高分辨率航带影像像控点的布设和基准约束测量

范业稳，李睿硕，周洪波

(1. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079； 2. 武大吉奥信息技术有限公司，湖北 武汉 420223)

高分辨率航带影像像控点的布设和基准约束测量

范业稳1，李睿硕2，周洪波1

(1. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079； 2. 武大吉奥信息技术有限公司，湖北 武汉 420223)

推扫式航摄仪所获取的带状影像，其每个像素都具有比较准确的WGS-84坐标。带状影像模型自成刚体，具有很强的稳定性，但其区域网模型精度在高程方面偏弱。受其自身航带影像模型刚性和区域网弱高程模型精度的影响，其像控点布设有其自身的特殊性。在获取具有多重空间基准约束的像控点的过程中，当在像控区域中有CORS基站、GPS控制网、水准控制网等多个空间基准类型可以利用时，可利用IGS站点和EGM2008数据快速验证这些基准的应用有效性，避免已有空间基准的潜在问题，这是保证像控点快速和精确获取的关键。

推扫式航空影像；像控点布设；基准约束；像控测量；IGS

由于采用线性CCD作为成像单元，推扫式航空摄影系统需要集成GPS和惯性测量单元(IMU)，在航摄时记录每条扫描线数据的同时能够记录每条扫描线的投影中心坐标和姿态，再通过机载GPS事后差分及与IMU的融合计算可以获得每个像素比较准确的WGS-84坐标[1-2]。其所形成的航带影像刚性强，稳定性好，直接地理定位精度较高。但是在大比例尺推扫式航空摄影测量应用中，由于所需测绘产品的精度高于航带影像直接地理定位精度，同时又要保证测绘产品能够在地方空间基准下的灵活应用，必须对推扫式航摄影像进行空三加密。而进行空三加密，首先必须合理布设和获取空三加密所需的像片控制点。推扫式航摄影像受其自身航带影像的刚性和其区域网弱高程精度的影响，其像片控制点的布设有其自身的特殊性；并且随着现代测绘技术的快速发展和应用，在一个测区中通常有多个空间基准存在，在原始影像基准和目标空间基准的双重约束下，如何合理利用测区已有空间基准以保证像控点的快速和精确获取，是提高航空摄影成果应用效率的关键。

1 航带影像像片控制点布设

无论是面阵式还是线阵式航空影像空三加密，都需要一定数量的像片控制点。由推扫式航摄仪的成像原理[3-6]可知，通过线阵推扫方式所获得的航带影像，其误差主要来自GPS和IMU因航带飞行时间而产生的积累误差，通过采用分段或定向影像技术建立影像成像平差模型，恢复航带影像后，在x、y平面上，其内部像素之间具有很强约束性，整体呈现为刚性，地理定位精度较高；而在Z方向，则主要受航摄时飞行器的姿态稳定性、速度均匀性及线阵感光元件CMOS本身的制造平整性等质量元素影响较大，区域网模型呈现弱高程精度特征。因此，根据推扫式航空影像的影像模型误差特征，以及传统的像片控制点布设原理，推扫式航带影像的像控点布设要求设计如下：

(1) 由于推扫式航带影像的刚性特点，平面控制点的作用主要是将航带模型归算到目标基准并平差整个航带模型的解算误差，提高模型的平面精度，因此平面控制点的布设宜按宏观控制整个航带或测区的要求布设，航带模型宜布设在航带两端，规则区域网宜布设在区域网周边角点，不规则区域网按区域网周边角点布设，在不规则部分可适当增加检查点，如图 1所示。

图1 推扫式航带影像的平面控制点布设方案

(2) 高程控制，因每个点的高程是呈离散分布的，其精度主要与测绘区域的测量模型与实际模型的符合度相关，且测量模型的平面精度对每个点高程的变化具有一定的约束作用。由于推扫式航带影像具有较高平面精度，因此其高程主要表现为平差解算过程中传递高程分量的方位元素误差的积累。因此推扫式航带影像的高程控制点同框幅式航摄影像一样，应按照精确拟合测绘区域实际模型起伏和分块控制误差积累的目的来布设，宜覆盖整个测区，按矩形、品型布设，如图 1所示，通常可采用9、12、21点法来布设，且每个像控点应布设在地面平坦区域，同时要求最外围高程控制点连线区域应包含整个成图范围。

(3) 对于像片控制点的测量精度应按照相关规范要求执行，刺点要求则按照内业能够有效判读的原则执行。

2 基准约束下像片控制点获取

随着GPS技术的快速发展，各地通常同时都有多套空间基准，由于保存和维护不到位，基准成果出现变化，没有得到及时更新是常见之事。由于航带影像自身具有WGS-84坐标，为保证该成果能得到灵活应用，需要建立WGS-84与地方坐标、大地高和正常高之间的转换关系。基于现有多基准的情况，设计一套像片控制点获取和验证方案，可减少像控工作因基准的潜在问题而返测的可能，并对基准及时进行维护。

