基于像素工厂处理ADS100 数据空中三角测量的研究

何丽敏

（山西省测绘地理信息院第一测绘院，山西 太原 030002）

0.引言

性能独特的徕卡传感器ADS 系列一直引领着机载数码传感器的创新方向，2013 年随着ADS100 机载数码传感器的登场，开启了高清影像获取的新纪元。像素工厂(Pixel Factory)是由法国地球信息公司研发的一套海量遥感影像处理系统，具有强大的数据存储、分发、并行计算等功能，能在少量人工干预下，快速高效地生产多种测绘数字化产品及一系列中间产品。尤其是空中三角测量模块因其“严格的传感器”模型，使其在效率和精度上占绝对的优势，同时又能直观地进行人机交互操作，在一定程度上提高了空三的可靠性。

1.ADS100 与ADS80 在主要技术参数上的区别

机载传感器从ADS80 到ADS100，在软件、硬件、技术参数及数据存储格式等方面都有一定的变化。相应的应用软件在版本上进行了升级，但总体构架并没有发生明显的变化。ADS100 在硬件上做了较大的改变，如镜头升级为SH100、使用最新陀螺稳定平台PAV100、更换了相机操作平台、CC33 控制器变得更加小巧、存储器容量的提升等等。其在技术参数上也有明显变化，下面只选择与空三加密相关的主要技术参数进行说明。

1.1 数据采集波段的变化

ADS80（以 SH82 镜头为例）相机有 12 条线阵电荷藕合元件(Chargec coupled Device,CCD)。分别采集红、绿、蓝、近红外和全色5 个波段信息。按照前视27°、底视0°、后视14°分为三组排列，前视组为一个全色CCD；底视组包含红、绿、蓝、近红外各一条CCD和一对相错半个像素的全色CCD；后视组包含红、绿、蓝、近红外和全色各一条CCD。ADS100 相机有13 条线阵CCD，分别采集红、绿、蓝和近红外4 个波段影像信息，较ADS80 缺少全色波段影像信息。按照前视26°、底视0°、后视19°分为三组排列，前视组包括红、绿、蓝、近红外等各一条CCD，底视组包括红、蓝、近红外各一条CCD 和一对相错半个像素绿色CCD，后视组包括红、绿、蓝、近红外各一条CCD。在空三加密中ADS100使用三个视角的绿色（GREEN）波段代替ADS80 的全色（PAN）波段。所以对于同等产品需求的工程，ADS100 数据量在一定程度上有所减小。

1.2 CCD 尺寸的变化

ADS80 CCD 尺寸为12000 个像元，且每个视角有效长度相同，而ADS100 CCD 尺寸为20000 个像元，且其不同视角CCD 有效长度是不同的。其中，底视CCD 有效长度为20012 像元；前视CCD 有效长度为16000 像元；后视CCD 有效长度为18330 像元。这就使得在同等地面分辨率的情况下，ADS100 获取的影像幅更宽，同面积测区中有效航线数相应减少，从而在一定程度上减少了后序空三、检查点布设、影像拼接、影像匀色、条带接边精度检测等一系列工序的工作量。因不同视角CCD 有效长度不同，在航线设计中，要以前视CCD 长度为参考标准充分考虑旁向重叠要求进行航线布设，以免因为航线重叠过小或航线漏洞给后序空三、影像拼接增加难度，延误工期。

1.3 视场范围的变化

ADS100 前视与后视之间的夹角由原来ADS80 的41°升级为45°。这样的设计使得在相同飞行高度下，ADS100 的基高比增大，构成的立体模型垂直比例尺夸大明显，立体效应增强，易于观测。

2.ADS100 数据预处理及像素工厂空三加密

从海量存储器（MM30）下载原始ADS100 的L0级数据，在存储路径和存储格式上与ADS80 有很大区别，所以其L0 级数据只能在徕卡公司相配套的Leica Xpro 下进行后序处理。如果想利用像素工厂对ADS100 数据进行空三加密，就需要将ADS100 的L0级数据在Leica Xpro 下进行影像粗纠正处理为L1 级数据才能实现与像素工厂等外部软件的对接。具体流程(如图 1 所示)：

图1 地理信息辅助审计工作流程图

2.1 数据源情况

本次航摄使用塞斯纳208 型飞机搭载徕卡ADS100(10520 型号)数码航空相机，获取影像分辨率优于0.2 米。该区域涉及1 个架次、3 条航线的航摄数据，旁向重叠度10%—21%，飞行面积约为800 平方公里。飞行当天飞行条件状况良好，飞行高度3008 米。

