基于像控点替代构架航线的应用研究

周 英, 戴建初

(湖南省第一测绘院, 湖南 衡阳 421001)

目前，在湖南省不动产统一登记基础数据建设项目中，1∶2000框幅式航飞数据覆盖全省大部分区域，其像片控制测量采用区域网布设原则，即四角双点法。这种布设方法劳动强度大、工作量大、耗时长，并且对于树林茂密、大面积水域等难以布设像控点的地区通常无能为力。因此，在1∶2000不动产统一登记基础数据建设项目或其他大比例尺航测项目中，如何通过行之有效的方法，大量减少像控点，减少外业工作量，是摄影测量作业提高效率亟待需要解决的问题。根据GPS辅助空三加密理论，可以增加构架航线的方式减少地面控制解决上述问题。但是当航摄已经完成，航摄时没有设计构架航线，或是由于某些原因不能进行构架航线的航飞时，又如何减少像控点和避开茂密的山林和大面积的水域呢？本文根据GPS辅助空三加密理论，对像控点替代构架航线的空三加密进行探讨。

1 GPS辅助空中三角测量的原理

空中三角测量是根据摄影几何反转原理，利用影像的内、外方位元素和大量地面控制点，重建可量测的几何立体模型，求得其他被摄目标的高程和平面位置的测量方法。

GPS辅助空中三角测量是利用安装于飞机上与航摄仪相连接的和设在地面上一个或多个基准站上的至少两台GPS信号接收机同步而连续观测GPS卫星信号、同时获得航空摄影瞬间航摄仪快门开启脉冲，通过GPS载波相位测量差分定位技术的离线数据后处理获取航摄仪曝光时刻摄站的三维坐标，然后将其视为附加观测值引入摄影测量区域网平差中，经采用统一的数据模型和算法来整体确定物方点位和像片方位元素并对其质量进行评定的理论、技术和方法。

2 Imagination空三加密软件简介

本次数据探讨基于Inpho、Imagination(畅想)两款软件完成的空三加密，其中Imagination应用了替代构建航线，为本次数据比对的重点对象。

Imagination(畅想)空三加密软件是武汉大学袁修孝教授和湖北山锐航空遥感科技有限公司联合研发的一款GPS辅助光束法区域网空三加密软件。该软件特点是：在航摄时无需架设地面基站，利用机载GPS/BD辅助航摄时所获得GPS测量数据纳入区域网平差，只需在加密分区四角各布设一个平高控制点即可实现像方坐标到物方坐标的整体空间转换，在减少外业工作量的同时，减少了传统航测大量野外像控带来的人为误差，大幅度提高航测成图精度和高程精度。

3 像控布点方案

根据GPS辅助空三加密原理，空三加密可在WGS84坐标下进行。为了转换到地面坐标系统，只需提供WGS84坐标到地面坐标的转换关系，同时消除GPS测量的系统误差。因此，只需在加密分区四角各布设一个平高控制点，就可完成WGS84坐标到地面坐标的转换，再在区域网两端各布设一条构架航线，用来消除GPS测量系统误差。当没有进行构架航线航摄时，必须在航线两端各布设一个高程控制点，同样能够消除GPS系统误差。本文主要是针对没有构架航线时像控布点方法进行探讨，替代构架航线的像控布点方法及要求如下：

(1)在区域网四角各布设一个平高点。平高点满足一般像控要求即可，但是必须在成图区域外面，满足三片重叠。

(2)替代构架航线的高程点必须在成图区域外面，位于两条航线中间，满足6片重叠。所有高程点尽量布设成直线，左右不宜超过1条基线。

(3)在区域网中间成梅花状布设5～6个检查点。在补飞航线与原航线重叠处和地形变换处一般会是空三加密精度相对较差的地方，最好布设一个检查点。

4 应用案例

4.1 项目概况

本次应用研究以湖南省不动产统一登记基础数据建设项目衡山测区(140208-1摄区)为例。

衡山测区(140208-1摄区)地处湖南省的中部偏东地区，地形以低山、丘陵为主。该测区影像于2015年10月至2016年1月，使用运8飞机搭载UC Eagle框幅式航摄仪，采用IMU/GPS辅助航空摄影，无构架航线。相机焦距为79.8 mm，像元大小为20010*13080，像元尺寸为5.2 μm，地面分辨率为20 cm，绝对航高为3 550 m，旁向重叠度为18%；最小航向重叠度为54%，最大旋偏角为4°，最大倾斜角为19.6°，最大航线弯曲度为0.34%，航线设计为东西向飞行。本次实验使用本摄区所有影像进行空三加密，航线总数为21条，包含5条补飞影像(第7、11、12、15、16航线部分补飞，时效性良好)，航片总数1 270张，航摄面积2 500 km2。

