航空摄影测量数据采集及精度分析_孙富余

收稿日期:2007-08-08

作者简介:孙富余,男,长江勘测规划设计研究院空间公司遥感数字工程院,助理工程师。

文章编号:1001-4179(2007)10-0030-02

航空摄影测量数据采集及精度分析

孙富余　郝　飞　邢文静

(长江勘测规划设计研究院空间公司,湖北武汉430010)

摘要:航空摄影测量是一种高技术含量的遥感测绘方法。当一个地区(或测区)很大时,传统的地面测绘手段就不能适应测绘行业的时间性要求,这时候,就必须利用航空摄影机在空中摄取地面的影像,通过外业判读,在内

业建立地面模型,再通过计算机用绘图软件在模型上测量,直接获得数字地形图。JX -4C 数字摄影测量工作站是一个很好的数字处理软件,处理的立体影像清晰、稳定、精度高,具有不可比拟的优势。作业员在测图时要严格按照规范、作业细则进行,保证测图的精度。关　键　词:航空摄影测量;JX -4C 数据采集;测图精度分析中图分类号:P23 文献标识码:A

1　航空摄影测量

航空摄影测量对航空像片及航空摄影的基本要求为:航空摄影获取的航摄像片是航空摄影测量成图的原始依据。其质量关系到后期作业的难易和量测的精度,因此对航空像片及航空摄影的飞行质量均有严格的要求。航空像片的质量主要是影像的构像质量、几何质量和表观质量,具体表现为底片的影像密度不均匀度,压平质量以及航摄机内方位元素检定精度等。

航空摄影的飞行质量主要有如下几点:(1)像片的倾斜角。像片倾斜角应小于3°,由像片边缘的水准器影象中气泡所处位置判断倾斜角。对无水准器记录的像片,若发现可疑,可在旧图上选择若干明显地物点,用摄影测量方法进行抽查。

(2)航摄比例尺与航高。当航摄像片有倾斜,地形起伏时,航摄的比例尺是一个比较复杂的问题,此处所指是一个近似概念,借用地图比例尺的概念,把航摄像片上的一线段l 与地面上相应线段L 的水平距离之比称为航摄比例尺:

l m =l L =f H

式中H 为相对于测区平均水平面的航高;f 为航摄机主机焦距。

航摄比例尺不是任意的,它取决于测图比例尺,大体与比例尺相当。在作航摄计划时,选定航摄机和航摄比例尺后,根据上式,航高H 就确定。飞机应按预定航高H 飞行,其差异一般不得大于5%,同一航线内各摄影站的航高偏差不得大于50m 。

(3)像片重叠度。用于地形测量的航摄像片,必须使像片覆盖整个测区,而且能够进行立体测图,相邻像片应有一定的重叠。同一条航线内相邻像片间的重叠影象称为航向重叠,相邻航线间的重叠称为旁向重叠。重叠大小用像片的重叠部分x (y )与像片边长比值的百分数之比表示,称为重叠度。航向重叠一般规定为60%,最小不小于53%,最大不大于75%;旁向重叠一般规定为30%,最小不小于15%,最大不大于50%。重叠度小于最小限定值时,称为航摄漏洞,不能用正常航测方法,必须补飞补摄,重叠度过大时也不利于测图。

(4)航线弯曲度。把一条航线的航摄像片根据地物影像叠

拼起来,连接首尾像片主点成一直线,同时量出其距离L 。航

线中各张像片主点若不落在该直线上,航线则呈曲线状,称之为航线弯曲。用其中偏离航线最大的主点距离@与航线长度L 之百分比表示,称为航线弯曲度。航线弯曲度通常不得大于3%。

