从控制点布设角度探究空三精度-免费论文阅读-下载.pdf

- 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 从控制点布设角度探究空三精度从控制点布设角度探究空三精度# 苏世伟，汪云甲* 基金项目：国家自然科学基金项目（50774080）；国家公益性行业专项基金项目（200809128）；中国矿业 大学青年基金项目（op090212） 作者简介：苏世伟，（1987-），女，硕士研究生，主要研究方向：摄影测量与遥感 通信联系人：汪云甲，（1960-），男，教授，主要研究方向：地理信息工程与资源环境评价等. e-mail: su_shiwei （中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221008） 摘要摘要： 用摄影测量的方法测图时候需要一定数量像片控制点来纠正像片的各种偏差， 测区里5 控制点的数量和分布位置则会直接影响到摄影测量成果的精度， 所以控制点布设方案的设计 就显得尤为关键； 现有摄影测量的生产处理主要是空中三角测量方法， 空三测量可以有效的 减少控制点数量大量减少外业工作量。 空三的控制点布设形式与单模型不同， 空三控制点布 设方案的设计研究具有非常强的实用性。 为了研究控制点对空三精度的影响， 结合实验通过 对某测量陈列室的沙盘利用非数码相机进行低空摄影测量， 根据不同的控制点布设方案分别10 进行空三测量， 通过后期数据处理对比分析结果精度得到适合本测区的最佳方案， 同时提出 一些提高空三测量精度的外业控制点布设原则。 关键词关键词：控制点；空中三角测量；精度分析 中图分类号中图分类号：p231.2 15 angle from control points layout for the precision of aerial survey su shiwei, wang yunjia (school of environment and spatial informatics, china university of mining and technology, jiangsu xuzhou 221008) 20 abstract: when using photogrammetric methods for mapping required a certain number of photo control points to correct a variety of photo. the number and the location of the control points measured in the areas will directly affect the accuracy of photogrammetric results，therefore, control points for the design is particularly critical；aerial triangulation is the main method of photogrammetric which can effectively reduce the number of control points and reduce the outside 25 work. be different from a single model，the control point for the aerial triangulation is practical. for the research of analysis of the influence of accuracy of aerial triangulation based on control point，experimental measurements with a showroom on the sandbox using non-digital camera at low altitude photogrammetric with different control point layout schemes，comparative analysis through post-processing the results of precision for the best solution of the test area，finally 30 proposed some principles to raise the of accuracy of aerial triangulation. keywords: control point; aerial triangulation; analysis of accuracy 0 引言引言 传统解析空中三角测量中，地面控制点量测一直是外业的重要部分。