GPS辅助光束法区域网平差像控布点方案在大比例尺航摄成图中的关键技术应用研究

盛亚欣 戴建初

摘 要  随着航空摄影测量技术的不断发展，航摄成图在大比例尺地形图中的应用不断增加，但是常规的像控布点方案外业控制点工作量较大，并且空中三角测量的高程精度较难达到国家规范精度要求。本文通过对实际项目数据的分析，采用GPS辅助光束法区域网平差像控布点方案，使用Imagination软件进行机载GPS辅助光束法区域网平差之后，空中三角测量的精度（尤其是高程精度）能基本满足国家相关规范的精度要求。

关键词  构架航线;像控布点;空中三角测量;机载GPS辅助光束法区域网平差

中图分类号：P228.4 文献标识码：B

Key Technologies Applied Research on the GPS-supported Bundle Block Adjustment Photo-control-point Layout Schemein the Task of Large-scale Photographic mapping

Sheng Yaxin， Dai Jianchu

（The First Surveying and Mapping Institute of Hunan， Hengyang Hunan 421000）

Abstract： Aerial photography plays an increasingly important role in the task of large-scale topographic mapping along with the continuous development of the aerial photogrammetry technology.However， the traditional photo-control-point layout scheme needs a lot of manpower and material resources，and the elevation accuracy of the aerialtriangulation can hardly meet the demands of the national standard.Through the analysis of the real project data，theImagination software is employed to handle the airborne GPS-supported bundle block adjustment in this paper，by which the accuracy of aerialtriangulation（especially the height accuracy） is completely meet the needs of  the national standard accuracy requirements.

Keywords： the control line; photo-control-point layout scheme; aerial triangulation; the airborne GPS-supported bundle block adjustment

0  引言

随着数码航摄仪集成双频GPS[1-2]进行测绘航空摄影的技术日益成熟，以及大量的大比例尺地形图的需求，利用高分辨率数码航摄影像进行大比例尺地形图成图的方法越来越得到重视和广泛的应用。而常规的大比例尺航测成图中需要大量的外业像片控制点，甚至对平坦地区进行高程实测等才能达到国家规范的精度要求。因此，如何减少像控点数量，同时提高成图精度，以达到减少外业工作量，提高工作效益，成为大比例尺航测成图迫切的现实需求。

根据GPS辅助航空摄影及空三加密理论，如果空三加密时，采用GPS辅助光束法区域网平差[3-4]，可以打破常规像控布点方法，減少外业像控点的同时，可以满足大比例尺成图的精度要求。下面以湖南省不动产统一登记基础数据建设衡山测区和数字醴陵两个项目的数据采集为例，进行GPS辅助光束法区域网平差像控布点方案在大比例尺航测成图中的关键技术应用研究，以确定利用GPS辅助光束法区域网平差，配合GPS辅助光束法区域网平差像控布点方法从理论走向实践的关键技术。

1  理论基础

1.1 机载GPS辅助光束法区域网平差基本原理

机载GPS辅助光束法区域网平差是把航空摄影时测量的GPS/IMU数据中GPS数据提取出来，获得摄影中心三维坐标，然后与航测数据一起进行光束法区域网联合平差。这种平差方式是利用GPS数据对航摄相片进行空中定位，达到用GPS摄站作为空中控制来取代地面控制的目的，从而减少平差区域网对地面控制点的数量要求，同时提高空三加密的精度。

采用机载GPS辅助光束法区域网平差，地面控制点数量只需满足空中控制网到地面控制网的坐标系转换，同时这也可以解决航摄时GPS数据的系统飘移量问题[5]。因此只需在每个加密分区的四角布设一个平高像控点，就可以完成坐标系转换。再在航线两端加飞两条构架航线[6-8]，以消除GPS系统飘移量。如果没有构架航线，就在航线两端近似垂直的位置布设一排高程控制点，同样可以达到消除GPS飘移的效果。

1.2 Imagination（畅想）空三加密软件简介

Imagination（畅想）空三加密软件采用GPS辅助光束法区域网平差原理，充分利用机载GPS/BD[9]数据，将时间作为参数纳入平差。利用GPS后处理手段，使机载GPS/BD数据达到厘米级精度，从而直接获取高精度的外方位元素之三个线元素，然后将其作为带权观测值参与区域网平差，最终实现在少量像片控制测量的前提下，完成空三加密，并使航测精度达到国家规范要求，尤其是大幅度提高航测高程精度[10]。

