POS輔助空中三角測量在大比例尺航空攝影測量中的應(yīng)用研究

劉愛霞　吳文靜

摘 要：POS輔助空三技術(shù)的應(yīng)用使得傳統(tǒng)航空攝影測量擺脫了對于大量地面控制點(diǎn)的依賴性，在提高作業(yè)效率的同時(shí)也帶來了很大的經(jīng)濟(jì)效益。該文結(jié)合具體的生產(chǎn)項(xiàng)目，對1∶1 000大比例尺測圖中POS輔助空三的精度進(jìn)行分析，并通過實(shí)驗(yàn)探討像控點(diǎn)布設(shè)的最優(yōu)方案，為POS輔助空三在1∶1 000成圖中的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：POS輔助空中三角測量 像控點(diǎn)布設(shè) 最優(yōu)方案 精度分析

中圖分類號：P23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0009-04

Abstract：POS supported aerial triangulation technology application make the traditional photogrammetry from the dependent on large number of ground control points，this can not only improve the operational efficiency，at the same time also brought great economic benefits.This dissertation mainly make Accuracy analysis of POS supported aerial triangulation in 1∶1 000 large scale digital mapping，and discuss the optimal solution of the control point layout through experiments.All of those provide a reliable technical support for the POS supported aerial triangulation application in 1∶1 000 large scale digital mapping.

Key Words： POS supported aerial triangulation； Control point layout； Optimal decision； Accuracy analysis

近幾年，將POS系統(tǒng)應(yīng)用到航空攝影測量領(lǐng)域成為研究熱點(diǎn)。POS系統(tǒng)主要由GPS和IMU兩個(gè)核心部件組成，GPS 用于獲取影像的空間坐標(biāo)，IMU 用于記錄三個(gè)姿態(tài)角，將POS系統(tǒng)與航攝儀集成在一起，通過聯(lián)合解算可以直接獲取到每張像片的6個(gè)外方位元素。

POS 輔助航空攝影測量方法主要包括：

（1）直接定向法（Direct Georeferencing，DG）[1]，采用IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)，得到每張像片的外方位元素，實(shí)現(xiàn)無需地面控制點(diǎn)的航空攝影測量方法。

（2）輔助定向法（Integrated Sensor Orientation，ISO）[2]，即將POS系統(tǒng)獲取的每張像片的外方位元素作為帶權(quán)觀測值參與攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差，進(jìn)而得到每張像片的高精度外方位元素。

該文重點(diǎn)研究了POS輔助定向法滿足1∶1 000成圖精度的像控點(diǎn)布設(shè)方案，為項(xiàng)目的進(jìn)一步執(zhí)行提供技術(shù)參考。

1 POS輔助空中三角測量

1.1 POS輔助空中三角測量

POS輔助空中三角測量，國際上也稱為ISO（Integrated Sensor Orientation），是將基于GPS/IMU 組合系統(tǒng)直接獲取的每張像片的外方位元素，作為帶權(quán)觀測值參與攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差，獲得更高精度的像片外方位元素成果。

POS輔助空中三角測量實(shí)際使用時(shí)，是將GPS/IMU獲取的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)代入到空三運(yùn)算中，利用像片匹配的連接點(diǎn)和地面控制點(diǎn)等輔助數(shù)據(jù)，可以獲得更高精度的結(jié)果。國際上大量實(shí)驗(yàn)證明，即使僅用像片連接點(diǎn)，而不用地面控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合平差，也能大大提高GPS/IMU獲得的外方位元素的精度，尤其是高程的精度和穩(wěn)定性。如果再加入地面控制點(diǎn)，則整個(gè)模型非常穩(wěn)健，計(jì)算結(jié)果的精度接近于常規(guī)空三結(jié)果。有研究結(jié)果表明，僅用1個(gè)地面控制點(diǎn)就達(dá)到很高的精度，使用2個(gè)地面控制點(diǎn)精度進(jìn)一步提高，當(dāng)加到3個(gè)、4個(gè)地面控制點(diǎn)時(shí)，精度雖有提高但已不明顯，因此考慮到粗差的檢測以及整體的穩(wěn)定性，一般在測區(qū)4角加入地面控制點(diǎn)比較合理。

1.2 POS輔助空中三角測量的應(yīng)用前景

目前我國國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)對大比例尺圖件的需求與日俱增，由于傳統(tǒng)的空中三角測量的精度受各種條件的限制，而POS輔助空三加密技術(shù)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)空三加密的缺陷，不僅改變了過去先進(jìn)行航攝、接著對外業(yè)的像片控制點(diǎn)進(jìn)行測量 ，最后進(jìn)行內(nèi)業(yè)的空三加密工序流程，而且提高了精度，減少作業(yè)的程序。提高了作業(yè)效率，為最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)z影測量的自動(dòng)化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。進(jìn)一步將空三加密成果精度得到提高，使大比例尺成圖精度達(dá)到國家規(guī)范要求有了更高的保障。所以，POS輔助空中三角測量的技術(shù)更加完善，其應(yīng)用即將更加廣泛。

同時(shí)，POS輔助空中三角測量解決了西部困難重重的地形復(fù)雜地區(qū)，無法進(jìn)行外業(yè)控制測量的難題，使得測繪小比例尺圖件成為現(xiàn)實(shí)。相信，不久的將來在我國所有的疆域上不再有測繪者不能測量的地方，使航空攝影測量在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的西部大開發(fā)中發(fā)揮更大的作用。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 項(xiàng)目概況

新疆測區(qū)地處我國西北邊陲，地形以山間平原盆地和河谷地為主。測區(qū)東北部多為山地，海拔較高；其他地區(qū)以山間平原盆地和低矮丘陵為主，地勢比較平坦，地形起伏不大。地形類別以平地、丘陵地為主，包含部分山地。