现在 gps 辅助空35 中三角测量、gps/pos 辅助空三测量都有了长足的发展，但地面控制点仍然不能被省去， 摄影测量中地面控制点的量测具有重要的地位，其意义在于把航测资料与大地成果联系起 来，控制点的数量是否合适、分布情况是否合理都与航测成果的最终精度息息相关1，本次 实验中对测量陈列室的沙盘这一测区， 根据以下几个角度布设控制点来研究控制点布设对空 三测量精度的影响:（1）按照航空摄影外业规范，正常布设六个控制点，并且规则分布在区40 域上；(2)改变控制点的分布状况，对比分析精度变化；（3）改变测区内控制点数量，对比 - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 分析控制点数量对其精度的影响；（4）对比同一布设方案中不同地形的精度，通过 lps 进 行空中三角测量得出空三报告后对其精度进行对比。 最终总结分析各个方案实验结果并得出 较为深入的结论。 1 空中三角测量技术空中三角测量技术 45 1.1 空三测量模型空三测量模型 空三测量模型可以分为航带法空中三角测量、 独立模型法空中三角测量和光束法空中三 角测量。 三种区域网平差方法的比较：航带法区域网平差的特点是未知数少，解算方便快速，但 精度不高； 独立模型区域网平差是一种相当严密的方法， 如能顾及到模型坐标间的相关特性，50 它在理论上与光束法同样严密， 针对一个区域而言， 其未知数比航带发区域网平差时多得多， 但如采用平高分求的办法， 其解算所占用的内存和计算时间比光束法少得多； 光速法是三种 平差方法中最为严密的， 并已称为解析空中三角测量方法的主流， 但其缺点是必须建立线性 化误差方程式和提供各种位置数的初始值， 这对于航带法区域网平差是不必要的， 对于平面 独立模型法也不需要，且这种方法未知数多、计算量大，计算速度也相对缓慢2。 55 1.2 空三测量精度分析空三测量精度分析 通过有关学者对理论精度的研究，得到区域网平差的精度分布规律，主要有如下几点： （1）不管采用何种方法平差空中三角测量的精度的最弱点始终位于区域的四周。 （2） 当密集周边布点时， 区域网理论精度对于航带法而言小于一条航带的测点吗精度； 对独立模型法而言相当于一个单元模型的测点精度； 而光束法区域网平差的理论精度不随区60 域大小而改变，它是个常数。 （3）当控制点稀疏分布时，区域网的精度会随着区域的增大而降低。但正佳旁向重叠， 则可提高区域网平面坐标的精度理论。 （4）区域网平差的高程理论精度取决于控制点间的跨度，与区域网大小无关。 区域空三测量的理论精度反映了量测中偶然误差的影响与点位的分布有关， 而实际情况65 是复杂的， 往往要受到偶然误差和残余系统误差的综合影响， 这就意味着实际精度与理论精 度可能有一定的差异。 2 基于控制点布设的空三精度分析基于控制点布设的空三精度分析 2.1 实验思路实验思路 传统的像片控制点布设方案主要可以分为全野外布点和非全野外布点两种方式， 其中全70 野外布点的方法精度较高，但外业控制测量的工作量较大，使用范围受限制，所以常常应用 于特殊要求及特殊地形， 如测图精度要求很高的测量， 或者地面测量条件良好以及小面积测 图时才用；非全野外布点又称稀疏布点，大部分摄影测量生产都是通过这种方法进行的，这 种方法减少了外业工作量， 一般外业只需要布设测定少量的控制点， 后期经过一定的数学模 型进行平差计算， 就可以解求加密点的平面和高程， 它的主要布点方案有航带网法布点方案75 和区域网布点方案3-4。 本次实验中， 主要采取航带网法布点。 航带网布设野外控制点的布设应该满足航带网的 绝对定向及航带网变形改正的要求， “六点法”是航带网法布设野外控指点的标准形式，是 - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 优先采用的方法，按照每条航带网的两端和中央的像主点，在其上下方向上，旁向重叠范围 内各布设一对平高点， 当只有一条航带时候， 依照标准航带网法布设的控制点形式如下图所80 示： 图 1 试验装置示意 fig. 1 test device signaled 85 根据标准航带网法的标准布点形式，可以设计如下几个实验方案： 1.依照“六点法”布设标准的布点方案，以与其他方案做精度对比； 2.在六点法的基础上，在周边增加控制点，对比空三测量精度； 3.在六点法的基础上，中间增布控制点，对比空三测量精度； 4.增加控制点数量，观察空三解算精度随控制点数量增加的趋势； 90 5.针对同一种布设方案，比较不同地形地区的精度； 根据以上思路设计控制点布设方案， 对比分析后期数据处理所导出的空三报告精度， 对 所有方案进行综合对比确定本测区的最佳控制点布设方案，最终得出实验结论。 2.2 航片获取航片获取 实验航测区域为某测量陈列室沙盘中间一部分。测区长为 4.9 米，宽为 2.8 米，相对所95 建立控制网测区最低高程为 0.608m，最高高程为 1.310m，平均高程为 0.96 米 。