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1、自动空中三角测量应用初探谢元礼欧建中(铁道部第一勘测设计院航测大队721001)【摘要】本文简述了自动空中三角测量的基本过程，并通过在HELAVA数字摄影测量工作站上进行的实验，对自动空中三角测量的实际精度进行了分析，提出了实际应用的一些看法。一、概述http;/测绘信息网自动空中三角测量是一种在利用数字影像进行空中三角测量的过程中，系统根据事先在影像上设定的加密点的范围内任意找一点(不一定为明显地物点)，然后用数字相关技术，在相邻影像(左右邻片和上下邻片)上找到该点的同名影像并自动记录其像坐标，经过量测少数地面控制点，最后利用少数地面控制点坐标和其他数据进行解析计算，求出加密点的地面三维坐标
2、的空中三角测量的方法。由此可见，自动空中三角测量将选点、转点和观测量测全部实现了自动化。二、自动空中三角测量基本过程1. 影像数字化自动空中三角测量首先要求影像是数字影像。今天的航摄像机所拍摄的影像几乎全部为胶片影像，也许在很长一段时间内数字摄影难以完全取代胶片摄影，因此数字影像的获取需要通过高精度扫描仪将胶片影像数字化来得到。http;/测绘信息网数字影像的分辨率除与胶片本身分辨率有关外，还与扫描像元大小有关，扫描像元越小数字影像的分辨率越高。究竟应采用多大像元进行扫描应根据各个自动空中三角测量系统在实际中的精度和工程的要求来确定。2. 系统的数据输入输入系统的数据包括已内定向的数字影像、表
3、示每条航带和区域的影像排列数据、像机参数文件以及控制点坐标。在系统进行自动量测前必须将加密区域各影像的排列情况告诉系统，以便系统在自动匹配点时有参考依据。区域影像排列数据包括像片序列、航带序列、每个模型的重叠度、各航带间的位置关系(旁向重叠度)、航高、地面平均高、影像大小范围等。当然，对于反映航向和旁向重叠度的数据来说，需进行大概量算，量算精度越高越有利于自动相关。有的系统没有自动量算功能，重叠度数据还需在胶片上手工量算，有的系统(如VirtuoZo)可以通过数字影像中点取两同名点后系统自动计算。航高根据摄影数据确定，地面平均高根据外控点地面高程确定，影像大小根据扫描时的范围确定。像机参数以及
4、控制点坐标的输入通过建立像机文件和控制点文件实现。http;/测绘信息网有了这些数据，就可以形成一个粗略的区域，这个区域包括影像边框图、外定向初始值和粗略的数字高程模型，如图1所示。图 13. 影像点的设置http;/测绘信息网影像点的设置决定着加密点的点数及分布，这一项工作必须在自动量测以前完成。http;/测绘信息网在解析空中三角测量中，相对定向依靠6个标准点进行，即每张影像有9个点(如图2)。在自动空中三角测量中，由于具体点位由系统自动确定，有可能造成个别点离标准点位较远，影响构网精度；再者自动匹配成功率有限，一旦有某个点匹配不成功就不能自动完成相对定向。因此，为了提高相对定向的成功率和
5、可靠性，提高空中三角测量的整体精度，在实际中往往采用多点(如图3)、点组(如图4，每张影像布设9组点，每组若干个点)或双点(如图5)的布点方案，此外还有人建议设置数百个点。这种“以多求可靠”是利用自动空中三角测量的特点而采取的策略，使自动化量测的加密点远多于必须的观测量，剔除自动量测失败的点后仍有大量的连接点，这样不仅可以提高区域网平差的内外部可靠性，更重要的是改善了最弱处的可靠性。http;/测绘信息网图 2图 3图 4图 5http;/测绘信息网适当增设连接点须重新人工干预的工作量不会增加很多，但也不是说点数增设越多越好，究竟每张影像设置多少个点应根据实际情况而定。4. 点的自动量测系统根
6、据设置的影像点，利用影像相关技术，参照输入的像片组排列信息在相邻影像(上下左右邻片)的相应位置一一自动找到该点的同名点，并自动记录其各自的像坐标。这一过程实际上将传统的空中三角测量的选刺点、编点号等工作(即加密计划)完全省去了，实现了网点(连接点)选定与转刺、点号编定、相对定向、模型连接全自动化，而这些工作特别是航带连接点的转刺往往是传统的空中三角测量中引入粗差的主要来源。任何系统都不能自动地识别和量测控制点，这一工作还得在下一步由操作员来完成。http;/测绘信息网5. 点的重新量测http;/测绘信息网这是一个人工干预的过程，用来处理自动量测失败的点(或自动剔除的粗差点)，同时对外控点进行
7、量测。期望一个自动量测系统的成功率达到百分之百是不可能的，也是不现实的。对于那些构网比较好但自动量测失败的点应该重新量测，方法是在某张影像上用光标选定一个点位，然后将其他影像上的光标移至其同名影像附近，再让系统自己利用影像相关技术在各影像上找到同名点的准确位置并自动记录其像坐标。对外控点的量测则必须使用这种人工干预的方法，不过它将逐渐失去意义，因为随着机载GPS的广泛使用，所需要的地面控制点越来越少。6. 整体解算http;/测绘信息网整体解算的理论沿用解析空中三角测量严密的解算理论，所不同的是解算后能立即将残差较大的点随同其相关的影像一一调出进行交互式的重新量测，然后重新解算。http;/测
