基于UCX数字航空影像的空三加密像控点布设方案探讨

基于UCX数字航空影像的空三加密像控点布设方案探讨郑颖;乔炜;沈莹;秦思娴;高雅冰
【摘要】随着数字航空摄影技术的成熟,数字航空摄影测量被越来越多地应用于数字地形图测绘.现有的航空摄影作业规范对于外业像控点布设和内业空中三角测量均有明确的规定,但在保证精度的前提下,若用已有规范要求的作业方法进行处理,其外业像控点的布设工作量会非常大,工作效率也不高,其成本也高.本文利用2010年航飞的UCX数码航摄影像,将生产经验与理论相结合,寻找一种既能满足技术要求规定和生产技术规范,又能减少外业像控点布设工作量、缩短工作周期、降低成本的数字航空影像空三加密像控点布设方案.
【期刊名称】《城市勘测》
【年(卷),期】2016(000)002
【总页数】5页(P79-83)
【关键词】UCX数字航空影像;空中三角测量;空三加密;像控点布设方案
【作者】郑颖;乔炜;沈莹;秦思娴;高雅冰
【作者单位】武汉市测绘研究院,湖北武汉 430022;武汉市测绘研究院,湖北武汉430022;武汉市测绘研究院,湖北武汉 430022;武汉市测绘研究院,湖北武汉430022;武汉市测绘研究院,湖北武汉 430022
【正文语种】中文
【中图分类】P231
如今数字航空摄影技术虽然没有传统光学航摄那样完善，数字航空摄影技术已经越来越多地被用于测绘生产单位，其后期影像处理的技术环节也在逐步走向成熟。

数字摄影测量完全替代传统的胶片摄影测量已成必然。

UCX超大幅面数字航摄像机是美国Microsoft公司继UCD之后推出的新一代数字航摄系统，是基于大面阵CCD设计和FMC电子像移补偿，具有大幅面、高航向重叠度（≥90%）、高分辨率（6.0 um）、集成POS技术等优势，在GIS、遥感和制图等领域都得到了广泛的应用。

与传统胶片影像（23 cm×23 cm）相比较，UCX影像仅仅只有9 cm×6 cm，如果对相同面积的区域航飞来进行覆盖，由于数字影像像幅比胶片影像小很多，其数量则会远大于胶片影像的数量。

目前应用最广泛的作业技术指导规范为《城市测量规范》（CJJ/T8-2011），若按照该技术规范来指导生产，空三加密布点较传统胶片的空三加密布点来说工作量大大增加，成本也提高不少，不仅没能将新技术的优势发挥出来，反而因为数字影像像幅小、基线短而大大增加了外业像空点布设的工作量。

《城市测量规范》对于大比例尺的区域网空中三角测量中像控点布设的基本要求为:对平高区域网或平面区域网，采用数字摄影资料时，区域航线数不宜超过12条；基线数量不宜超过32条；当采用联合DGPS/ IMU数据进行区域网平差时，航线数和基线数可适当的放宽。

平高控制点宜采用区域周边布点的方法，内部可加布适当点数的平高控制点。

当采用数字摄影的资料时，平高控制点的航向跨度（基线）应≤8条；旁向跨度（航线）应≤6条。

如此看来，一个测区如果被23 cm×23 cm 的胶片覆盖，测区共有5条航线，每条航线10张航片时，则整个测区需要布设至少15个像控点才能满足规范要求。

而如果相同的测区改用UCX进行覆盖，则需要7条航线，每条航线27张航片，则整个测区需要布设约35个像控点。

由此对比得出，如果按照规范中的要求对相同区域分别利用 23 cm的传统胶片和UCX
影像进行覆盖后，UCX影像空三加密需要的控制点数远远大于 23 cm传统胶片所
需像控点的数量。

本文的研究目的就是利用2010年航飞的UCX数码影像，将生产经验与理论相结合，寻找一种既能满足技术要求规定和生产技术规范，又能减少外业像控点布设工作量、缩短工作周期、降低成本的数字航空影像空三加密像控点布设方案，尽可能在实际应用中更高效地发挥UCX的优势。