本测区一 侧以山区为主，地形起伏较明显，一侧为平原地带，有村庄河流、田野等地形地貌。 在影像采集之前， 按照预定的方案在测区布设人工控制点。 用铜版纸打印的黑白相间的 直径为 5.5mm 圆形标志，根据像控点布设的一般原则，按实验所设计方案布设在沙盘上。 实验使用实验室定轨小飞机搭载canon eos 400d数码相机拍摄沿预定轨道连续拍摄九100 张像片。并对所获得影像按顺序分别编号为 2001 至 2009。航摄高度相对与所建立的地面坐 标系为 2.95m，航向重叠度为 60%。相机焦距为 18mm，航摄比例尺为 1:180，单张像片覆 盖区域为 1.924-2.886m2。由于小飞机沿固定直线轨道飞行，因此航线弯曲可视为零，像片 倾角和像片旋角未知，像主点在框标坐标系中坐标 x0，y0 未知。最终所获取的九张像片如 下图所示： 105 - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 图 2 测区航片 fig. 2 measured area silhouette 110 2.3 设计布设方案设计布设方案 为研究不同控制点布设对空三测量精度的影响规律， 对同一测区设计七种控制点布设方 - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 案，其中方案中方案一按航空摄影规范所要求的布设，以便与其他方案形成对比，在此基础 上通过改变控制点位置或者增加控制点设计其它六种方案。 最终通过对这七种方案进行空三115 处理所得到的精度进行比较分析， 得到适合这个测区的最佳方案， 并进一步对同一区域内控 制点位于区域内不同位置对空三精度的影响和用同一方案中山区、 平原不同地形的像片的空 三解算精度有所了解。 七种控制点布设方案分别如下（示意图中测区上端为山区，下端为平原）： 方案一：正常布点，按航空摄影外业规范布设六个控制点，规则分布在区域上，如图 4： 120 图 3 按规范布设 fig. 3 according to specifications laid 方案二：在规范布点的基础上，首末两端各增一点，如图 5： 125 图 4 首末增加控制点 fig. 4 increase end and the first control points 方案三：在规范布点的基础上，中间加一控制点，如图 6： 130 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 图 5 中间增加控制点 fig. 5increase the middle control points 方案四：首末两端正常布点，区域中间加二平高点，如图 7： 135 图 6 中间增加两个平高点 fig. 6 increase two middle control points 方案五：在首末两端规范布点的基础上各加一控制点，如图 8： 140 图 7 首末增加控制点 fig.7 increase end and the first control points - 7 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 方案六：在规范布点的基础上，区域周边密布点，如图 9： 145 图 8 周边密集布点 fig. 8 surrounding intensively 方案七：在规范布点的基础上，区域周边及中间密布点，如图 10： 150 图 9 周边密集布点 fig. 9 middle and surrounding intensively 将试验中所涉及到的所有控制点及检查点集中到一张图上，并编号，如图 11 所示： 155 图 10 所有控制点 fig. 10 all the control points - 8 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 所有图中圆代表控制点，棱形代表检查点。四个检查点中，16、17 号点位于山区，18、160 19 号点位于平原。由于本次实验所有外业控制点均用全站仪测得，在获得平面坐标的同时 也获得了高程，因此所有外业控制点均为平高点。 2.4 实验外控制点的量测实验外控制点的量测 地面摄影测量坐标系的选取： 将沙盘周围的 6 根实验桩分别命名为 k1、k2、k3、k4、k5、k6，现以这些桩作为测量165 像控点标志所需的控制点，并建立本次实验的地面测量坐标系。以其中 k2 号桩所在位置为 坐标原点，以 k3 方向为 x 方向，y 方向与 x 方向正交，以并以其所处地面的高程为高程原 点建立左手坐标系。实验桩与所构建独立坐标系及沙盘方位如图 12 所示： 图 11 实验桩与测区方位 170 fig. 11 bearing piles and test area test 实验使用仪器为拓普康 gpt-3000ln 工程无棱镜测距全站仪,它在有棱镜模式下测角精 度为 5，测距精度为（3mm+2ppm*d）。