航空数码影像像控布点方案的研究

栾学科，姚喜，王志博，孙恺

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东青岛 266000； 2.山东省水利勘测设计院，山东济南 250013)

航空数码影像像控布点方案的研究

栾学科1∗，姚喜2，王志博1，孙恺2

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东青岛 266000； 2.山东省水利勘测设计院，山东济南 250013)

通过对光束法区域网平差理论对平面和高程精度的分析，和近几年相关数码航空摄影测区的实际应用，采用MAP－AT自动空三测量软件在同一区域使用不同的像片控制点布设方案，分别进行空三平差，并比较检测点的坐标变化，研究不同的布点方案对量测点平面和高程精度的影响，最后得出了一些像控点布设方面的初步建议。

光束法区域网平差；空中三角测量；像控点布设；MAP－AT

1 引 言

航空摄影测量是我国基础测绘手段之一。但目前国内航空摄影测量仍然大量使用进口的模拟航空相机，不仅价格昂贵，工艺复杂，要使用胶片，还要用昂贵的仪器进行胶片影像数字化，而且胶片动态范围小(6－7bit)，航摄质量低，测图周期长，影响整个行业进步。数码相机直接获取数字影像，随着数码相机技术的发展，其分辨率不断提高，数码相机必将发展成为航空摄影测量的关键设备。同时，计算机硬件技术的发展以及数字摄影测量工作站的出现，为理论上最为严密的光束法区域网平差应用于摄影测量的实际生产提供了可能，光束法区域网平差在空中三角测量(以下简称“空三”)应用中迅速地取代了独立模型法和航带法区域网平差。国内使用比较多的为克莱恩教授的PATB进行平差解算。本次研究实用的是MAT－AT(Modern Aerial Photogrammetry Automatic Triangulation)自动空三摄影测量软件。由于数码影像的像幅、像素地面分辨率与之前常规胶片的差异，从传统的胶片航空摄影测量进入到数码航空摄影测量，并伴随着全球定位系统(GPS)的使用，没有现成的航空摄影测量技术规范可以参照。目前普遍的情况是套用原来的技术规范，这不仅未能发挥出新技术的优势，反而因为数码影像像对基线的缩短导致了外业像片控制测量工作量的增加。为了减少野外工作量，节约经济成本，并提高相片控制平面与高程精度，探讨航测外业区域网平差的像片控制点布设方案。

像片控制点的数量及其分布是影响区域网加密精度的一个非常重要的因素。目前，我们采用的MAPAT内业处理系统，用光束法区域网平差。

2 光束法平面与高程精度分析

光束法区域网空中三角测量的运算是以每条空间光线为单元，利用三点共线条件列出误差方程式。所谓三点共线条件，即是指在摄影时，地面点、相应像点和摄影站点是位在同一条直线上的[1]。从而构成共线方程，该方程为平差理论基础，根据共线方程式，构建误差方程，在全区域内利用最小二乘原理解算出像片外方位元素、物方坐标的最或是值。像点、摄站以及代求物方地面点遵循以下共线方程式:

2.1 平面精度的理论分析[1，2]

平面控制方案大部分按区域分为四角控制、8点法和密周边布点法3种。按旁向重叠为20%来考虑，这3种布点方法利用光束法进行区域网平差，其平面精度分别为:

其中:σ0为像点观测中误差，认为是单位权中误差；σx，y用来衡量区域网平差的平面精度；m为区域网中的航带数。

由上式可以看出，区域网平差的平面精度与周边的平面控制点的分布密度及航带数有关。

2.2 高程精度的理论分析[1，2]

由于误差传播的不利影响，构成符合要求的区域网对于高程控制网的要求高于平面控制网，这样区域网之内必须有高程控制。高程控制方案分为锁型和方格型，锁型沿垂直航向首尾及中部隔航线布设三排高程控制，方格型为极限跨度与航线间隔相等的高程布设方案。采用锁型布设旁向重叠为[2]:

采用方格型高程布设方案，旁向重叠为60%时，区域网平差高程精度为:

其中，i为高程控制航向跨度。由上式可见，区域网平差高程精度与高程控制跨度有关。光束法区域网平差其平面与高程可分别平差解算，分别平差在相当程度上降低了对计算机性能的要求。

3 像片控制测量

像片控制点分三种:像片平面控制点(简称平面点)，只需联测平面坐标；像片高程控制点(简称高程点)，只需联测高程；像片平高控制点(简称平高点)，要求平面坐标和高程都应联测，由于GPS技术的进步，使得RTK的精度逐渐提高，从测量结果来看，RTK技术不仅可以满足像控点的精度要求，而且可以大量节省测量时间，与传统像控点测量方法相比显示了较大的优越性。实际作业时我们用RTK采集的点全部是平高点。野外控制点除少数测区按全野外布点联测后，直接用于内业测图作业外，通常都采用非全野外布点方式作业，即联测少量的像片控制点，作为内业控制加密的起始数据。然后采用空中三角测量，解算出内业测图所需纠正点或定向点的大地坐标值以及测图所需的有关数据。这样，在满足成图精度的前提下，可减少野外工作量，提高作业效率。

3.1 布点原则[3～5]

(1)像控点一般按航线全区统一布点，可不受图幅单位的限制。

(2)布在同一位置的平面点和高程点，应尽量联测成平高点。

(3)相邻像对和相邻航线之间的像控点应尽量公用。当航线间像片排列交错面不能公用时，必须分别布点。

(4)位于自由图边或非连续作业的待测图边的像控点，一律布在图廓线外，确保成图满幅。

(5)像控点尽可能在摄影前布设地面标志，以提高刺点精度，增强外业控制点的可取性。

(6)点位必须选择在像片上的明显目标点，以便于正确地相互转刺和立体观察时辨认点位。

3.2 布点位置要求

像控点在像片和航线上的位置，除各种布点方案的特殊要求外，应满足下列基本要求:

(1)像控点一般应在航向三片重叠和旁向重叠中线附近，困难时可布在航向重叠范围内。在像片上应布在标准位置上，也就是通过像主点垂直于方位线的直线附近。

(2)像控点距像片边缘的距离不得小于1 cm，因为边缘部分影像质量较差，且像点受畸变差和大气折光差等所引起的移位较大。再则倾斜误差和投影误差使边缘部分影像变形大，增加了判读和刺点的困难。

(3)点位必须离开像片上的压平线和各类标志(气泡、框标、片号等)，以利于明确辨认。为了不影响立体观察时的立体照准精度，规定离开距离不得小于1 mm。

(4)旁向重叠小于15%或由于其他原因，控制点在相邻两航线上不能公用而需分别布点时，两控制点之间裂开的垂直距离不得大于像片上2 cm。

(5)点位应尽量选在旁向重叠中线附近，离开方位线大于3 cm时，应分别布点。

3.3 区域网像控点布点方案

区域网像控点布点方案主要有三种，如图1～图3所示。

图1～图3中，圆形标志代表平高点，三角标志代表高程点。

图1 正规布点法图

图2 品字型布点

图3 密周边布点、区域网中间不布点

上述三种方案是对传统控制点布设方案和多年来摄影测量工作者的实践经验的总结，在实际的应用中，根据测区地形、大小的不同可采取不同的布点方案，有时候也会对各种方案进行结合使用。本文采用MAPAT自动空三系统，采用何种布点方案更为经济合理，有待于实验总结。

4 实验结果

本实验以山东科技大学青岛校区为航测测区，该测区位于青岛经济技术开发区的西部，东西长2.7 km，南北长约1 km，测区西面是山地，其他三面是宽敞的马路，测区内部基本建筑物高度20 m左右，东部和西北部各有一片村庄，西部有一座小山，高度约100 m，其他地区地势较为平坦，可属于平地、丘陵地区。

