自動空中三角測量應(yīng)用初探

1、自動空中三角測量應(yīng)用初探謝元禮歐建中(鐵道部第一勘測設(shè)計院航測大隊721001)【摘要】本文簡述了自動空中三角測量的基本過程，并通過在HELAVA數(shù)字?jǐn)z影測量工作站上進(jìn)行的實驗，對自動空中三角測量的實際精度進(jìn)行了分析，提出了實際應(yīng)用的一些看法。一、概述http;/測繪信息網(wǎng)自動空中三角測量是一種在利用數(shù)字影像進(jìn)行空中三角測量的過程中，系統(tǒng)根據(jù)事先在影像上設(shè)定的加密點(diǎn)的范圍內(nèi)任意找一點(diǎn)(不一定為明顯地物點(diǎn))，然后用數(shù)字相關(guān)技術(shù)，在相鄰影像(左右鄰片和上下鄰片)上找到該點(diǎn)的同名影像并自動記錄其像坐標(biāo)，經(jīng)過量測少數(shù)地面控制點(diǎn)，最后利用少數(shù)地面控制點(diǎn)坐標(biāo)和其他數(shù)據(jù)進(jìn)行解析計算，求出加密點(diǎn)的地面三維坐標(biāo)

2、的空中三角測量的方法。由此可見，自動空中三角測量將選點(diǎn)、轉(zhuǎn)點(diǎn)和觀測量測全部實現(xiàn)了自動化。二、自動空中三角測量基本過程1. 影像數(shù)字化自動空中三角測量首先要求影像是數(shù)字影像。今天的航攝像機(jī)所拍攝的影像幾乎全部為膠片影像，也許在很長一段時間內(nèi)數(shù)字?jǐn)z影難以完全取代膠片攝影，因此數(shù)字影像的獲取需要通過高精度掃描儀將膠片影像數(shù)字化來得到。http;/測繪信息網(wǎng)數(shù)字影像的分辨率除與膠片本身分辨率有關(guān)外，還與掃描像元大小有關(guān)，掃描像元越小數(shù)字影像的分辨率越高。究竟應(yīng)采用多大像元進(jìn)行掃描應(yīng)根據(jù)各個自動空中三角測量系統(tǒng)在實際中的精度和工程的要求來確定。2. 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入輸入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括已內(nèi)定向的數(shù)字影像、表

3、示每條航帶和區(qū)域的影像排列數(shù)據(jù)、像機(jī)參數(shù)文件以及控制點(diǎn)坐標(biāo)。在系統(tǒng)進(jìn)行自動量測前必須將加密區(qū)域各影像的排列情況告訴系統(tǒng)，以便系統(tǒng)在自動匹配點(diǎn)時有參考依據(jù)。區(qū)域影像排列數(shù)據(jù)包括像片序列、航帶序列、每個模型的重疊度、各航帶間的位置關(guān)系(旁向重疊度)、航高、地面平均高、影像大小范圍等。當(dāng)然，對于反映航向和旁向重疊度的數(shù)據(jù)來說，需進(jìn)行大概量算，量算精度越高越有利于自動相關(guān)。有的系統(tǒng)沒有自動量算功能，重疊度數(shù)據(jù)還需在膠片上手工量算，有的系統(tǒng)(如VirtuoZo)可以通過數(shù)字影像中點(diǎn)取兩同名點(diǎn)后系統(tǒng)自動計算。航高根據(jù)攝影數(shù)據(jù)確定，地面平均高根據(jù)外控點(diǎn)地面高程確定，影像大小根據(jù)掃描時的范圍確定。像機(jī)參數(shù)以及

4、控制點(diǎn)坐標(biāo)的輸入通過建立像機(jī)文件和控制點(diǎn)文件實現(xiàn)。http;/測繪信息網(wǎng)有了這些數(shù)據(jù)，就可以形成一個粗略的區(qū)域，這個區(qū)域包括影像邊框圖、外定向初始值和粗略的數(shù)字高程模型，如圖1所示。圖 13. 影像點(diǎn)的設(shè)置http;/測繪信息網(wǎng)影像點(diǎn)的設(shè)置決定著加密點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)及分布，這一項工作必須在自動量測以前完成。http;/測繪信息網(wǎng)在解析空中三角測量中，相對定向依靠6個標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行，即每張影像有9個點(diǎn)(如圖2)。在自動空中三角測量中，由于具體點(diǎn)位由系統(tǒng)自動確定，有可能造成個別點(diǎn)離標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位較遠(yuǎn)，影響構(gòu)網(wǎng)精度；再者自動匹配成功率有限，一旦有某個點(diǎn)匹配不成功就不能自動完成相對定向。因此，為了提高相對定向的成功率和

