航摄影像空三加密相关问题分析

王坤

【摘要】在航空摄影测量方面，数值航摄的研究，主要针对提高量测精度以及如何使量测工作自动化为主，本研究利用数值航摄影像中的三维空间信息，汇入地理信息系统中，与其它相关的数值空间数据及属性数据，进行三加密相关问题进行研究与分析。

【关键词】航摄影像；空三加密；问题

航空摄影测量可调查大范围地区，具有快速、精确等优点，各界早已广泛利用航摄数据测绘、编修地形图、工程图等，亦有利用航摄数据辅助分析地质、森林、工程、环境评估、土地利用变迁等。而目前航空摄影测量已从过去的解析制图进入数值制图，即将摄影所得的数据，利用扫描将像片转换成数值数据，储存于计算机，利用计算机大量运算的特性，将空中三角测量、影像匹配、数值高程模型（DEM）和正射像片制作等工作交由计算机来处理[1]。

一、航空摄影测量的相关技术

空三加密即解析空中三角测量，指的是用摄影测量解析法确定区域内所有影像的外方位元素。空三加密的传统做法是利用少量控制点的像方和物方坐标，解求出未知点的坐标，使得每个模型中的已知点都增加四个以上，然后利用这些已知点解求所有影像的外方位元素。这中间包含一个已知点由少到多的过程，所以形象地称之为空三加密。

早期摄影测量主要应用于测制地形图、编辑地图；之后则有用于地面控制加密及运输路线、管线设计规划、都市更新计划等。另外在地质、土壤、森林、区域规划等非工程方面亦有广泛之应用。航空摄影测量是指利用精密之摄影机置于飞行载具上所拍摄之航摄像片，作为摄影测量研究之对象（何维信，1995）。利用这种方式拍摄之航摄像片，一般来说有两种用途，一为量测摄影测量（Metric Photogrammetry），一为判释摄影测量（Interpretative Photogrammetry）。量測摄影测量包括像点之精密量测、求取像点间之距离、角度、面积、高程及物体之形状和大小等信息。判释摄影测量则是利用像片上所提供之信息，通过以了解土地利用、自然生态等情形。过去传统的航空摄影测量，是利用摄影后之正片或负片（以下通称为像片），在上面进行量测或判释之工作，通过相关仪器之辅助，从选取控制点，相对、绝对方位判定，空中三角测量，一直到测定未知点之位置，上述之工作皆利用像片来完成，因此对像片本身易造成无法挽救之破坏[2]。而量测之精度，除像片本身各项参数之影响外，测图员之素质亦占很高之比重，故传统航空摄影测量，仍须依，利用扫瞄器，依据扫描分辨率，扫瞄为数值格式，并储存于计算机中。利用计算机可快速处理大量运算之特点，可将传统摄影测量相对、绝对方位判定、空中三角测量、建立数值地形模型、建立正射影像及立体观察量测等工作在计算机上运算处理。另外由于相关技术的不断进步，需投入人力的部分将愈来愈少，这也是数值航摄的一大优点。

二、航摄影像空三加密相关问题分析

依据光线是一直线轨迹之原理，故摄影机透视中心与像空间、物空间的点形成共线关系。在摄影机透视中心位置已知的情况下，利用两张或以上之像片，其光束互相交会之原理。应用前方交会原理，将已知摄影站的方位参数的空间共线式代入所量测的共轭像点的像片坐标，即可求得对应的地面点三度空间坐标。当利用地面控制点的多余观测，以最小二乘法计算出每一摄影站的外方位六参数之最或是值[3]。利用两已知外方位参数的摄影站，即可采前方交会法以决定新地物点，而新点的三维空间坐标可利用立体观察共轭像点时同时计算求得。

利用测区中影像连接点（加密点）的像点坐标和少量的已知像点坐标及其大地坐标的地面控制点，通过平差计算，求解连接点的大地坐标与影像的外方位元素，称为区域网空中三角测量。区域网空中三角测量提供的平差结果是后续的一系列摄影测量处理与应用的基础。区域网空中三角测量按平差单元可分为航带法、独立模型法和光束法，其中光束法理论最严密、解算精度最高。成为空三测量的主流方法[4]。光束法区域网平差的基本思想是，以每张像片为单元，区域内每张像片的控制点、加密点都列立共线条件方程式，建立全区域统一的误差方程，统一平差解算，整体解求区域内每张像片的6个外方位元素及所有加密点的地面坐标。AATMatrix单个测区工作流程如下：

1.新建测区

新建一个测区或打开一个已存在的测区。

2.测区参数设置

（1）测区参数设置，包括摄影比例尺，测区编号，以及相机类型等。 （2）相机参数的导入，注意相机文件的路径。（3）影像的导入，设置航带数及添加影像并且对像素大小，相机参数，相机是否反转等进行设置。（4）控制点导入，注意PATB不支持带字母的控制点格式并且注意路径（或GPS/IMU参数的导人，注意线元素和角元素的顺序关系）。

3.操作步骤

（1）内定向，包括手工量测和自动量测两种方式。（2）航带连接，通过相邻航带问的航带连接点确定航带间的连接关系，为后期航带间转点提供初值（如果是GPS辅助空三，不需要做航带连接）。（3）自动提取，通过相对定向确定航带内相临影像之间相对位置关系，以及由公共连接点来确定相对定向模型。（4）自动选点，按照设定的分布方式，删除误差比较大的点，保留精度较好的点。（5）交互编辑，添加控制点检测并编辑粗差点，并通过少量地面控制点的坐标来解算待定点的坐标。（6）生成加密点，解算出待定点坐标，并输出成果。

近来，很多学者在空中二三角测量中利用GPS数据可以达到什么样的预期精度和可靠性进行了广泛的研究，使得GPS辅助空三的应用越来越广泛。目前的研究结果表明：（1）GPS摄站坐标在区域网联合平差中是极其有效的，只需要中等精度的GPS数据即可满足测图的要求，（2）外方位线元素的利用一般比角元素更有效。但是附加的姿态测盛，在精度要求很高时可以用来改善高程加密精度[5]。（3）利用GPS数据的光束法区域网平差将会有较好的可靠性，这包括GPS数据自身的可靠性，像点坐标观测值和少量地面控制点的可靠性。（4）原则上讲，GPS提供的摄站坐标用于平差可以完全收代地面控制点，条件是GPS观测值在区域网中必须连续而没有中断。（5）为了解决基准问题，即为了获得国家坐标系（如高斯.克吕格坐标系）的加密成果，依然要求有一定的地面控制点。但是控制点数远远少于常规加密所需的控制点数。

结论

一般只在测区的角上布设平高控制点即可。由此可见，GPS定位数据和INS惯性导航数据在空三中的应用已日益受到人们的关注，AeroMatrix同样提供了使用GPS和INS数据进行自动转点和联合平差的功能。

参考文献：

[1]张森. ADS 80数字航空摄影测量立体测图高程精度分析[J]. 测绘与空间地理信息，2012，S1：125-126.

[2]杨如华，朱玉云. POS辅助空中三角测量中野外像控点的位置和数量对精度的影响分析[J]. 矿山测量，2012，01：52-54.

[3]韦玉华，李霞，周琳. POS技术在数码航摄影像制作DOM中的应用[J]. 城市勘测，2012，01：61-64.

[4]邓芳，刘政，李开军，李春华. UCD/UCX数码相机在西南某地区航摄中的应用研究[J]. 测绘，2011，01：21-23.

[5]王成龙. 基于SWDC的GPS辅助航空摄影空三加密精度分析[J]. 测绘科学，2011，02：101-103.