构架航线在空三加密中的应用研究

张艳红 邹小香 朱雪辉

（江西省基础测绘院 江西南昌 330209）

1 引言

构架航线在空三加密中被普遍应用：中小比例尺地形图应用方面如在国家西部1：50000地形图空白区测图工程中利用构架航线两端公路上的控制点，采用稀少控制区域网平差方法加密得到满足1：10000测图要求的加密点，用作藏北无人区范围SPOT-5 HRS影像的像控点，解决了藏北无人区范围像控点量测困难的问题[1]。大比例尺地形图应用方面如GPS摄站坐标加一定数量的地面控制点，一般只在测区四角布设四个地面平高控制点，在区域两端敷设两条垂直构架航线[2]或者垂直于航线方向布设两排地面高程控制点即可获得满足 1：2000、1：1000的精度要求的空三加密成果。这种地面控制方案已形成共识，并被普遍采用。在实际生产中构架航线的敷设虽然能为减少像控点的布设数量，减轻外业的工作量，但其对航飞质量要求较高，在空三加密过程中经常会遇到各种问题，本文以铅山测区加密为例，探讨有构架航线的空三加密过程中的精度和效率问题。

2 实验区概况

测区工作范围隶属于上饶市铅山县县城及其周边范围。铅山县处于东经 117°26′-118°00′，北纬 27°48′-28°24′之间，东近浙江，西接赣中，南邻福建，北望安徽，境内地势由东南向西北逐渐倾斜，南北最大跨度66.62公里，东西最大宽度55.71公里。铅山县城坐落于河口镇，河口镇是明清时期江西四大名镇之一，保存有2.5千米的明清古街，现被评为中国历史文化名镇。

试验区为2015年9月无人机航摄的0.08m分辨率、航高为15000m、焦距51.458525mm的数码影像，每张航片均有pos数据，影像覆盖整个测区，数码影像共计1229张，21条航线，包括构架航线5条，总共覆盖面积约50平方公里，航线结合图可见布点方案中图3。

3 资料分析与实验

下面以inpho 5.4对铅山区域空三数据处理结果详细说明不同像控点布设方案下测区精度的变化。本次像控点布设方案按照从少到多的思路进行设计，具体思路是先在测区周边布设像控点，在此基础上逐渐增加控制点数量，形成不同的像控点布设方案。同时调整基线的长度的同时对每种方案进行区域网平差解算，对于不同布点方案的区域网平差解算结果利用相同的野外检查点进行检测。本次实验了五种方案（本文中的像控点均为平高点），无构架线的测区为两种方案，一种是仅在测区周围布点，角点无构架（以下称为方案1），另一种是在测区周围布点的基础上航向每隔一段距离增加一个平高点，密集点无构架（以下称为方案2）；有构架线的测区为三种方案，一种是仅在测区周围布点，角点有构架（以下称为方案3），另一种是在测区周围布点的基础上在测区中间增加几个平高点，角点有构架加中间点（以下称为方案4），再一种就是在测区周围布点的基础上航向每隔一段距离增加一个平高点，密集点有构架（以下称为方案5）。具体的布点位置见下图1-5：

图1 方案1

图2 方案2

图3 方案3

图4 方案4

图5 方案5

五种布点方案的平差结果统计如下表1：

表1 不同布点方案平差结果统计（单位：米）

表1中检查点高程超限，说明平差不合格，考虑可能以下几个方面存在问题：地面控制点布设、构架航线敷设和观测值的权等：

（1）地面控制点布设

由于本次像控点布设相比于传统布点方法，减少了大量的像控布设点，在检查像控点的过程中发现部分点的布设由于影像的投影差与影像之间存在难以转刺的现象，比如其中有一个点转刺只能刺在桥栏杆上，像控点布设在桥沿处的地面上。

如果在区域的四周布设平面控制点，当区域范围较大时，可以考虑点组形式进行布设（比如对于无人机摄影，把控制点之间的距离相离200-300m的几个点作为一个点组比较合适），避免存在控制点利用不上时无替换控制点可以利用的情况，有利于提高整体精度。或者测区内控制点布设均匀，在测区边沿加强控制点布设的方案精度会较高。航向和旁向重叠区域的大小不同也可以在像控点的布设上有所不同。

（2）构架航线敷设

传统空三加密像控点布控时在航线两端上下要布设高程控制点，作用是为了有效的改正航摄系统的漂移误差。构架航线目的在于逐条航线进行航摄系统的漂移误差改正[3]，在每个加密分区的两端都加摄了两条带GPS摄站坐标的垂直构架航线。从表1无地面控制点、角点加转折点两种情况的平差结果可以看出，在无GPS辅助光束法区域网平差时构架航线对平差结果的改善作用有限。

（3）观测值的权

权是表征各观测值方差之间比例关系的相对数字指标。对于精度各异的观测值，平差系统中如何正确给定它们的权是确保平差结果质量的一个重要因素，正确给定各类观测值的权是一项非常复杂的工作，目前有部分软件会自动确定观测值的权值，方法就是在平差的迭代过程中将验后权来自动修改先验权[4]。

