基于新型传感器的空三加密研究及精度分析

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

1　新型传感器简介

目前，新型传感器主要有两种类型：一种是机载三线阵数字传感器，如ADS40，另一种是大幅面框幅式数字成像系统，如DMC、UltraCamD[1]。三线阵传感器ADS40为单镜头系统，内置POS(GPS/IMU)系统，在飞行瞬间获取扫描行的外方位元素。DMC为多镜头成像系统，摄影时同时曝光，所获得的四幅子影像经一定的处理拼接而成一幅虚拟影像。框幅式DMC成像系统由4台全色相机和4台多光谱相机组成，具有FMC(自动像移补偿)，摄影时8台相机同时曝光，所获得的(13 824×7 680)像素的大幅面虚拟影像由四个CCD面阵经处理拼接而成，像素大小12 μm×12 μm。由于其成像系统是对中心投影影像的一种近似模拟，拼接时的误差对影像有系统性的影响。为了提高影像精度，需要补偿此类系统误差[2]。

鉴于自身具有的特点和优势，大面阵相机在高精度航天立体测绘领域的应用基本可以分为两种模式：①高分辨率交向立体摄影测量模式。②小基线立体摄影测量模式。

2　工程项目基本情况

2.1　概述

本次试验选用我国某条铁路线中的一段外控点比较密集的地区进行，该铁路线路走向基本为东西向，地势平坦，试验测区位于东经117°15′～119°20′，北纬34°10′～34°50′。坐标系统：平面采用2000国家大地坐标系，按3°分带计算平面直角坐标系，为方便施工建设，将中央子午线暂定为117°30′、118°00′、118°30′、119°00′；高程系统采用1985国家高程基准，高程抵偿面根据设计线路高程和测区高程异常值确定(以满足每公里投影变形小于10mm)。

2.2　资料准备

收集测区所需2000国家坐标系及1980西安坐标系成果资料，平面点应为国家四等(GPS点为C级)及以上点；高程点应为国家四等及以上水准点。

航摄资料为DMC2001数码相机拍摄的像片，焦距f=120 mm的镜头，摄影比例尺约1∶20 000左右，航向南北飞行，航向重叠为60%～65%，像元尺寸为12 μm，地面分辨率GSD为0.24 m，像幅大小为96 mm×168 mm。

3　实验方案

本次试验主要选择了两款常用的软件来进行，即HELAVA数字摄影测量工作站及INPHO摄影测量软件。依据多年空三加密的实践经验，对本项目实验设计了四个大组、八个小组的试验方案，这些方案基本囊括了实际工作中可能遇到的一系列典型问题。

试验中，设定四个空三加密处理的方案：方案A、方案B、方案C、方案D。首先进行HELAVA软件系统和INPHO软件系统下四个方案内部的比较，即全控制方案和外部为平面或高程点方案的比较，验证空三加密时测区外边缘采用不同控制方案(即平面控制、高程控制、平高控制方案)对检查点绝对精度的影响，以及对加密点相对精度的影响。其次是进行两个系统下四个方案之间的对比，验证外控点的数量及分布对检查点绝对精度和加密点相对精度的影响。

再进行两个系统之间的比较，利用INPHO系统时，加入了POS数据利用系统自动生成模型进行空三加密，在操作上比起HELAVA系统的手动添加模型连接点的方案有很大的不同，POS数据作为外方位元素的引入，对于整个模型稳定性起到多大的作用，也应该能在两个系统中相同检查点的绝对精度和加密点的相对精度中体现出来。

为了尽可能减少人为因素对本次实验的影响，选取了铁路线路中相对外业控制点分布比较均匀，影像比较清楚的一段作为本次试验的实验区域。如图1为依据外控点及空三加密后得出的加密点所做的像对结合图。从图1中可以看出，这一段区域采用的是铁路测量中最常用的单基线双模型方案布设外业控制点。

方案A：属于基础实验方案，对于外业控制点，可以将其作为检查点来检验空三加密后得出的大地坐标与真实大地坐标，得到它们的绝对误差；而对于加密点来说，无法得知空三加密后加密点的绝对精度。因此，把方案A中20个外控点全控制下得出加密点的大地坐标作为绝对真值来检验本次试验后面几个方案中加密点的精度变化。

方案B：针对目前很多项目工期紧，时间不充分的情况。在方案A的基础上均匀抽稀外控点的布设，将单基线抽稀为三基线的情况，即12个外控点进行区域控制，计算8个检查外控点和加密点的大地坐标。此方案中这12个外控点在整个试验区域仍然属于均匀分布的情况。

方案C：可以说是一种比较极限的试验，因为在大量的实践工作中发现，在很多项目中会遇到大山、无人区、军事禁区等一系列的困难地区，这些地区没有办法深入进行外业控制点的采集，外控点非常有限。本方案就是以极限的状况作为试验的部分来测试。本方案中把方案B中的12个外控点继续抽稀为6个外控点

方案D：和方案C一样属于比较极限的试验，同样是6个外业控制点，但在方案D中改变外业控制点的分布，将四周分布改为区域均匀分布。

4　实验数据结果及分析

4.1　方案B

分析方案B的数据可以看出，整个区域从20个外控点抽稀为12个外控点之后，虽然说也是属于均匀分布，但对于区域网外围的检查点精度而言，已经有很明显的下降，平面绝对误差达到了0.5 m，高程绝对误差达到了0.6 m左右，依据“某客专航测制图技术设计书”的要求，平面达到要求，而高程都属于超限范围，这样的结果，应用于实际生产测图，精度将整体偏低。