(1) 如果测区有具有地方坐标的CORS基站或GPS控制点，可采用联测IGS(the international GNSS service)站的方式，获取CORS站或GPS控制点的WGS-84坐标，同时验证这些控制点已有WGS-84坐标的正确性。控制点与IGS站联测的基本原理[8]是通过采用大地型双频GPS和天线，使用最新的轨道参数，观测24 h，再根据IGS站点[9]的分布情况，选取合适的IGS站点与待测点组网，并作为区域网起算点，然后下载同步观测数据，利用成熟的GPS数据处理软件来解求待测点的WGS-84坐标。

(2) 将具有WGS-84三维坐标和地方坐标的控制点与高精度高程控制点联测，获取其高程(1985国家高程基准)验证起算点高程(1985国家高程基准)的正确性；如果区域内无高精度高程控制点，则根据空三高程精度要求，参考采用EGM2008全球高程异常数据来解求或验证各控制点已有的正常高。

(3) 采用分级控制的方法推求所有控制点的坐标，解算两套基准之间的转换参数，确保空三平差精度。

3 方案验证

3.1 试验数据

试验区位于中国西北部，由南北2个航摄分区构成。北区约120 km2，测图比例尺为1∶2000，基准面高700 m，航片GSD为20 cm，相对航高1929 m，旁向重叠35%，9条航线，平均长度30 km；南区约280 km2，测图比例尺为1∶5000，基准面高950 m，航片GSD为27 cm，相对航高2604 m，旁向重叠35%，10条航线，平均长度18 km。影像数据采用ADS80航摄仪(镜头编号1404，焦距62.7 μm，像素6.5 μm)于2012年7月获取，机载POS数据采用JPL精密星历解算。测区基础控制资料包括1个CORS基站，19个E级控制点，4个D级控制点， Ⅰ等和Ⅱ等高程控制点共5个，并参照空三加密布点要求，经实地踏勘布设了33个像片控制点，如图 2所示。

图2 研究区航线像控点结合图

现有空间基准中CORS基站具有WGS-84和地方坐标，在日常修测中经常使用；D、E级控制点只有地方坐标和1985国家高程基准高程，高程控制点保存完好，1985国家高程基准高程精度高。因此可以采用本方案来获取像控点成果。

3.2 测区控制点与IGS站联测

根据联测和检核要求，提取CORS基站2012年12月16日的独立观测记录，并采用大地型GPS在3个E级点上同时设站(KC288、KC294、KC309)，如图3所示，与CORS基站形成同步观测，观测时间大于8 h，解算软件采用BERNESE 5.0，坐标框架[10]为IGS08，基于IGS站的长距离相对定位方式来解算。选用的IGS站有ARTU、BADG、BJFS、CHUM、GUAO、IRKJ、KIT3、LHAZ、NRIL、POL2、TEHN、ULAB、URUM，采用的星历产品为快速星历产品。在基线解算过程中需对各项误差进行模型改正， 包括影

响较小的地球物理效应(极移、岁差、章动、潮汐等)。卫星轨道采用九参数光压模型，接收机钟差利用改正后的卫星位置和伪距观测值计算而得，对流层采用Saastamoinen模型，映射函数为niell干湿延迟[11]；电离层采用LC观测值消电离层方法；每条基线的整周模糊度采用QIF法确定，确定模糊度后，计算各参数值，包括对流层参数、坐标等。同时选取GUAO、URUM、POL2这3个IGS站作为参考站，利用另外一款软件(gamit)验证解算结果的可靠性，结果显示CORS基站和KC294的X、Y、Z分量都存在几毫米的差别(KC309在IGS08和IGS05框架下Y、Z方向的差距分别为15 mm和11 mm)。考虑到固定站选取、两种软件解算的策略及框架等因素，可以认为两种软件解算的结果基本一致。CORS基站解算结果见表 1。

图3

联测前后经度/(° ' ″)纬度/(° ' ″)大地高/mUTM/m备注CORS基站×××××5.7754×××××8.8760×20.163××361.241774××420.247185已知2012-12-16×××××5.809712×××××8.89212×18.053××362.014808××420.724447解算2013-05-13×××××5.809452×××××8.89344×18.040××362.009923××420.765327解算

从解算结果来看，CORS基站已知坐标和联测结果之间的坐标差ΔY=0.770 m，ΔX=0.498 m，高程差ΔZ=-2.116 m，WGS-84坐标和高程发生了变化，避免了因基准误差可能造成的返测。