該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選用新疆項(xiàng)目所獲取的航空影像，采用POS輔助航空攝影技術(shù)，所使用的相機(jī)為UCXp相機(jī)，相機(jī)焦距為100 mm，CCD面陣像元數(shù)為17 310×11 310，像元尺寸為6 um，設(shè)計(jì)影像地面分辨率為0.08 m，相對航高為1 330 m。該實(shí)驗(yàn)選取了5條航線，每條航線約27張影像，共計(jì)133張影像。空三加密采用常規(guī)空三， POS輔助空三四點(diǎn)法、五點(diǎn)法、六點(diǎn)法進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算。

空三加密處理采用航空數(shù)據(jù)處理空三加密軟件PixelGrid，其平差模塊是國際上公認(rèn)的光束法區(qū)域網(wǎng)平差軟件PATB。該實(shí)驗(yàn)主要結(jié)合項(xiàng)目探討分析在1∶1 000大比例尺測圖情況下POS輔助空三的加密精度以及像控點(diǎn)布設(shè)的最優(yōu)方案。

2.2 常規(guī)空三加密實(shí)驗(yàn)

常規(guī)空三加密處理使用控制點(diǎn)布點(diǎn)方案如圖1所示。

規(guī)范（GB/T 23236-2009）要求的加密精度[3]見表1所示，該實(shí)驗(yàn)得到的常規(guī)空三加密處理精度見表2所示。

2.3 POS輔助空三加密實(shí)驗(yàn)

將解算得到的每張影像的高精度外方位元素作為空中三角測量的附加觀測值導(dǎo)入到PixelGrid空三加密軟件中參與區(qū)域網(wǎng)平差，分別采用四點(diǎn)法、五點(diǎn)法、六點(diǎn)法作為定向點(diǎn)，其余作為檢查點(diǎn)，進(jìn)行平差。

四點(diǎn)法：將4個(gè)控制點(diǎn)布設(shè)在實(shí)驗(yàn)區(qū)的四角。如圖2所示。

五點(diǎn)法：將其中4個(gè)控制點(diǎn)布設(shè)在實(shí)驗(yàn)區(qū)的四角，一個(gè)控制點(diǎn)布設(shè)約中間位置。如下圖3所示。

六點(diǎn)法：在四點(diǎn)法的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)區(qū)中間航線的兩端各加布一個(gè)像控點(diǎn)。如下圖4所示。

從表3可以看出POS輔助空三加密對于該測區(qū)采用五點(diǎn)法即可滿足我國規(guī)范對于1∶1 000比例尺丘陵地地形的精度要求，且加密精度與常規(guī)空三加密精度相差不大。從而可以得到在航線方向的跨度20條基線，旁向跨度5條航線時(shí)布點(diǎn)，采用五點(diǎn)法即可達(dá)到要求的精度。

此外，在實(shí)驗(yàn)區(qū)5條航線的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加航線條數(shù)，采用POS輔助五點(diǎn)法進(jìn)行空三加密實(shí)驗(yàn)，以得到滿足精度要求情況下的最佳像控布設(shè)方案。

從表4可以看出增加航線數(shù)測區(qū)精度會(huì)有明顯下降，在旁向8條航線、航向每隔約20條基線布點(diǎn)是可以滿足精度要求的，但增加到9條航線就無法滿足精度要求了。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該實(shí)驗(yàn)針對采用UCXP數(shù)碼相機(jī)，丘陵地形，并滿足1∶1 000比例尺的成圖要求的測區(qū)進(jìn)行論證。通過對整個(gè)試驗(yàn)過程的回顧，事實(shí)證明，區(qū)域網(wǎng)規(guī)模為5條航線，27條基線時(shí)，采用POS輔助空三加密，布設(shè)5個(gè)控制點(diǎn)就能夠達(dá)到規(guī)范所要求的精度，所得到的加密成果完全可以滿足實(shí)際應(yīng)用。在航線增加到8條航線時(shí)，航向每隔20根基線布點(diǎn)也可滿足規(guī)范精度要求，但是該項(xiàng)目在作業(yè)時(shí)為了保證精度沒有大規(guī)模的采用這種布點(diǎn)方案，只是在丘陵地區(qū)進(jìn)行了小區(qū)域?qū)嶒?yàn)分析，大規(guī)模區(qū)域布點(diǎn)以及復(fù)雜地形應(yīng)用還需進(jìn)一步進(jìn)行應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究。

3 結(jié)語

機(jī)載POS輔助航空攝影測量對于我國測繪行業(yè)來說發(fā)展時(shí)間還不長， 相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范還不能做到面面俱到，其在機(jī)載 POS 輔助航空攝影測量的區(qū)域網(wǎng)劃分和布設(shè)方面還沒有一個(gè)明確的規(guī)定[4]。通過POS輔助空中三角測量是一種實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的攝影測量加密方法，為航空攝影測量開辟了新的前景。POS輔助航空攝影測量滿足平地、丘陵等地區(qū)精度要求的同時(shí)，也可減少空三加密的繁重野外控制工作，很好地解決山區(qū)、森林等困難地區(qū)的布點(diǎn)、刺點(diǎn)、測量困難大等問題，縮減成本，提高作業(yè)效率。該文是POS輔助空中三角測量在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用POS輔助定向法取得了較理想的精度。該文只是結(jié)合公司實(shí)施的項(xiàng)目進(jìn)行了一次應(yīng)用實(shí)驗(yàn)工作，希望在以后的生產(chǎn)實(shí)踐中能夠提供有價(jià)值的技術(shù)參考，使其能夠更好的服務(wù)于國家各種測繪項(xiàng)目之中。

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