ADS40数字航空摄影测量数据自动化处理(测绘工程)

ADS40 数字航空摄影测量数据自动化处理数字航空摄影测量数据自动化处理 杨卫军 1 李长辉1 林鸿1 张鹏程1 杨光1 罗峰1 郭亮2 1 广州市城市规划勘测设计研究院 2 中国科学院遥感应用研究所 前言 ADS40 作为徕卡新的传感器 目前国内进行大规模航拍的不多 其数据生产自动化 程度不高 保密性能差是现有生产流程中对于地方坐标系下数据处理时的主要问题 为此 我们研究了 ADS40 数据自动化处理方法 极大地简化了现有数据生产流程 改进生产效率 并且保证了数据安全性 关键词 ADS40 坐标变换 水准面精化 数字摄影测量 数据处理 中图分类号 P237 Research on Automatic process system of ADS40 Digital Photogrammetry YANG Wei jun LI Chang hui ZHANG Peng cheng YANGGUANG LUOFENG Abstract As a new photogrammetry sensor ADS40 still has no large scale application in our country The low automatic degree and security classification are the main problems when handling data on the local coordinate system in the current production process The automatic process method is put forward which can remarkably simplify the data process flow improve the data production efficiency and enhance the data security Key words ADS40 coordinate conversion geoid refinement digital photogrammetry data handling 1 引言引言 2008 年 广州市城市规划局组织实施对广州市 包括从化市及增城市 进行航空摄影 项目采用 ADS40 数码航摄 分南区 北区两期进行 总面积约 7435KM2 ADS40 航摄相机需 要配备高精度 IMU DGPS 系统 广州市规划院之前建立的 CORS 系统和大地水准面精化成果 为本次 ADS40 项目提供了可靠的硬件基础 在一定的 CORS 基站范围内 可以在无控制或少 量控制点的情况下完成对地面目标的三维定位 有控制情况下只需在摄区四角和中心布设 5 个控制点即可 无需内业空三选点加密 相比常规摄影测量空三加密 ADS40 可减少 80 90 以上或更多的外业控制点 大大减轻了生产单位的外业工作量 1 在区域四角布 设地面控制点的情况下 IMU DGPS 数据与 ADS40 影像的联合平差即可得到最优的结果 2 ADS40 为数码航空相机 数字航空摄影测量已经成为了当今测绘的发展趋势 3 由于 涉及对地面坐标系统 POS 系统 地面基站等多类数据的融合和应用 ADS40 的数据处理要 比框幅式传感器的数据处理要复杂的多 ADS40 正射影像制作流程和技术与传统方法也存 在较大的差别 4 5 2 数据处理流程数据处理流程 ADS40 数据处理的一般流程和需要使用的软件如下 1 GPS IMU 数据处理 POSPac 软件 Pospac 可以完成机载 GPS 和地面 GPS 的差分处理 同时还可以进行航摄资料的前期检查和分析 GPS IMU 数据记录了飞行姿态及飞行轨迹数 据 通过数据的解算 可以获得方位数据 2 L0 级影像的数字空中三角测量 ORIMA 主要包括连接点匹配与空三加密 原始影像 引入工程后得到的影像为 L0 级影像 在其上做自动点匹配 APM 获得像片连接点 进入 ORIMA 先对连接点和曝光点做空三平差 加载地面控制点 进入 LPS 中对控制点进行量测 将量测完毕的地面控制点与连接点及曝光点联合进行空三平差 获取精确的外方位元素 6 3 L1 级影像纠正 将空三平差所获得的精确外方位元素 重新引入到 GPro 中 对 L0 级 影像进行纠正 重新获取 L1 级影像 此时的 L1 级影像是进行立体观测和目标定位的基础 4 采用 LPS pro600 MicroStation 进行跟踪数字化 生成 4D 产品 5 数据整理入库 地图编辑要严格遵循图例规范的具体要求 编辑结束后可以进行数据入 库 图幅整饰 格式转换 分版处理 地图印刷等工作 ADS40 应用了 IMU 和 GPS 技术 采用 WGS 84 坐标框架 而国内空间信息数据通常 使用的是西安 80 北京 54 以及独立坐标系 7 为了确保最精确的转换 WGS84 和本地坐 标系之间的变换可以分为水平方向和垂直方向的 