5、可靠性，提高空中三角測量的整體精度，在實際中往往采用多點(diǎn)(如圖3)、點(diǎn)組(如圖4，每張影像布設(shè)9組點(diǎn)，每組若干個點(diǎn))或雙點(diǎn)(如圖5)的布點(diǎn)方案，此外還有人建議設(shè)置數(shù)百個點(diǎn)。這種“以多求可靠”是利用自動空中三角測量的特點(diǎn)而采取的策略，使自動化量測的加密點(diǎn)遠(yuǎn)多于必須的觀測量，剔除自動量測失敗的點(diǎn)后仍有大量的連接點(diǎn)，這樣不僅可以提高區(qū)域網(wǎng)平差的內(nèi)外部可靠性，更重要的是改善了最弱處的可靠性。http;/測繪信息網(wǎng)圖 2圖 3圖 4圖 5http;/測繪信息網(wǎng)適當(dāng)增設(shè)連接點(diǎn)須重新人工干預(yù)的工作量不會增加很多，但也不是說點(diǎn)數(shù)增設(shè)越多越好，究竟每張影像設(shè)置多少個點(diǎn)應(yīng)根據(jù)實際情況而定。4. 點(diǎn)的自動量測系統(tǒng)根

6、據(jù)設(shè)置的影像點(diǎn)，利用影像相關(guān)技術(shù)，參照輸入的像片組排列信息在相鄰影像(上下左右鄰片)的相應(yīng)位置一一自動找到該點(diǎn)的同名點(diǎn)，并自動記錄其各自的像坐標(biāo)。這一過程實際上將傳統(tǒng)的空中三角測量的選刺點(diǎn)、編點(diǎn)號等工作(即加密計劃)完全省去了，實現(xiàn)了網(wǎng)點(diǎn)(連接點(diǎn))選定與轉(zhuǎn)刺、點(diǎn)號編定、相對定向、模型連接全自動化，而這些工作特別是航帶連接點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺往往是傳統(tǒng)的空中三角測量中引入粗差的主要來源。任何系統(tǒng)都不能自動地識別和量測控制點(diǎn)，這一工作還得在下一步由操作員來完成。http;/測繪信息網(wǎng)5. 點(diǎn)的重新量測http;/測繪信息網(wǎng)這是一個人工干預(yù)的過程，用來處理自動量測失敗的點(diǎn)(或自動剔除的粗差點(diǎn))，同時對外控點(diǎn)進(jìn)行

7、量測。期望一個自動量測系統(tǒng)的成功率達(dá)到百分之百是不可能的，也是不現(xiàn)實的。對于那些構(gòu)網(wǎng)比較好但自動量測失敗的點(diǎn)應(yīng)該重新量測，方法是在某張影像上用光標(biāo)選定一個點(diǎn)位，然后將其他影像上的光標(biāo)移至其同名影像附近，再讓系統(tǒng)自己利用影像相關(guān)技術(shù)在各影像上找到同名點(diǎn)的準(zhǔn)確位置并自動記錄其像坐標(biāo)。對外控點(diǎn)的量測則必須使用這種人工干預(yù)的方法，不過它將逐漸失去意義，因為隨著機(jī)載GPS的廣泛使用，所需要的地面控制點(diǎn)越來越少。6. 整體解算http;/測繪信息網(wǎng)整體解算的理論沿用解析空中三角測量嚴(yán)密的解算理論，所不同的是解算后能立即將殘差較大的點(diǎn)隨同其相關(guān)的影像一一調(diào)出進(jìn)行交互式的重新量測，然后重新解算。http;/測

8、繪信息網(wǎng)三、自動空中三角測量的優(yōu)勢與解析空中三角測量相比，自動空中三角測量至少有以下幾個突出優(yōu)勢：1. 量測精度高理論上證明，一般的相關(guān)方法的精度可達(dá)0.29像素，基于特征的最小二乘匹配可達(dá)0.02像素。當(dāng)然，由于各自動空中三角測量系統(tǒng)的匹配方法可能不同，其精度會存在一些差異。至于系統(tǒng)最后結(jié)果的精度能達(dá)到多少，需在實踐中證實。2. 解決了模型連接和航帶連接及其精度問題由于無需刺點(diǎn)和轉(zhuǎn)刺點(diǎn)，模型和航帶的連接通過影像匹配自動實現(xiàn)，避免了由此而產(chǎn)生大的連接差，大大提高了連接精度。事實上，一個空中三角測量是否成功，在很大程度上取決于轉(zhuǎn)刺點(diǎn)的精度。3. 生產(chǎn)效率大幅度提高h(yuǎn)ttp;/測繪信息網(wǎng)一方面，系

