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)有幾款空三加密軟件的特點(diǎn)，通過對(duì)各自空三加密流程以及中間過程文件的解析，實(shí)現(xiàn)了Orima、SOCET SET及SSK空三工程的相互轉(zhuǎn)換。利用其各自在空三加密某一工序上的優(yōu)勢(shì)，通過幾款空三軟件的優(yōu)勢(shì)組合應(yīng)用，可提高生產(chǎn)效率，解決單一空三加密軟件加密難度大的問題。針對(duì)不同的測(cè)圖軟件，可以導(dǎo)出適應(yīng)性最強(qiáng)的空三加密成果格式，從而實(shí)現(xiàn)加密成果與測(cè)圖定向接口間的無縫對(duì)接，大幅提高立體測(cè)圖的定向效率。上述不同空三加密軟件工程及成果之間相互轉(zhuǎn)換方法的實(shí)現(xiàn)，對(duì)鐵路工程中提高制圖效率和空三成果精度具有現(xiàn)實(shí)的意義。

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