8 广州坐标系是一个地方坐标系 在水 平方向上需要进行坐标转换 GPS 所测的高程是沿法线方向到 WGS84 椭球面的高度 而 我们测量中要求的正常高度是沿垂线到似大地水准面的高度 这两种基准面是不一致的 它们之间的差距称为高程异常 因而 在这个过程中 需要在空三加密之后 测图之前提 供坐标转换七参数和水准面精化成果文件 分别用于水平方向和垂直方向的坐标转换 徕卡为了保证其软件开放性 可以允许用户在一个 ASC 码文件 spheroid tab 中添加自 己的转换七参数和水准面精化成果文件 水准面精化模型的数据格式为 bin 文件格式 9 其中 bin 文件是一个开放格式的二进制文件 内有每个格网点的高程改正值 非常容易解 析 而我们知道 现在这些参数和数据都是严格保密的 在大规模作业的情况下 为了保 证数据安全 我们不得不探索另外一种工作流程 而事实上 七参数坐标转换 基于 BIN 文件高程改正都是一种近似的方法 很多地方坐标系具备严格的转换参数和精确的大地水 准面数据 完全可以抛弃这种模式 另外 在测图完成之后 对于本地坐标系下面的数据 处理 如数据分幅等 其自动化程度不高 也是制约其生产效率的瓶颈问题 3 数据生产流程的改进数据生产流程的改进 我们现在采用的作业流程如下 通过编制自主研发的 ADS40 数据处理软件 完全可以 在测图的时候不用考虑坐标转换和水准面精化 而在 WGS84 或者 UTM84 坐标系 大地高 下的 4D 产品完成之后再使用软件进行全自动化处理 对应的软件称之为 ADS40 数字摄影 测量数据自动化处理软件 其过程如图 1 所示 空三加密 测图 WGS84 坐标系 大地高下的 4D 产品 广州市平面坐标系 正常高下的 4D 产品 ADS40 数字摄影测量数据自动化处理系统 图 1 ADS40 数据自动化处理方法的生产流程 ADS40 数字摄影测量数据自动化处理软件的主要功能包括 1 能够实现 WGS84 或 UTM84 到广州坐标系的自动转换 2 能够实现单点的高程改正 3 实现 DOM 的坐标转换 分幅自动化处理 4 实现 DEM 的坐标转换 高程改正 分幅自动化处理 5 实现 DLG 数据的坐标变换 高程改正自动化处理 6 提供批处理方法 所有操作一键完成 4 单点转换单点转换 广州市独立坐标系与北京 54 坐标系采用相同的椭球体 相同的大地基准的高斯 克吕 格投影 目前的商业软件都是假定两个坐标系参数未知 通过不同坐标系间的控制点计算 转换七参数 然后对点位信息进行转换 在很多国家部门已有严格的坐标参数的情况下 完全可以不用这种方式 由于具备准确的投影参数 可以得到广州坐标系 WGS84 坐标系 之间的正反算关系 广州市似大地水准面精化项目在精确获取 GPS 水准资料的基础上 进行了水准面的精 化确定计算工作 精化处理中采用广州市及毗邻区域的 5 621 个高精度点重力数据和 144 个高精度 GPS 水准资料 10 最终得到了厘米级精度的高分辨率局部重力大地水准面 精 化大地水准面对于测绘工作有重要意义 GPS 技术结合高精度高分辨率大地水准面模型 可以取代传统的水淮测量方法测定正高或正常高 真正实现 GPS 技术对几何和物理意义上 的三维定位功能 其关系式如下 H h 式中 为高程异常 表示似大地水准面至参考椭球面的距离 H 为大地高 h 为正常 高 5 栅格数据处理栅格数据处理 不管是栅格数据处理还是矢量数据处理 其数据转换都是建立在单点转换的基础之上 影像数据和 DEM 数据的差别在于对于 DEM 数据需要进行高程改正 其平面坐标变换原理 是一致的 1 通过单点坐标转换 得到原始栅格数据的四个顶点投影到广州坐标系的坐标 生成新的 坐标范围 2 在这个坐标范围内 使用目标分辨率 循环计算每个点位 3 将该点位从广州坐标系反转到 UTM84 坐标系下 通过线性插值计算其在原始数据中的 Z 值 影像为像素 RGB 值 DEM 为高程值 4 如果是 DEM 将该点位从广州坐标系反转到 WGS84 坐标系下 计算其高程改正值 5 如果是 DEM 将上两步的结果叠加 就可以得到每个点位在广州坐标系下的正常高 6 点位循环结束后 将栅格数据坐标范围 分辨率和实际数据等写入文件 7 通过广州分幅信息 对所有文件进行范围提取 通过数据的拼接 裁切 得到广州分幅 文件 6 矢量数据处理矢量数据处理 矢量数据由于数据接边等问题较为复杂 我们建议对于 DLG 数据的分幅在开始测图 前完成 通过广州分幅文件 反转到 WGS84 或者 UTM84 坐标系下 得到 WGS84 或者 UTM84 坐标系下的广州分幅表 对矢量数据的处理流程如下 1 对 DGN 测图文件进行扫描 循环其中的每个地物 2 判断地物类型 对其中的点串 线 线串等分别进行处理 在 Microstation 中常用的数据类型如下表所示 数据类型描述 msdElementTypePointString点串 msdElementTypeText文本 msdElementTypeLine线 