2 实验设计
本实验利用摄影测量工作站 Intergraph公司的SSK ISAT软件根据光束法区域网
整体平差原理，来进行整个实验区域的空三加密计算。

航片采用2010年航摄的UCX航空数码影像，沿着东西向飞行，飞行高度 1 800 m，摄影比例尺为1∶18 000，地面分辨率约为 0.11 m。

为了能够更加清楚地说明该像控点布设方案，选取了一个8条航线、每条航线32
张航片的测区，即每条航线32条基线，像片总数256张。

影像航向重叠约65%，旁向重叠约30%。

测区覆盖面积约 115 km2，航线敷设情况如图1所示，图中的红色“+”表示像主点。

从图1中我们可以看出整个测区地势平坦，属于水系、农田和城镇相加和的地势。

测区内无山，有零星分布的水域，还有一条汉江贯穿西南。

测区可归类为“平地”等级。

本实验用网络RTK测量模式进行像控点的采集，并且利用大地水准面模型进行高
程转换，平面和高程的精度都优于±2 cm。

测区坐标系统为北京54坐标系和1985国家高程基准。

由于该研究区域属于平坦区域，唯一一条可能影响测区连贯的汉江也并没有影响到模型间的连接，因此像控点的选择是根据均匀分布的原则，没有过多地考虑地形的影响。

通过以上资料，进行1∶2 000成图比例尺空三加密测试。

为了清晰地说明像控点布设方案，首先将航摄区域8条航线的8×32个像主点坐
标按规律排列，如图2所示。

图2中，横坐标x表示第x张航摄影像的像主点坐
标，纵坐标整数y表示第y条航线，相邻像主点之间的连线为航摄基线。

由于像
控点的获取采用的是RTK技术，可同时获取平面和高程值，因此像控点均是平高
控制点。

根据控制点布设的航线间基线数不同、航带间隔不同，共设计了11种空三控制点布设方案，如图2、表1所示。

3.1 实验数据结果
本实验用是Intergraph公司的SSK ISAT软件，通过常规空三作业流程完成创建
测区、添加航线信息、内定向、自动匹配相对定向、人工干预等步骤，直至建立好测区航片的相对关系网。

它的相对定向中误差RMSx=0.8 μm，RMSy=0.8 μm，sigma=1.0 μm，满足规范要求。

在进行像控点采集时，同时获取了在测区范围内均匀分布的60个检查点，用于检核各个空三加密实验区的成果，检查点的分布情况如图3所示。

检查点采用网络RTK测量模式进行像片控制点的采集，平面和高程精度均优于±5 cm。

11个实验区的空三加密精度统计，如表2所示。

各个方案检查点中误差统计，如
表3所示。

3.2 数据结果比较分析
从图4中可以看到，方案一～方案十一的空三加密精度均满足1∶2 000定向精度要求。

随着控制点的密度增加，空三平差的精度越来越好，平面和高程精度最好的都是密集布点方案。

利用检查点精度统计表的数据来绘制中误差曲线图和最大较差柱状图见图4和图5，可以直观看出检查点的平面和高程精度都随着控制点的增多而越来越好。

方案一～方案五的平面中误差均超限，方案一～方案四的高程中误差均超限，方案七～方案十一均满足规范精度要求。

方案六～方案十一的精度几乎都在一个精度范围内。

从柱状图中可以可看出各个测区的稳定性，由方案一～方案十一，检核点较差活动范
围逐渐减小，可见测区的稳定性逐步递增。

通过对测试数据的比较，方案六～十一的稳定性、精度都比较高。

其中方案十和方案十一是严格按照《城市测量规范》（CJJ/T8-2011）中要求来设计，规范指出若采用数字摄影资料，平高控制点航向跨度（基线）应该≤8条，旁向跨度（航线）应该≤6条，方案十采用航线间隔8条基线，航带间隔2条，一共布设25个控制点，方案十一采用航线间隔8条基线，航带间隔1条，一共布设45个控制点。