4.2　方案C

随着外业控制点的减少，整个区域的模型也逐渐变差，表现在高程上尤为明显，检查点和外业控制点的平均误差都为1 m左右，最大的甚至达到了1.5 m左右。从HELAVA系统的orima加密报告中看到加密报告显示的结果很好，所有的外业控制点都在限差范围内，按平常的理解认为这样的加密报告满足“某客专航测制图技术设计书”的要求，空三加密的结果也能应用于1∶2 000铁路图的绘制。但和外业控制点比较之后可知，这样的精度不能用于制作1∶2 000的铁路线划图。以方案A中全控制下的加密点大地坐标为相对的真实大地坐标值来进行这一组的比较。从数据比较中看出，整个区域的加密点坐标平面影响不大，而差异主要表现为高程方面。

外业检查点的高程绝对误差平均值

ξp全控制=0.802 5ξp平、高控制=0.889 8

加密点的高程绝对误差平均值

ξT全控制=0.721 7ξT平、高控制=0.821 2

从以上平均值可以看出，在6个外控点，四周分布的情况下，平、高控制下的检查点和加密点的绝对误差要大于全控制下的误差值；而对于加密点来说，平均误差值小于外业检查点的平均误差值。由此可以看出，对于整个空三加密的过程来说，加密点是根据外业控制点的大地坐标计算得来的，本身加密的过程就会损失一部分精度。

INPHO系统下试验的两个数据明显的优于HELAVA系统下的两组数据。从表上看，平面的误差基本满足“某客专航测制图技术设计书”的要求，误差主要集中在高程方面。

4.3　方案D

与方案C同为6个外控点控制，但由于外控点位置的分布不同，对检查点的精度影响很大。以方案A中的加密点作为真实值，方案D中加密点的绝对精度也是大大优于方案C中加密点的绝对精度。下面求一个方案D中高程值的平均值。

外业检查点的高程绝对误差平均值

ξp全控制=0.324 4ξp平、高控制=0.307 0

加密点的高程绝对误差平均值

ξT全控制=0.297 3ξT平、高控制=0.236 4

方案D中所求的平均值与方案C中的所求的平均值比较起来，有明显的提高。在实际生产中可以利用外控点的分布来提高整个区域的作业精度。

与HELAVA系统不同，在INPHO系统下改变了外控点的分布之后，整个区域的加密点及检查点的绝对精度也有所提高，但是变化不是很大。

外业检查点的高程绝对误差平均值

ξp全控制=0.378ξp平、高控制=0.273 5

加密点的高程绝对误差平均值

ξT全控制=0.259ξT平、高控制=0.124 8

与方案C中的平均值比较起来，本方案中的平均值变化不是很大，因此说明加入了POS数据的INPHO系统下，外控点的分布对于整个区域网的精度影响不大，因此也说明了INPHO系统的区域网更稳定。

5　结　论

为验证空三加密时测区外边缘采用不同的控制方案(即平面控制、高程控制、平高控制方案)对检查点的绝对精度的影响，以及对加密点的相对精度的影响，外控点的数量及分布对检查点绝对精度和加密点相对精度的影响，POS数据辅助空三的结果精度影响等，选取某铁路段作为试验测区，并设计四个加密方案进行空三加密的对比试验。

从实验数据中可以发现，在几个方案中平面的影响不大，而高程变化比较明显。在helava和Inpho两个系统中，本研究根据四个方案进行对比试验及结果分析比较，得出以下几个结论：

第一，从四个方案的实验数据来看，外业控制点的变化对于检查点的平面坐标精度影响较小，主要的误差都变现在高程的变化上。在外业控制时对于困难地区可以适当的添加高程点或GPS点来提高空三加密的精度。

第二，随着外业控制点的减少，检查点的高程绝对精度有很明显的下降。对于12个外控点均匀分布控制，相当于三条基线布设航外业控制点，基本满足航外控的精度要求。

第三，对于每个方案中的两种状况，即外业点采用全控制或采用部分平、高控制对整个区域的整体精度影响不大。因此，在实际空三加密作业中，遇到错点或者判断不清的点可以有针对的选择平面或者高程控制，提高整个区域的加密精度。

第四，从方案C和方案D的比较可以得出结论，外业控制点的分布对整个加密区域的影响比较大，均匀分布的方案D中，检查点和加密点的绝对精度相较于方案C中的绝对精度有很大的提高。因此，也可以得出这样一个结论，外业控制点的分布对两个系统的影响是相同的，因此均匀布设外业控制点适用于传统模式的相机拍摄，同样也适用于新型数码相机的拍摄，尽可能让有限的外业控制点均匀分布于整个测区是提高精度的重要方法。

第五，helava系统的容差能力较强，而Inpho系统的粗差探测功能较强。INPHO系统的稳定性明显强于HELAVA系统。这些结果证明了加入POS数据辅助空中三角测量，可以有效地减少地面控制点的数量。而通过平、高的选择实验方案也可以看出，平、高点的试验方案精度也高于全控制点的精度，由此也说明，多增加外业控制点并不能提高整个区域的加密精度。

[1]高文革，范永杰，宋倩，等.空三加密在数字摄影测量中的精度分析[J].山东国土资源，2010(12)

[2]王光明，张勇，高淑芬.空三加密更新测量在大比例尺数字化成图中的应用[J].地理空间信息，2010(6)

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[6]张玉世.ORIMA空三加密操作手册[J].测绘技术装备，2008(5)

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[10]张永生，范永弘，戴晨光.集成化数字摄影测量工作软件、硬件及其应用[M].北京：星球地图出版社，1998