2  实验区情况

2.1 实验区概况

实验区1为湖南省不动产统一登记基础数据建设衡山测区，成图比例尺为1：2000，面积约2500 km2。航线设计为东西向飞行，涉及原始航片1240张，地面分辨率0.2 m，焦距79.8 mm，像元大小5.2μm，像幅尺寸为13080×20010，21条航线，其中包含5条补飞航线，地形以丘陵为主。

实验区2为数字醴陵的部分区域，成图比例尺为1：2000，面积约1200 km2。航线设计为西南-东北向飞行，涉及原始航片984张，地面分辨率0.2 m，焦距79.8mm，像元大小5.2μm，像幅尺寸为13080×20010，包含N01-N15共15条测图航线，其中包含2条补飞航线;N27-N28共2条构架航线，地形以丘陵为主。

2.2 实验区的像控布点方案

2.2.1 无构架航线的实验区1像控布点方案

按照GPS辅助光束法区域网平差理论，本项目区无构架航线，则必须在区域网的四角各布设一个平高控制点，同时区域网两端垂直于航线方向的旁向重叠中线附近各布设一排高程控制点。针对不规则区域网，在其周边增设像控点，凸角转折处布设平高控制点，凹角转折处为1条基线时，布设高程控制点，1条以上基线时，布设平高控制点。另外在区域网中间成“品”字形布设部分检查点。

按照上述像控布点方案，针对实验区1的航摄情况，具体像控布点情况如图1所示。

2.2.2 有构架航线的实验区2像控布点方案

根据GPS辅助光束法区域网平差原理，本实验区像控布点只需在区域网四角各布设一个平高点，再在区域网中间成“品”字形布设部分检查点即可。

针对实验区2的航摄情况，具体像控布点情况如图2所示：

2.3 空三加密情况

针对两个实验区不同的航摄情况，分别利用Imagination（畅想）空三加密软件，进行GPS辅助光束法区域网平差，两个实验区的平差结果分别见表1、表2所示：

3  实验结果分析

3.1 精度分析

通过两个实验区的基本定向点残差、检查点最大误差精度统计表，可以确定采用GPS辅助光束法区域网平差的像控布点方案，不论是无构架航线的像控布点还是有构架航线的像控布点，通过畅想空三加密软件的GPS辅助光束法区域网平差后，其精度是可以完全满足国家规范的精度要求[11]。

3.2 像控点工作量比较

3.2.1 实验区1的像控点工作量比较

实验区1的成图比例尺是1：2000，按GPS辅助光束法区域网平差的像控布点方案，共布设了36个像控点，13个检查点。若采用常规的像控布点方案，一般是按照“4条航线×15条基线”的区域网法像控布点，并且在区域网的中间布设一个检查点，实验区1则需布设35个像控点，21个检查点。

3.2.2 实验区2的像控点工作量比较

实验区2的成图比例尺是1：2000，按GPS辅助光束法区域网平差的像控布点方案，共布设了4个像控点，8个检查点。若采用常规的像控布点方案，实验区2则需布设25个像控点，16个检查点。

3.2.3 像控点工作量比较的结论

通过实验区1的像控布点方案工作量的比较，可以得出以下结论：常规像控布点若按“4条航线×15条基线”的原则，则航线的基线数大于60时，采用GPS辅助光束法区域网平差的像控布点方案的像控点数量比常规像控布点方案少，并且航线的基线数越多，按GPS辅助光束法区域网平差的像控布点方案减少的像控点数量越多;航线的基线数等于60时，两个布点方案的像控点数量一样;航线的基线数小于60时，采用GPS辅助光束法区域网平差的像控布点方案的像控点数量比常规像控布点方案多。

但是，采用GPS辅助光束法区域网平差的像控布点方案，除了加密分区四角的像控点要求是平高点外，其它均可以为高程点。高程像控点比平高点难度和工作量均小的多，因此即使像控點个数一样，GPS辅助光束法区域网平差的像控布点方案还是具有非常大的优势。

通过实验区2的像控布点方案工作量的比较，可以得出以下结论：有构架航线的航摄情况下，采用GPS辅助光束法区域网平差的像控布点方案，可以减少80%左右的像控点数量，并且航线数越多，每条航线的基线数越多，减少的像控点数量越多，GPS辅助光束法区域网平差的像控布点方案的优势越明显。

4  关键技术分析

4.1 像控布点关键技术

无构架航线的像控布点点位要求与常规像控布点一致，一般要求像控点必须是5片或6片重叠区域内的特征点，测区边缘像控点应布在测区边缘线外4mm以上，像控点距像片的各类标志应大于1.0mm。有构架航线的像控布点只要是在构架航线与测图航线的交点区域处布点就行，不用考虑常规像控布点的6片重叠情况，可供选择的像控布点区域范围较大，像控布点较为容易。补飞航线集中的区域可适当在补飞航线与原航线衔接的位置处增加像控点。