4.2 像控点情况

4.2.1 替代构架航线的像控点布设情况

由于没有构架航线，像控布点采用在加密分区四角及拐角布设平高点，同时在航线两头布设两排高程控制点。本实验加密分区共计布设平高点36个，检查点13个。像控点布点图如图1。

备注：玫红色点为像控点，蓝色点为检查点

4.2.2 常规像控点布设情况

衡山测区原来计划采用Inpho软件带POS数据进行平差。参考相关规范和相关项目经验，像控点布设采用区域网布设，四角双点，像控点布设区域范围原则上为“4条航线×15条基线”，同时在区域网中间增加一个检查点。本测区常规像控点总共布设35个平高点，检查点21个，像控点布设图如图2。

4.3 空三加密情况

为进一步验证两个软件空三加密成果的精度情况，在像控点、检查点分布较薄弱的地区，选择部分地物纹理清晰、特征明显的位置均匀采集检测点，同时用 GPS-RTK野外实测检查点的平面和高程坐标，然后利用空三加密成果，恢复立体模型，采集同名点，比较其与实测坐标之差，以检验本次研究的空三加密成果精度。两种方案下空三加密成果误差统计见表1、表2。平面检测点和高程检测点均达到了较高精度，地形图精度良好，完全达到规范要求。

备注：绿色点为像控点，紫色点为检查点

表1 替代构架航线的空三加密精度统计

表2 常规像控布点的空三加密精度统计

4.4 像控点工作量的对比与分析

采用常规像控布点方案时，像控点点位需布设在影像的六度重叠区域。而本文的替代构架航线只需在构架航线与测图航线的交点区域处布点，布点区域选择范围较大，更利于像控点选择在纹理清晰、特征明显的区域，有效缩短了空三加密的工作周期，一定程度上提高了工作效率。

4.5 案例分析结论

(1)像控点替代构架航行进行GPS辅助空三符合规范要求，完全可用于大比例尺航测成图。用航线两端布设两排高程像控点(也可是平高点)替代构架航线来进行GPS辅助光束法区域网平差的方法完全可行。但是，由于外业像控点的精度比航摄时GPS测量精度略低，相应的空三加密成果中高程精度会略有下降，不过仍然会符合大比例尺成图精度的要求。

(2)用像控点替代构架航线的像控布点方法可以节省外业工作量。就本案例而言，像控点减少20%，而且其中有28个像控点可从平高点改为高程点，间接减轻了外业工作量。另外，本案例加密分区外形不规则，也导致增加了像控点数量。

假如有4条航线，每条航线有120条基线，按像控点替代构架航线方案布点，则需要10个像控点，6个检查点；按常规像控点方案则需布设18个像控点，8个检查点。

假如有4条航线，每条航线有45条基线，按像控点替代构架航线方案布点，则需要10个像控点，6个检查点；按常规像控点方案则需布设8个像控点，3个检查点。

综上所述，若是大于60条基线的航线，按像控点替代构架航线方案布点，则可以减少像控点数量，并且航线基数越多，减少的像控点越多；若是等于60条基线的航线，则两种方案下像控点布设的数量是一样的；若是小于60条基线的航线，则常规像控点布设方案的像控点数量比像控点替代构架航线方案布点的数量少；即测区越大，节省的像控工作量越小。

5 结语

通过像控点替代构架航线实施GPS辅助区域网空中三角测量，在一定程度上能减少野外控制点的工作量，特别是其加密区四角四点以外的其他航线布点，点位选择范围更大，像控布点更灵活，像控作业效率有所提高，具有应用推广的价值与意义。