msdElementTypeLineString线串 类似于折线 msdElementTypeShape图形对象 如矩形 msdElementTypeCellHeaderCell 对象 是一个组对象 可包含以上数据类型 3 取出每个对象的点位信息 分别进行单点转换 4 重新计算图形范围 将图形信息和数据写入新的文件 对于 DLG 的数据转换 国内也有很多的研究成果 其中对于 DXF 的解析等较为完善 通过作者比较 直接采用 Microstation VBA 编程 可以放弃繁琐的数据格式的读写 而直 接关注于自身的应用 并且可直接转换 DGN 测图数据 由于对于投影变换 图像处理等 程序涉及到比较底层的操作 都是建立在 VC 下 而 VBA 需要使用 VB 环境 为此 需要 将投影变换 高程改正等封装成 DLL 然后在 VB 环境下调用 以下以点串的数据处理为 例 给出其代码如下 If myElement Type msdElementTypePointString Then Dim myPointString As PointStringElement Set myPointString myElement Dim pt As Point3d For I 1 To myPointString VerticesCount pt myPointString Vertex I UTM84toGuangZhou pt X pt Y pt Z pt X pt Y pt Z myPointString ModifyVertex I 1 pt Next I myPointString Rewrite End If 其中 UTM84toGuangZhou 为 C 环境下的 UTM84 转广州坐标系的单点转换函数 其中 已经包含了高程的改正 7 测图应用测图应用 通过本软件 可以在各种测图任务中灵活运用 本文以 DTM 修测为例 探讨 ADS40 自动化处理软件在测图中的应用 为了生成广州 1 2000 正射影像图 需要采用 DTM 对 L1 级影像进行纠正 广州 2001 年已有 DTM 资料 以前采用的传统相机进行拍摄 采用水准 测量进行外业像控 因此得到的 DTM 为广州坐标系下的正常高数据 而 08 年广州 ADS40 航飞采用 CORS 系统进行差分 GPS 定位 得到的是 WGS84 大地高数据 为此 采用自动 化处理软件将 DTM 转换到 WGS84 或者 UTM84 坐标系下 生成 Leica LPS 系统能够直接 接收的 XYZ 格式 通过 LPS 的 Create Surface 工具可以导入为 Pro 三角网格式 图 2 中左 图为 01 年广州坐标系下的 DTM 右图为 08 年 UTM84 坐标系下的 DTM 图 2 转换前后的 DTM 在徕卡的 Terrain Editor 中对 DTM 进行修测 在立体观测中 可以看到 经过高程改 正后的 DTM 数据与立体观测中的地形基本一致 人工选择变化比较大的区域 此图中的 黄色点高程是高于地表高度的 选择 Operator 下的 Fit Surface to Points 命令并点击 Apply 后 框内的黄点高程则与地表高程基本一致 生成的 DTM 合并后可以用于正射影像的纠正 最后采用自动化处理软件对 WGS84 或 者 UTM84 下的影像产品进行坐标转换到广州本地坐标系下 并进行分幅自动化处理 综 上所述 可以看出自动化处理软件可以在对本地坐标系进行处理时进行数据自动化转换 节省了时间和工作量 与测图任务紧密结合 7 结论结论 通过编制 ADS40 自动化处理软件 只要 WGS84 坐标系 大地高下的 4D 产品生产出 来 后面的投影变换 高程改正 图形分幅等工作都可以通过程序自动化完成 极大地改 进工作效率 完全可以单机集中化处理 通过此系统 可以对 4D 产品在 WGS84 UTM84 广州坐标系以及不同高程系之间任意转换 极大地改进了 ADS40 数据 生产流程中对于本地坐标系及高程系下的数据处理的效率和安全性 在保证数据安全的同 时 简化了数据生产流程 此系统不仅能支持 ADS40 的数据生产 对其他配备携带高精度 GPS IMU 系统的数码航摄的数据处理同样能提供支持 参考文献参考文献 1 王永平 李英成 薛艳丽等 ADS40 推扫式数字航摄仪试验研究 测绘科学 2007 32 1 119 121 2 刘军 王冬红 刘敬贤等 IMU DGPS 系统辅助 ADS40 三线阵影像的区域网平差 测 绘学报 2009 38 1 55 60 3 Reulke R Becker S Haala N et al Determination and Improvement of Spatial Resolution of the CCD line scanner System ADS40 ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 2006 60 2 81 90 4 Leica G