4.2 构架航线关键技术

构架航线应尽量与航摄航线垂直;位于摄区周边的构架航线，要保证其像主点落在摄区边界线上或边界线之外，两端要超出摄区边界线四条基线;位于摄区内部加密分区间的构架航线，要保证其像主点落在所跨乘的加密分区界线两侧测图航线半条基线的范围内，两端要超出分区界线四条基线;构架航线的绝对航高应比测图航线的绝对航高高5%-15%，应不少于80%的航向重叠度，要保证隔号像片能构成正常重叠的立体像对;构架航线如其本身出现局部的相对漏洞或有其他缺陷（如：云影、脱膜、斑痕等），在不影响整条航线内业加密选点和模型连接的情况下可不补摄。凡需要补摄时，应整条航线重摄;构架航线由于相机脉冲输出装置故障引起的时标信号丢失，在一条航线上连续不超过三张时，不必补摄;当构架航线出现GPS摄站丢失时，应整条航线重摄[12-14]。

5  结论

通过本次实验可以确定，GPS辅助光束法区域网平差的像控布点方案完全可应用于航测大比例尺成图，并且使用畅想空三加密软件，按照机载GPS辅助光束法区域网平差方法进行空三加密，其空中三角测量成果的精度较高，大大提高航摄成图的大比例尺地形图的精度。采用GPS辅助光束法区域网平差的像控布点方案在无构架航线航摄分区航线基线较多的情况下，比常规的像控布点方案可以减少像控点的数量，并且除四角是平高点外，其余的控制点可以是高程控制点，大大降低外业像控点的难度。

有构架航线的航摄方案，采用GPS辅助光束法区域网平差的像控布点方案在航摄设计阶段就可以确定像片控制点的位置，故可以在航摄设计阶段，利用卫星影像，将航摄区域调整到地面有明显标志地物的位置，便于像控布设;或者根据需要提前进行地面布标。较之传统的航测作业流程可以根据需要进行调换，可以像控和航摄同时进行，甚至可以先做好像控，缩短项目工期。并且只需四个平高像控点就可以满足精度要求，较之常规的像控布点方案减少约80%的像控点数量，减少外业像控点的成本。

参考文献/References

[1]徐丹丹，赵兴旺，徐跃等.GPS双频观测值差分码偏差估计及精度分析[J]. 全球定位系统，2018（5）：17-22.

[2]李英成，王凤，孙新博等.双频GPS辅助低空航摄大比例尺空三精度分析[J].遥感信息，2017（6）：22-26.

[3]袁修孝.POS辅助光束法区域网平差[J].测绘学报，2008（3）：342-348.

[4]秦修功，陈曦，杨辽，等.构架航线对无人机影像区域网平差精度影响分析[J].测绘科学，2017（1）：150-157+163.

[5]郑亮，王刊生.稀少控制条件下无人机空三加密及在公路地形测图中的精度分析[J].测绘通报，2017（11）：139-143.

[6]庄利有，方德涛，刘珊珊等.提高非量测相机高程精度关键技术分析[J].测绘通报，2018（7）：133-136.

[7]李勇军，左娟.构架航线在无人机航摄中的应用[J].测绘与空间地理信息，2017（2）：206-208.

[8]张艳红，邹小香，朱雪辉.构架航线在空三加密中的应用研究[J].江西测绘，2018（4）：19-22.

[9]袁修孝，蔡杨，史俊波等.北斗辅助无人机航摄影像的空中三角测量[J].武汉大学学报（信息科学版），2017（11）：1573-1579.

[10]袁修孝，付建红，楼益栋. 基于精密单点定位技术的GPS辅助空中三角测量[J].测绘学报，2007（3）：251-255.

[11]薛武，张永生，赵玲等.增量式SFM与POS辅助光束法平差精度比较[J].测绘学报，2017（2）：198-207.

[12]趙福成.GNSS辅助摄影测量中几个问题的探讨[J].测绘与空间地理信息，2017（6）：145-147.

[13]冯茂平，赵元沛，杨正银等.1∶500航测法高精度成图的关键技术研究及其应用[J].测绘，2017（4）：178-180+192.

[14]GB/T 6962-2005， 1：500 1：1000 1：2000地形图航空摄影规范[S].北京：测绘出版社，2005.