(5)像片旋转角。本航线中相邻像片主点的连线与同方向像片边框方向的夹角称为像片旋偏角,一般不得大于6°,个别允许到10°。

航空摄影测量需要进行外业和内业两方面的工作:(1)外业工作:①像片控制点联测。像片控制点一般是航摄前在地面上布设的标志点,也可选用像片上的明显地物点(如道路交叉点等),用普通测量方法测定其平面坐标和高程。②像片调绘。像片调绘是图像判读、调查和绘注等工作的总称。在像片上通过判读,用规定的地形图符号绘注地物、地貌等要素;测绘没有影像的和新增的重要地物;注记通过调查所得的地名等。通过像片调绘所得到的像片称为调绘片。调绘工作可分为室内、野外和两者相结合3种方法。③综合法测图。主要是在单张像片或像片图上用平板仪测绘等高线。

(2)内业工作:①测图控制点的加密。以前对于平坦地区一般采用辐射三角测量法,对于丘陵地和山地则采用立体测图仪建立单航线模拟的空中三角网,进行控制点的加密工作。20世纪60年代以来,模拟法空中三角测量逐渐地被解析空中三角测量代替。②用各种光学机械仪器测制地形原图。

所谓航空摄影测量就是利用飞机对地面拍摄像片,再利用摄影测量学原理及立体测图仪,将像片组成立体模型,以从事各种地图测绘及地物判读工作。航空摄影测量的主题,是将地面的中心投影(航摄像片)变换为正射投影(地形图)。这一问题可以采取多种途径来解决,如图解法、光学机械法(亦称模拟法)和解析法等。每一种方法还可细分出许多具体方法,而每种具体方法又有其特有的理论。其中有些概念和理论是基础性的,带有某些共性,如像片的内方位元素和外方位元素,像点同地面点的坐标关系式,共线条件方程,像对的相对定向,模型的绝对定向和立体观测原理等。

第38卷第10期人　民　长　江

Vol .38,No .102007年10月

Yangtze River Oct .,2007

2　JX -4C 数据采集

航空摄影测量学曾经历过模拟摄影测量和解析摄影测量阶

段,随着计算机技术及其应用的发展以及数字图像处理、模式识别、计算机视觉等学科的发展,现已进入数字摄影测量阶段。长江委遥感数字工程院现在采用的计算机测图软件是北京测绘科学研究院推出的JX -4C 。JX -4C 显著特点是:有一个极好的立体交换手段使其立体观测效果不亚于进口解析软件,加上手轮、脚盘、脚踏开关后成为一台完整的解析测图仪。JX -4C 同时又不仅是一台解析测图仪,面向影像的各种算法被加进去后使其可以实现半自动或手动定向,有效监督下的相关算法计算成千上万的DEM ,测图方式下的实时相关,实时边界提取,使DE M ,DLG 生产过程中,劳动强度下降,由于立体图形可以叠加至影像立体上去并且可以硬件放大、缩小、漫游,为DE M 的立体编辑、DLG 的立体套合查漏创造了有利条件。JX -4C 一个最显著的特点是,具有强大的立体编辑功能和产品质量的可视化检查。

J X -4C 工作流程(图1)分为两大步:定向建模和向量测图

。

图1　JX -4C 工作流程

(1)内定向。内向定主要是用于量测坐标和相机坐标之间的仿射变换模型的量测。你可以检查量测精度结果,如果想重新量测框标,单击鼠标右键便可清除原先所有的量测记录,之后就可以重新量测。内定向残差较大,可能是像片伸缩,框标不对或扫描仪有问题等因素导致。内定向一定不要凑数,因为JX -4框标放大得很大不会测不准,基本上残差测出多少就是多少。当框标文件不对称主点坐标较大时,可设置扫描方向与像对顺序一致或相反做两次,残差小的一次一般都是正确的。内定向也可以自动进行。