k2 号点坐标为已知值，在 k2 号点设站，在 全站仪在有棱镜模式下观测 k3 号点，测得距离为 3.597m，高差为 0.001m，所以可知 k3175 号点坐标为 （3.597， 0， 0.001） ， 然后可根据 3 号点定向观测其余 4 点， 可知 k2,k3,k4,k5,k6 近似坐标如下表： 表 1 实验桩近似坐标 mm tab. 1 approximate coordinates of test piles 180 控制点点号 k1 k2k3 k4 k5 k6 x -4.43703.5973.6000.003-4.416 y -0.00200 7.5827.5797.580 z 0.00700.001-0.0030.0010.002 然后考虑通视，测量角度等因素，通过在这些点上设站，并定向。在全站仪免棱镜模式 下，通过数据采集得到实验所需的所有控制点坐标如下表： 185 - 9 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 表 2 所有控制点坐标 tab. 2 coordinates of all control points 190 坐标 x y z 坐标x y z 1 -0.174 2.5480.64011 3.1655.0700.629 2 -0.217 3.5470.84412 2.6752.8850.707 3 4 5 6 7 8 9 10 -0.145 1.849 1.845 3.750 3.604 3.750 0.814 0.617 4.729 2.664 5.245 3.248 3.950 3.248 5.009 5.218 1.213 0.709 0.851 0.678 0.619 0.678 0.947 1.039 13 14 15 16 17 18 19 1.122 1.954 3.317 0.209 0.237 2.744 2.451 4.087 4.083 3.942 3.578 4.544 4.665 3.562 0.817 0.649 0.622 0.844 1.068 0.651 0.646 2.5 精度对比分析精度对比分析 用软件 lps 9.2 进行后期数据处理，徕卡遥感及摄影测量系统是 erdas imagine 软 件的模块之一， 是各种数字化摄影测量工作站所适用的软件系列产品， 可以处理多种格式影 像，包括黑/白、彩色和最高至 16bits 的多光谱等各类数字影像。lps 可以提供从原始像片195 到通视（lineofsight）分析各种摄影测量的需求，它为影像、地面控制、定向及 gps 数 据、矢量和处理影像等提供广泛的应用选择，操作灵活简便。 经过空三处理所得各方案的总体精度报告如下表： 表 3 总体精度 200 tab. 3 overall accuracy 检查点精度 方案 整体精度/mm x/m y/m z/m 方案一 0.0217 0.0044 0.0047 0.0051 方案二 0.0209 0.0036 0.0039 0.0045 方案三 0.0201 0.0037 0.0039 0.0037 方案四 0.0223 0.0053 0.0058 0.0039 方案五 0.0227 0.0051 0.0055 0.0050 方案六 0.0195 0.0033 0.0027 0.0046 （1）方案三与方案一周边布点相同，仅区域中间多一个控制点，两者平面精度相近， 而方案三高程精度优于方案一。因此，在高程精度较高的情况下，可以考虑在保证周边布点 的情况下在区域中间增加高程控制点。 205 （2）方案一、方案四、方案五布设控制点数都为 6，x、y、z 中误差分别为（0.0044， 0.0047，0.0051），（0.0053，0.0058，0.0039），（0.0051，0.0055，0.0050），方案四与方 案五高程精度优于或与方案一相近差别不大， 但平面精度均不如方案一， 由此可以看出在控 制点数都为 6 的时候， 经典布设方法即方案一最合适。 同时方案一平面精度明显优于方案四、 方案五，可以推断，空三测量平面精度最弱点位于区域四周。 210 （3） 布设 12 个控制点的方案七与布设 6 个控制点的方案一对比， 各项中误差由 （0.0044， 0.0047，0.0051）降到（0.0034，0.0027，0.0034），精度提升明显；但与布设 10 个控制点 的方案六对比时，除了可以看出其高程中误差由 0.051 降到 0.034，平面坐标中误差由 （0.0033，0.0027）变为（0.0034，0.0027），x 方向中误差甚至略大于方案六。由此可知增 加控制点数量可在一定程度上提高空三测量的精度， 但数量达到一定程度时再增加数量意义215 不大。 通过以上对比得到适合本测区的最佳方案为方案七，但其精度与方案六差别