3.3 控制点高程的精确获取

由于测区内有高精度高程控制点，可以采用与高等级水准控制点联测的方式来检测，再利用EGM2008进行验证的方式来检验。通过对测区内已有高等级水准控制点的保存措施和现状分析，再根据D、E级点的地形分布，选取需要联测的D、E级控制点，并设计高程联测方案：利用一等水准控制点奎乌3以四等水准观测要求采用闭合水准路线对KC294点进行联测；以四等水准观测要求采用闭合水准路线将奎巩2的高程经由DSZ08传递到KC309和KC310。结合2008年检测结果最终可获得KC288、KC294、KC309、KC310、KC300、KC293和DSZ08的水准高程。通过本次检测，发现部分控制点高程变化较大，已超出规范要求，应采用检测成果作为起算依据。根据检测结果，解求KC309和KC294的高程异常，并采用EGM2008全球高程异常数据[12-13]进行了校验，见表2。

表2 与IGS联测后的控制点高程异常与EGM2008数据的对比 m

从表2可知，如果考虑两个基准在青岛水准原点的差别，EGM2008数据在本区域的精度应在10 cm以内。因此，在后续应用中，可直接利用EGM2008数据内插国家高程基准下的高程值。

3.4 像片控制点获取和空三验证

按照分级控制的原则，根据测区形状、地形起伏特点先联测具有精确水准高程的点作为首级控制网，整体平差，检测已有控制点平差后的坐标(MaxΔS=0.02 m)；再利用平差后的D、E级点作为平面和高程拟合起算点整体平差像片控制网，获取所有点的WGS-84坐标、地方坐标和1985国家高程基准高程。

根据所获控制成果，计算坐标转换七参数。利用Leica XPro 5.2加载航带影像后自动匹配同名点，未匹配出同名点的区域由人工补测，调整误差偏大的同名点，使相对定向精度满足要求；进而将像控点刺在影像上，进行约束空三计算，对误差超限的控制点点位重新进行编辑，直到满足控制点与检查点绝对定向精度要求。空三误差统计结果见表 3。

表3 空三平差中控制点和检查点的误差统计值 m

为检验空三的精度，将航带影像引入立体环境，在立体环境下量测外业检测点的坐标，统计空三精度[14-15]，Mh=0.181 m，Ms=0.269 m，符合规范[16]要求，可以满足1区与2区成图精度要求。

4 结 语

根据对ADS80推扫式航带影像像控点布设、获取和空三的分析和试验结果，可以确定参照本文所提像控点布设方案可以大量减少像控点的数量，有效平差航带影像的模型解算误差，提高区域网模型的高程精度。同时在基准约束下进行像控点测量时，当利用IGS站点和其他成果来检测起算点坐标精度时，可有效检验或避免因空间基准误差而导致无法及时获取正确像控点坐标的情况，提高像控点测量效率。

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Layout and Reference Constraints Surveying of Image Control Points for High-resolution Aerial Strip Images

FAN Yewen1，LI Ruishuo2，ZHOU Hongbo1

(1. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing of Wuhan University,Wuhan 430079, China； 2. Wuda Geoinformatics Co. Ltd., Wuhan 420223， China)

Each pixel of strip image obtained by push-broom aerial photography system has precise coordinates of WGS-84. The stereo-model formed by aerial strip image is rigid, bearing strong stability, but has low precision inZcoordinateaftercarriedonaerialtriangulationadjustment.Becauseofinfluencedbymodel’srigidityandthelowprecisionofmodel’sZcoordinate,layoutofmodel’simagecontrolpointsforaerialtriangularadjustmentisdifferentfromothersituationsandhasitsownparticularity.Whensurveyingtheimagecontrolpointsiscarriedonundermulti-spatialreferenceconstraintswithoutotherchoices,includingCORSbasestation,GPScontrolnetwork,levelcontrolnetworketc.inaerialphotographregion.ItiskeypointtovalidatethecoordinateprecisionofthecontrolpointsinexistingspatialreferencewithIGSpointsandEGM2008datatoavoidthetheirpotentialerrorsandmakecertaintheimagecontrolpointscanbesurveyedquicklyandprecisely.

push-broom digital aerial image； layout of image control points； reference constraints； surveying of image control points； IGS

范业稳，李睿硕，周洪波.高分辨率航带影像像控点的布设和基准约束测量[J].测绘通报，2017(4)：67-70.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0122.

2016-07-11；

2017-02-16

范业稳(1972—)，男，博士，副研究员，研究方向为摄影测量与遥感、空间认知。E-mail：fyw@whu.edu.cn

P23

A

0494-0911(2017)04-0067-04