2.2 数据准备

2.2.1 数据下载

ADS100 数据通过 Leica Xpro 6.4 下的 Data Preparation 工具进行原始影像数据和GPS/IMU 观测数据下载，下载的影像数据以 (*.lov) 内部格式存储于images 目录下；影像附属信息文件存储于raw 目录下；GNSS-IMU 原始文件解压于gps-imu 相应的raw 目录下；ADS100 下载说明文件存储于mm 目录下。在影像下载过程中，可以根据用户需要选择下载数据的命名规则。

2.2.2 POS 解算

ADS100 的机载 GPS/IMU 数据首先通过Inertial Explorer 8.70 软件分离为GPS 观测数据和IMU 记录数据，然后对每个架次的GPS 数据和IMU 数据进行联合处理，生成每条扫描线的位置姿态数据。一般情况下POS 数据融合的方法有两种：一种是基于差分GPS(DGPS)技术；另一种是基于精密单点定位技术(PPP)。根据以往经验得知：基于精密单点定位技术解算精度一般在0.2—0.4 米之间，且存在系统误差。由于本项目精度要求较高，所以在此选用基于CORS 站数据进行差分解算技术。本次使用的CORS 基准站同步观测数据是由GPS 中心提供，采样间隔为0.5 秒。解算结果经过分析，满足《GB/T 20920.2-2012 数字航空摄影规范》第二部分推扫式航空摄影中相关精度要求。GPS/IMU联合解算精度详细情况(如表1 所示)：

表1 POS 解算精度

2.2.3 数据预处理与L1 级影像粗纠正

正常情况下L1 级影像纠正是在空三之后进行，但由于ADS100 数据在下载后数据格式与像素工厂软件所需格式不同，这里需要在导入像素工厂之前，对数据做预处理并进行L1 级影像粗纠正。在Leica Xpro 6.4软件下进行数据预处理过程中，需根据项目要求选择必要的影像及影像波段，通过Leica Xpro 软件下的Product Generator 模块生成相应的L1 级数据。生成的L1 级数据文件类型和文件格式与引入像素工厂所需的文件类型与格式基本一致。所以对于像素工厂来说，L1 级数据生成的过程实际上就相当于一个数据类型与格式的转换过程。但由于产成的两个L1 级影像头文件(*.sup)有些许差别，为便于引入像素工厂，需对两个影像头文件内部路径分隔符方向进行批量修改。

2.3 像素工厂空三加密

2.3.1 数据导入与附属文件属性字段修改

设定工程为基于WGS84 椭球的通用横轴墨卡托格网坐标系 (Universal Transverse Mercator Grid System)进行数据导入。ADS100 数据导入像素工厂后，需要对影像描绘文件的ID 字段进行修改，ID 字段属性值以每条航带航摄日期的月+ 日+ 小时+ 分钟+波段+视角+通道来填充(例如:12210454GRNB19A)。需要修改初始影像目录(INIT)下数据描述文件(*.xml)中Track Number、Short Number 两个字段属性和定向结果目录(GEOM)下数据描述文件(*.xml)中ID 字段属性，通过编写可执行程序实现批量修改。

修改字段的目的在于使像素工厂软件能根据以上字段属性自动区分航线，进而区分连接点类型（航带间连接点和航带内连接点），以便于在后序空三加密过程中，人机交互操作更加直观地进行粗差点剔除与连接点添加，及时调整连接较差区域，确保航带间连接点数量满足要求且连接点的分布更加合理，使空三结果更加可靠。

2.3.2 空三加密

像素工厂空三加密是一个连接点匹配、区域网平差、粗差点剔除与调整的循环过程。这里只对几个关键的步骤进行解析。

2.3.2.1 分组文件编辑

像素工厂是一种支持推扫式相机传感器模型的空三加密软件，这种严格的传感器模型有其无可比拟的优点，比如对测量误差的全面稳健评估、严密的内部算法、快速优化工艺流程等等，但也需要对模型系统误差进行细微调整。目前一般需要调整的误差模型参数有以下几种：相机姿态参数(rxc、ryc、rzc)、导航姿态参数(rx0、ry0、rz0、rx1、ry1、rz1) 和非线性比例因子(srx、sry、srz)。而分组就是对这些参数在优化中进行必要的绑定。比如相机姿态参数按相机绑定、导航姿态参数按航带绑定、非线性比例因子按飞行架次绑定。（这里需要特别说明，ADS100 航摄仪采用PAV100 最新陀螺稳定平台并集成高精度、抗干扰、性能稳定的惯性测量系统（IMU），能实时进行姿态修正，获得理想的定位姿态数据，因此对于ADS100 来说，非线性比例因子优化意义不大，可以忽略）。分组文件的正确组织在像素工厂空三优化过程中起着举足轻重的作用，在优化之前检查分组文件的正确性是保证整个空三精度的基础性工作，是非常必要的。