虽然方案十一的精度最优，可是该方案需要布设45个控制点，由于外业像控点布设的效率直接决定整个项目的进度，同时考虑到外业控制点成本，并不推荐使用方案十一。

而方案六～方案十一的稳定性和精度都符合规范要求，但是这几个方案中，方案六布点最少，只有20个，但是该方案的精度和方案十一在一个精度范围内，相差并不明显，因此结合工作量和生产效率，特别是外业控制点布设成本等方面综合考虑，方案六是相对经济并且有效的像控点布设方案。

通过本次的实验和分析，得出以下结论:
（1）由于数字摄影测量系统自动进行空三加密，可以不一定非要严格地按照现行规范要求的空三区域网像控点布设要求，这样可以大大提高控制点间的基线数。

1∶2 000的UCX数字航摄影像航向可采用12条基线布设平高点，旁向2条基线布设平高点，这个方案是一种精度佳，成本最省的空三加密方案。

其他航摄比例尺的UCX数字航摄影像也可以参考本次实验结果以及成图比例尺的要求来综合考虑。

（2）适当地增加周围的平面高程控制点可以改善区域网平差后的中误差，当采用密集布点法的时候，中误差明显得以改善，从而达到相应比例尺国家规范的要求。

（3）根据现有的技术规范要求，航向基线的跨度应该小于等于8条，但依照本次实验结果来看，野外像控点布设可以放宽到12条。

数字摄影测量的空三加密，上下左右模型之间的连接强度大大增加，相对定向的点数、模型连接的点数以及加密点的数量也大大增加，刺点、转点的精度和自动匹配的观测值精度也得到了大幅度
地提高，再加上UCX影像传统航摄胶片像幅小，像对的基线只有传统航摄胶片的一半，因此把基线长提高到与传统航摄胶片接近的长度空三加密也完全可以达到精度要求。

（4）根据现有的技术规范要求，野外像控点距像片边缘的距离不应小于 15 mm （23×23）或 5 mm（数码相片），这是因为影像的边缘变化较大，对空三加密
的成果有影像。

但是对于UCX影像而言，由于影像是由4个单镜头影像拼接而成的，并且相机的镜头较小，影像边缘变形也很小，可不必考虑传统航空影像对影像边缘的一些严格规定，即外业像控点可布设在影像的边缘或靠近影像边缘的位置，像控点布设在影像边缘不会影像空三加密成果。

随着数字航空摄影技术的不断发展，其设备也在不断成熟、不断更新，但是大规模采用数码航摄还有一定的局限性。

例如设备投入太大、更新换代速度较快、相应的软件购买成本较高。

同时技术标准的制定在实践中还不是最优，相机检定、后期影像处理技术还比较滞后，从事摄影测量和遥感人员对它的认识也有待提高。

为此，提出以下建议:
（1）不断引进新的技术，开发新航空摄影平台。

各个生产单位应该大力开展技术培训和广泛交流，配合软件公司开发新的生产环节的软件，不断创新，找出更加实用的生产方法。

与此同时，还需要对开发出的软件进行定期的更新，以跟上技术快速发展的脚步。

（2）开发的新软件应有很强的兼容性，不仅能读各种格式的数据，而且对计算机配置的要求不宜过高，否则为购买该软件首先还要使电脑配置达到软件所需的运行要求，造成成本过高。

（3）要根据新技术的要求及时调整生产结构。

现在的网络化环境下单机作业模式，要逐渐让位于基于摄影测量服务器和数据采集客户端相结合的模式，新一轮的数据更新更加要求这样的生产模式。

要强化全数字化的空中三角测量环节，提升影像判
读能力，形成网络一体化的航空摄影测量体系。

（4）根据生产的实际情况和技术的发展，不断修订和完善航空摄影和摄影测量的标准，使其能更加适用于实际工作，同时还应考虑到工作成本的控制问题。

航空摄影相机检定、航空摄影规范、航空摄影质量评定、航空摄影测量等系列的标准均有待修订，使其在生产工作中更符合实际工作情况。

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