9、統(tǒng)進(jìn)行自動量測的速度是人工立體量測所無法相比的；另一方面，網(wǎng)點(diǎn)(連接點(diǎn))的選定和編號與自動量測同時進(jìn)行，因而可以省去傳統(tǒng)的加密計劃這一費(fèi)時而又煩瑣的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。4. 易于重新觀測為提高觀測精度，系統(tǒng)在每次計算后都給操作員提供了重新量測的交互環(huán)境。由于參與空中三角測量的所有影像都存在硬盤上，因此在重新量測點(diǎn)時系統(tǒng)立即將有關(guān)的影像一一調(diào)出以供修改，這完全是一種在線空中三角測量。四、自動空中三角測量的實驗對自動空中三角測量這一新技術(shù)的應(yīng)用，我們在Leica DSW200數(shù)字掃描工作站上利用HATS(Helava自動空中三角測量系統(tǒng))做了一些探索性的實驗。1. 實驗資料http;/測繪信息網(wǎng)實驗資料為杭

10、州市測制1500地形圖的部分航測資料，共5條航帶30個模型，航片排列見圖8，拍攝時間為1987年5月，航攝比例尺為12 500,航高760 m，攝影焦距303.85 mm，航向重疊度為65%，旁向重疊度接近50%(個別為30%)。影像質(zhì)量一般，實驗區(qū)地勢平坦，但有一些高層建筑。外控點(diǎn)分布合理，有一定數(shù)量的多余外業(yè)點(diǎn)作檢查。2. 實驗方案我們采用了5種方案進(jìn)行了實驗，5種方案所用的區(qū)域均從屬于1988年我隊用BC2進(jìn)行加密的實驗區(qū)，其區(qū)域關(guān)系見圖6。圖 6(1) 方案一http;/測繪信息網(wǎng)取資料的第二、三、四條航線，3×6個模型，用25 m像元對滌綸片進(jìn)行掃描，采用傳統(tǒng)的布點(diǎn)方式，即

11、每張像片布設(shè)9個定向連接點(diǎn)(如圖2)進(jìn)行自動量測，然后再量測外控點(diǎn)和檢查點(diǎn)，最后進(jìn)行解算。整個區(qū)域采用12個外業(yè)平高控制點(diǎn)，28個外業(yè)平高檢查點(diǎn)。(2) 方案二取5條航線，5×6個模型，用25m像元對滌綸片進(jìn)行掃描，每張像片均勻布設(shè)81個定向連接點(diǎn)進(jìn)行自動量測(如圖3)，然后再量測外控點(diǎn)和檢查點(diǎn)，最后進(jìn)行解算。整個實驗采用16個外業(yè)平高控制點(diǎn)，50個外業(yè)平高檢查點(diǎn)。(3) 方案三http;/測繪信息網(wǎng)取5條航線，5×6個模型，用25m像元對滌綸片進(jìn)行掃描，每張像片按9個標(biāo)準(zhǔn)位置布設(shè)9組點(diǎn)，每組9個點(diǎn)，共81個定向連接點(diǎn)進(jìn)行自動量測(如圖4)，然后再量測外控點(diǎn)和檢查點(diǎn)，最后進(jìn)

12、行解算。整個實驗采用16個外業(yè)平高控制點(diǎn)，50個外業(yè)平高檢查點(diǎn)。(4) 方案四取5條航線，5×6個模型，用25m像元對滌綸片進(jìn)行掃描，每張像片布設(shè)23個定向連接點(diǎn)(如圖7)進(jìn)行自動量測，然后再量測外控點(diǎn)和檢查點(diǎn)，最后進(jìn)行解算。其區(qū)域網(wǎng)略圖見圖8，整個區(qū)域采用16個外業(yè)平高控制點(diǎn)，50個外業(yè)平高檢查點(diǎn)。(5) 方案五http;/測繪信息網(wǎng)取資料的前三條航線，3×6個模型，用12.5m像元對滌綸片進(jìn)行掃描，每張像片布設(shè)23個定向連接點(diǎn)(如圖7)進(jìn)行自動量測，然后再量測外控點(diǎn)和檢查點(diǎn)，最后進(jìn)行解算。整個區(qū)域采用11個外業(yè)平高控制點(diǎn)，31個外業(yè)平高檢查點(diǎn)。圖 7圖 83. 實驗結(jié)果

13、http;/測繪信息網(wǎng)五種方案均采用中誤差公式計算中誤差，其中m為中誤差，為外業(yè)點(diǎn)的外業(yè)值與內(nèi)業(yè)加密值之差，n為參與精度統(tǒng)計的檢查點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)。統(tǒng)計結(jié)果見表1。為對照分析，現(xiàn)將1988年用BC2進(jìn)行加密試驗的結(jié)果也列入表1。表1中誤差方案一方案二方案三方案四方案五BC2控 制點(diǎn)平面/m0.0370.0960.0840.0910.1190.025高程/m0.0360.0690.0790.0920.0640.107檢查點(diǎn)平面/m0.1390.0970.1100.1000.1170.074高程/m0.2430.1820.1450.1320.1170.2454. 結(jié)果分析及結(jié)論(1) 影像數(shù)字化像元尺寸的