4.1 测区航线布设方案

实验采用Canon公司的EOS－5D型单反数码相机(分辨率4 368×2 912，焦距24 mm)，航摄相对高程设计为400 m，由于当时的风力在3级左右，实际航向重叠度为85%，旁向重叠度74%，航线采取了东西向飞行，共9条航线，摄取照片314张。测区内控制点64个，地面分辨率(GSD)为14 cm。

图4 2007年4月实验——东西航线设计图

4.2 三种布点方案及精度分析

(1)正规点方案

该方案首先对该测区隔一条航线或者两条航线，在航线首尾各布设一个平高点，中间布设三排平高点，跨度在5条～6条基线左右，这种布点方案是典型的正规布点方案。本套方案一共选取了47个检查点(测区一共64个，检查点比例达到73%)。

如图5所示，MAP－AT空三软件根据外业采集的像控点数据自动生成的外业像控点分布图，图中矩形框表示采集的影像，三角标志代表控制点，最小的方框代表每张影像的摄影中心的位置，航带内的数字代表像片在本测区内的序号。用GPS RTK技术采集的外业像控点三维坐标数据全部是平高点。

图5 正规法布点方案

根据误差计算公式(白塞尔公式)，求得精度如表1、表2所示。

正规法布点控制点残差 表1

正规法布点检查点中误差 表2

(2)品字型布点方案

图6 品字型布点方案

精度如表3、表4所示。

品字型布点法控制点残差 表3

品字型布点法检查点中误差 表4

(3)密周边布点方案

该方案测区隔一条航线或者两条航线，在航线首尾各布设一个平高点，首、末航带中间各布设三排平高点，跨度在5条～6条基线左右。

图7 密周边布点方案

精度如表5、表6所示。

密周边布点法控制点残差 表5

密周边布点法检查点中误差 表6

由此可以看出，无论是平面还是高程精度，正规布设方案精度最高。但是由于正规布点需要的控制点数目较多，而品字型布点与之比较精度相差较小，且所需控制点数目少，因此在同样达到精度要求的条件下，可以优先选择品字型布点方式。

5 结 论

目前，已将此布点方案运用到实际生产中，例如三河口成矿区，由于涉及矿区赔偿问题，因此为减少野外工作量，尽可能提高工作效率，缩短野外周期，采用品字型布点方案，且最终精度满足质量要求。因此，研究数码影像的航测像控布点方案是有实际价值和意义的，同时也论证了结果的正确性。

[1]王之卓.摄影测量原理[M].武汉:武汉大学出版社，2007，5:134～135，215～220

[2]吴巧玲.大比例尺数码影像航测像控布点方案探讨[J].测绘通报，2009，(5):35～37

[3]韩友美.优化UAVRS－F摄影测量高程精度的方案与技术研究[D].山东:山东科技大学，2008

[4]王佩军，徐亚明.摄影测量学[M].武汉:武汉大学出版社，2005:136～139

[5]Mönchen.EFICIENCY OF PHOTOGRAMMETRIC PRECISION METHODS FOR DENSIFICATION OF CONTROL NETWORKS[J].1977:46～50

On the Distribution of Digital Aerial Photo Control Points

Luan XueKe1，Yao Xi2，Wang ZhiBo1，Sun Kai2
(1.Qingdao Geotechnical Investigation and Survey Institute，Qingdao 266000，China；2.Shandong research institute of investigation and design of water conservancy，Jinan 250013，China)

Through analyzing theories of bundle block adjustment for plane and elevation precision，and actual applying in photogrammetry surveying in recent years，use MAP－AT automatic aerial triangulation software in one surveying area with different distribution methods，and adjust differently.With comparing changes of coordinates，analyze influences for different distribution methods in plane and elevation precision.Finally，we get conclusions for control points distributions for anybody else working in this area.

bundle block adjustment；aerial triangulation；control points distribution；MAP－AT

1672－8262(2010)04－103－04

P237

B

2009—12—14

栾学科(1978—)，男，工程师，主要从事工程测量方面的研究与工作。