考虑是否因为控制点和像点权值对平差结果的影响，将四周控制点无构架线方案和四周控制点有构架线方案设置不同控制点权值进行对比发现，控制点权值为1/5时是合理的分析控制点权值为1/5时像点权值对平差的精度影响，从实验结果可以看出像点权值在2/3像元时，平差精度不再受影响。此时检查点高程仍然超限，平差依旧不合格。接着检查GPS权值对平差的影响，通过更改GPS权值进行平差可以看出，对于像点和控制点及GPS权值的设定，在inpho软件中通过人为更改权值的大小是不起作用的，程序已经设定通用值。

GPS辅助光束法区域网平差就是将相位差分动态GPS定位技术精确测定摄影中心的三维坐标作为辅助数据参加摄影测量与非摄影测量观测值的联合平差，目的就在于利用GPS摄站作为空中控制来取代地面控制点，此时区域网平差所需的地面控制点会大大减少，少到只要解决数据基准和消除GPS数据系统误差的程度。5种方案下GPS辅助光束法平差结果见表2：

表2 5种方案GPS辅助光束法平差结果（单位：米）

关闭所有控制点，检查GPS参数的精度情况，见表3：

表3 无控制点时GPS辅助光束法平差结果（单位：米）

从表2、表3可以看出通过GPS辅助光束法区域网平差对结果的影响更加的明显和直接，构架航线的GPS摄站坐标的精度相对于摄影测量加密自身的精度要低太多，起不到补偿区域网的系统误差的作用。在实际生产当中，通过GPS辅助空三、少量地面控制点的综合应用可以有效地改正各种系统误差。

4 实验结果

为检验地形图的精度，我们在整个实验区域内部均匀采集了60个检查点，再通过建好的立体模型采集这些点，为了避免不同作业员之间因为视差及采集习惯不同产生采集误差导致实验数据不可靠，本次采集由同一个作业员进行采集。比较内业采集点和野外实测同名点之间的平面和高程精度，结果如表4所示。

表4 内业采集点和野外实测同名点精度比较（单位：米）

从上表4中的结果加密精度不符合要求，从本次实验数据及实验流程来分析，可以得出以下几个结论：

（1）在有高精度pos数据参与平差的情况下，在测区周围布控角点，无构架线的精度比有构架线的精度高，构架航线作用不明显。也有文章提出在航线两端布设高程控制点的方案要优于航线两端布设构架线的方案。

（2）GPS辅助光束法区域网平差只需在区域网的周边布设拐点处的平高地面控制点就可以达到较高的解算精度，而且会不随区域网的大小变化而变化。无控制点无构架线方案下剔除变形区后精度符合1：1000测图精度，加入控制点后精度反而没有得到提高，这说明提高区域网的定向精度时，应侧重于提高像控点测量精度和转刺精度，而不在于提高像控点数量。为保证该方案的精度，可以在外业现场多量测几个多余观测点（以点组的形式），选择精度最高的四周像控点进行数据处理。

（3）无控制点无构架线方案下的平差精度和采集点实际精度差别很大，理论上来说加入少量控制点与GPS进行联合平差就能有效改正各种系统误差，但从表4检查结果来看：变形区主要集中在测区中间，检查测区中间的控制点不存在转刺困难的情况，说明平差后的数学模型和实际地面模型不符合，说明误差数学模型不严密。空中三角测量软件光束法区域网平差方法在应对复杂空三问题时，存在一定程度的缺陷。

（4）遗留问题：一是加密后能不能检查出是否存在变形区？实际生产中不可能有足够多的检查点来检查平差后的实际精度，那么如何快速有效的检查出测区的平差实际精度？二是本次加密平差结果不理想，也可能受飞行质量、检校场距离摄区的距离、影像质量、影像航向旁向重叠度等等因素的影响，本次实验没有针对影像质量及飞行情况进行分析。

5 结束语

无地面控制GPS辅助光束法区域网平差可用于中小比例尺测图的加密，最好是在航线两端布点困难的测区、大面积、长跨度的测区，像沙漠、冰川、丛林、极地、海岸线等这样难以到达的区域，采用构架航线区域网进行平差有着及其重要的现实意义。大比例尺测图中利用少量像控点与GPS摄站坐标进行区域网联合平差，能满足大比例尺测图的精度要求，少量的像控点布设方案是可行可靠的，此时构架航线的作用是提高测区区域网平差时的粗差探测能力，进一步减少控制点的数量。无地面控制依赖于高质量的航摄，此时再实施构架航线对于测区的加密精度可以提供安全的保障；就目前而言，航摄质量参差不齐，布点方案宜参考飞行公司的布点经验选择合适的像控点布设方案。保守布点方法是四周角点加测区中间1-2个平高点的布设方法。希望今后能选取质量稳定的影像进行空三加密方面的相关实验并积累更多生产经验。