14、選擇從方案四和方案五實驗中不難看出，掃描像元縮小一倍，自動空中三角測量的高程精度控制點(diǎn)提高了30%，檢查點(diǎn)提高了11%，這與1994年歐洲攝影測量實驗研究組織(OEEPE)在“利用數(shù)字影像進(jìn)行空中三角測量實驗”中所得出的“掃描像元縮小一倍，自動空中三角測量的精度提高10%20%”的結(jié)論一致。事實上，掃描像元達(dá)到一定值(滿足平差解算要求)后，對外控質(zhì)量和影像質(zhì)量比較好的區(qū)域，在獲得比較高的觀測精度的情況下，縮小像元所能提高的精度已小到可以忽略不計。況且，掃描像元縮小一倍，影像數(shù)據(jù)量就增加到四倍，使得硬盤難以承受大區(qū)域的加密工作，降低工作效率。因此，一味地縮小像元以達(dá)到大幅度提高精度只能是事倍功半

15、。http;/測繪信息網(wǎng)(2) 加密點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)和點(diǎn)位的確定采用25m掃描，用傳統(tǒng)布點(diǎn)方式(方案一)，在HATS系統(tǒng)中進(jìn)行自動空中三角測量，其精度與采用BC2進(jìn)行解析空中三角測量的精度相比，平面精度略差(大0.012 m)，高程精度則好些(小0.071 m)(1988年用BC2進(jìn)行加密時，加密的高程僅作定向用，故對高程精度不是很重視)。采用多點(diǎn)布設(shè)方案，自動空中三角測量的高程精度對檢查點(diǎn)有較明顯的提高，平面精度對檢查點(diǎn)略有提高。但對控制點(diǎn)，兩者均有所降低。網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)太多也并不一定好，這是因為一方面網(wǎng)點(diǎn)超過一定數(shù)量后，解算的精度已很難再提高了，另一方面人工干預(yù)的工作量卻增加了。在實驗中發(fā)現(xiàn)，量測過的點(diǎn)

16、分布情況對最后結(jié)果有較大影響。為保證網(wǎng)點(diǎn)分布的合理性，提高空中三角測量的精度，布點(diǎn)時應(yīng)該“點(diǎn)面結(jié)合”，量測后必須瀏覽每張影像的點(diǎn)的分布狀況。所謂點(diǎn)面結(jié)合，就是在每個標(biāo)準(zhǔn)位置都布設(shè)一個點(diǎn)組，此外還在非標(biāo)準(zhǔn)位置均勻布設(shè)一些點(diǎn)，這樣既避免了重疊度不一致所造成的布點(diǎn)問題，又提高了精度。(3) 結(jié)論http;/測繪信息網(wǎng)通過這些實驗，得出以下結(jié)論：* 用25m像元掃描所得的數(shù)字影像能滿足光束法解算的精度要求。* 對于現(xiàn)有的自動空三系統(tǒng)，我們主張每張影像布設(shè)的點(diǎn)數(shù)在25個左右。* 本文中所介紹的自動空中三角測量的實驗結(jié)果能滿足大比例尺航測測圖的精度要求，甚至可滿足城市非鋪裝路面的高程注記點(diǎn)的精度要求。ht

17、tp;/測繪信息網(wǎng)* 自動量測的成功率和可靠性有待進(jìn)一步提高。五、結(jié)束語http;/測繪信息網(wǎng)數(shù)字?jǐn)z影測量的不斷發(fā)展使自動量測的成功率和可靠性進(jìn)一步提高，機(jī)載GPS定位精度的不斷提高使自動空中三角測量幾乎不使用地面控制點(diǎn)，數(shù)字?jǐn)z影將使自動空中三角測量全數(shù)字化，所有這些為自動空中三角測量展示了一幅美好的前景。但就目前情況而言，自動空中三角測量的應(yīng)用還剛剛開始，本文僅通過有限的實驗總結(jié)一些經(jīng)驗，不妥之處還望同行及專家指正。http;/測繪信息網(wǎng) 參考文獻(xiàn)1 張祖勛，張劍清等.數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用.測繪通報，1997(6)2 張祖勛，張劍清，汪治宏，仇彤. 全數(shù)字化自動測圖系統(tǒng)研究進(jìn)展. 測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實驗室年報，199319943 謝元禮.基于全自動無刺點(diǎn)空中三角測量的航測內(nèi)業(yè)生產(chǎn)新流程的探討.鐵路航測，1997(3)4 李德仁，鄭肇葆.解析攝影測量學(xué).北京：測繪出版社，19925 Charles K Toth and Amnon Krupnik. Concept, Implementation, and Results of an Automatic Aerotriangu