2.3.2.2 航带间连接点检查

航带间连接点的数量与质量决定着整个区域空三加密成果的精度。有时会因为某些外部原因导致航带间连接点匹配失败或数量很少。这种情况下，虽然像素工厂内部优化指标能满足要求，但并不能代表整个区域的实际空三结果符合精度要求。这就需要在现有连接点参与优化后，手动添加航带间连接点作为种子点重新进行航带间连接点的自动匹配，以满足航带间连接点数量与质量的要求。

2.3.2.3 分组类型的选取

空三加密过程中，有时会遇到匹配的连接点数量很多，但平差后粗差点较多、粗差值较大的情况。查看这些粗差点在每张影像上的具体位置，会发现真实情况并没有系统计算的误差那么大。这时候不要急于剔除这些残差较大的航带连接点，可以在优化过程中解除分组绑定，让其进行航线内部微调，这样优化后残差一般会满足连接点精度指标要求。但解除分组绑定后的空三成果通常会出现航带间接边有系统差的情况，这就需要在后序工作中，根据立体航线接边检测结果进行空三成果系统差修正。

2.3.3 成果导出

ADS100 数据经像素工厂空三加密后，需将其导出为定向数据通用格式。像素工厂空三成果导出需要相应影像的头文件。通常情况下ADS80 直接引用影像L0 级数据对应的头文件即可，但ADS100 数据没有L0级影像头文件。所以需要把其L1 级数据的影像头文件通过编写可执行程序进行批量修改，具体修改规则如下：

(1)影像头文件命名确保以“L0”开头；

(2)影像头文件中“IMAGE_ID”字段属性与像素工厂影像描述文件“ID”字段属性保持一致；

(3)确保影像头文件中“AnchorPoint”字段名称与其属性值之间用一个空格键分隔。

修改完成后，用“pf2odf”命令进行通用定向文件格式的转换输出。

3.空三精度检测

3.1 航线接边精度检测

航线接边精度是加密区整体精度的一项重要指标。空三后恢复立体模型，在立体模型下沿航向在航线旁向重叠区每间隔2 公里采集一对同名地物点，取其坐标分量差值，记作Δx、Δy、Δz。把同一重叠区所有同名点坐标分量差值的均值作为相邻两条航线的接边差，记作dx、dy、dz。如果三个分量差值均成正负均匀分布，变化量小于2 个像素，且均值小于1 个像素，我们认为该航线接边不存在系统误差；若某分量差值正负符号单一，且差值之间变化小于1 个像素，我们认为其存在系统误差，需要修正对应的航线空三结果文件；如果某分量差值呈现逐渐增大或减小趋势，或呈现不规则变化趋势，我们认为其中某条航线空三存在问题，需要返回查找原因，重新进行相关航线的空三加密。按如上方法，经检测该测区航线接边差Δx、Δy、Δz 均小于1 个像素，且不存在系统误差。满足《GB/T 23236-2009 数字航空摄影测量空中三角测量规范》中相应要求。

3.2 检查点精度检测

该项目利用山西省卫星连续运行基准站服务系统（SXCORS），采用网络RTK 技术建立图根控制网，测量的控制点作为该项目的检查点使用，共22 个。野外控制点量测的平面及高程精度均≤5cm。对照检查点点之记，在空三后的立体影像上进行相应检查点坐标采集，与野外控制点量测成果进行坐标比对求取差值，记作ΔX、ΔY、ΔZ，每条航线检查点坐标分量差值的平均值记作dX、dY、dZ。经检测 dX、dY 均小于1 个像素，dZ 有1.5 米左右的系统误差。

3.3 系统误差修正

系统误差修正以航线为单位进行航带间接边系统差修正和相对于控制点的系统差纠正。上述检测结果显示航带间接边精度满足要求，只需对测区整体高程进行系统误差修正，修正后重新进行检查点精度检测，经检测 ΔX 最大值为 0.29 米，dX 为 0.15 米；ΔY 最大值为 0.25 米，dY 为 0.09 米；ΔZ 最大值为 0.26 米，dZ为0.14 米。精度满足《GB/T 23236-2009 数字航空摄影测量空中三角测量规范》中相应要求。

4.结束语

像素工厂在空中三角测量方面有其独特的优势，而ADS100 为近几年广泛使用的主流数码航摄仪。本文针对ADS100 数据的一些特征和优势，结合像素工厂软件工程应用实例，完成了无控空三加密，并进行了成果精度分析与评定。结果表明这一生产技术流程完善可行，成果精度满足相应规范要求，对类似项目生产具有重要的参考价值。