(2)相对定向。相对定向是确定像片对相互位置关系的过程。模拟法相对定向是在立体测图仪上进行,其理论基础是使空间所有的同名光线都成对相交。当同名光线不相交时,则在仪器的观测系统中可以观察到上下视差(常用Q 表示)。上下视差就是两条同名射线在空间不相交时在垂直于摄影基线方向中存在的距离。此时将投影器作微小的直线移动或转动,就可以消除这个距离。理论上只要能够在适当分布的5个点处同时消除该点处的上下视差,就认为已经获得在这个立体像对内全部上下视差的消除,从而完成了相对定向,得出立体模型。相对定向的解析法是在像片上量测各同名像点的像点坐标,例如对左像片为x 1、y 1,对右像片为x 2、y 2。根据同名射线共面条件的理论可以推导出这些量测值与相对定向元素的关系式。理论上

测得5对同名像点的像点坐标值,就能够解算出该像片对的5个

相对定向元素。同名点在左右像片上的纵坐标差(y 1-y 2)习惯上也称之为上下视差,用符号q 表示。

相对定向的结果是建立立体模型,其精度对整个作业过程影响极大。好的相对定向结果会带来好的大地定向结果,相关成功率高,测图时没有视差,立体感好,因而要高度重视相对定向。相对定向既可自动进行,也可采用手动完成。

若相对定向结果点数少,可能有以下几个方面:(1)左右像片顺序是否反了;(2)内定向对原始影像的扫描方向是否安置正确;(3)重叠度,地区类输入是否有误;(4)相机文件、特别是焦距是否有误。

相对定向既可自动进行,也可手动完成。相对定向一般采用自动方式,仅在特殊地形相关匹配点少于6个的情况下才采用手动完成。

核线重采样主要是恢复原始影像。相对定向完成后就可以建立一个没有上下视差的理想像对,绝对定向,自动获取DEM 及向量测图都将在核线影像对上完成。由于是立体相对作业,只在重叠范围内作核线纠正,所以核线影像大约为原始影像的65%。

在摄影测量中,相对定向所建立的立体模型常处在暂时的或过渡性的模型坐标系中,而且比例尺也是任意的,因此必须把它变换至地面测量坐标系中,并符合规定的比例尺,方可测图,这个变换过程称为绝对定向。绝对定向的数学基础是三维线性相似变换,它的元素有7个:3个坐标原点的平移值,3个立体模型的转角值和1个比例尺缩放率。

绝对定向完成后必须要对工作区进行圈定,也是核线影像裁切,就是定义工作范围。定义工作范围在绝对定向结束后接着进行,影像裁切只能进行一次,若已切过一次就不允许再次裁切。如果确实需要重新裁切,就必须再做一次核线重采样,并且重新进行绝对定向计算。

这样,经过内定向、相对定向、核线重采样及绝对定向,或者进行了空三导入后,单像对的立体模型就建立起来了。这样就可以立体观测,进行数据采集。

立体观察的原理是建立人造立体视觉,即将像对上的视差反映为人眼的生理视差后得出的立体视觉。得到人造立体视觉须具备3个条件:①由两个不同位置(一条基线的两端)拍摄同一景物的两张像片(称为立体像对或像对);②两只眼睛分别观察像对中的一张像片;③观察时像对上各同名像点的连线要同人的眼睛基线大致平行,而且同名点间的距离一般要小于眼基线(或扩大后的眼基距)。若用两个相同标志分别置于左右像片的同名像点上,则立体观察时就可以看到在立体模型上加入了一个空间的测标。为便于立体观察,可借助于一些简单的工具,如桥式立体镜和反光立体镜。对于那种利用两个投影器把左右像片的影像同时叠合地投影在一个承影面上的情况,可采用互补色原理或偏振光原理进行立体观察,并用一个具有测标的测绘台量测。

3　数据采集精度分析

数据采集精度要达到国家规范的要求,每一个过程都要符合精度要求,每做一个项目其精度要求都不一样,以“小南海水电站坝址及库区1∶2000比例尺航测成图”为例,每一个过程的精度要求如下。

加密点数量和点在像片上位置的要求:每个相对6个定向点,特殊情况下不少于4个定向点;加密点位置应在过主点方位

(下转第35页)

31

第10期孙富余等:航空摄影测量数据采集及精度分析