8、绘信息网三、自动空中三角测量的优势与解析空中三角测量相比，自动空中三角测量至少有以下几个突出优势：1. 量测精度高理论上证明，一般的相关方法的精度可达0.29像素，基于特征的最小二乘匹配可达0.02像素。当然，由于各自动空中三角测量系统的匹配方法可能不同，其精度会存在一些差异。至于系统最后结果的精度能达到多少，需在实践中证实。2. 解决了模型连接和航带连接及其精度问题由于无需刺点和转刺点，模型和航带的连接通过影像匹配自动实现，避免了由此而产生大的连接差，大大提高了连接精度。事实上，一个空中三角测量是否成功，在很大程度上取决于转刺点的精度。3. 生产效率大幅度提高http;/测绘信息网一方面，系
9、统进行自动量测的速度是人工立体量测所无法相比的；另一方面，网点(连接点)的选定和编号与自动量测同时进行，因而可以省去传统的加密计划这一费时而又烦琐的生产环节。4. 易于重新观测为提高观测精度，系统在每次计算后都给操作员提供了重新量测的交互环境。由于参与空中三角测量的所有影像都存在硬盘上，因此在重新量测点时系统立即将有关的影像一一调出以供修改，这完全是一种在线空中三角测量。四、自动空中三角测量的实验对自动空中三角测量这一新技术的应用，我们在Leica DSW200数字扫描工作站上利用HATS(Helava自动空中三角测量系统)做了一些探索性的实验。1. 实验资料http;/测绘信息网实验资料为杭
10、州市测制1500地形图的部分航测资料，共5条航带30个模型，航片排列见图8，拍摄时间为1987年5月，航摄比例尺为12 500,航高760 m，摄影焦距303.85 mm，航向重叠度为65%，旁向重叠度接近50%(个别为30%)。影像质量一般，实验区地势平坦，但有一些高层建筑。外控点分布合理，有一定数量的多余外业点作检查。2. 实验方案我们采用了5种方案进行了实验，5种方案所用的区域均从属于1988年我队用BC2进行加密的实验区，其区域关系见图6。图 6(1) 方案一http;/测绘信息网取资料的第二、三、四条航线，36个模型，用25 m像元对涤纶片进行扫描，采用传统的布点方式，即每张像片布设
11、9个定向连接点(如图2)进行自动量测，然后再量测外控点和检查点，最后进行解算。整个区域采用12个外业平高控制点，28个外业平高检查点。(2) 方案二取5条航线，56个模型，用25m像元对涤纶片进行扫描，每张像片均匀布设81个定向连接点进行自动量测(如图3)，然后再量测外控点和检查点，最后进行解算。整个实验采用16个外业平高控制点，50个外业平高检查点。(3) 方案三http;/测绘信息网取5条航线，56个模型，用25m像元对涤纶片进行扫描，每张像片按9个标准位置布设9组点，每组9个点，共81个定向连接点进行自动量测(如图4)，然后再量测外控点和检查点，最后进行解算。整个实验采用16个外业平高控
12、制点，50个外业平高检查点。(4) 方案四取5条航线，56个模型，用25m像元对涤纶片进行扫描，每张像片布设23个定向连接点(如图7)进行自动量测，然后再量测外控点和检查点，最后进行解算。其区域网略图见图8，整个区域采用16个外业平高控制点，50个外业平高检查点。(5) 方案五http;/测绘信息网取资料的前三条航线，36个模型，用12.5m像元对涤纶片进行扫描，每张像片布设23个定向连接点(如图7)进行自动量测，然后再量测外控点和检查点，最后进行解算。整个区域采用11个外业平高控制点，31个外业平高检查点。图 7图 83. 实验结果http;/测绘信息网五种方案均采用中误差公式计算中误差，其
13、中m为中误差，为外业点的外业值与内业加密值之差，n为参与精度统计的检查点的点数。统计结果见表1。为对照分析，现将1988年用BC2进行加密试验的结果也列入表1。表1中误差方案一方案二方案三方案四方案五BC2控 制点平面/m0.0370.0960.0840.0910.1190.025高程/m0.0360.0690.0790.0920.0640.107检查点平面/m0.1390.0970.1100.1000.1170.074高程/m0.2430.1820.1450.1320.1170.2454. 结果分析及结论(1) 影像数字化像元尺寸的选择从方案四和方案五实验中不难看出，扫描像元缩小一倍，自动空
14、中三角测量的高程精度控制点提高了30%，检查点提高了11%，这与1994年欧洲摄影测量实验研究组织(OEEPE)在“利用数字影像进行空中三角测量实验”中所得出的“扫描像元缩小一倍，自动空中三角测量的精度提高10%20%”的结论一致。事实上，扫描像元达到一定值(满足平差解算要求)后，对外控质量和影像质量比较好的区域，在获得比较高的观测精度的情况下，缩小像元所能提高的精度已小到可以忽略不计。况且，扫描像元缩小一倍，影像数据量就增加到四倍，使得硬盘难以承受大区域的加密工作，降低工作效率。因此，一味地缩小像元以达到大幅度提高精度只能是事倍功半。http;/测绘信息网(2) 加密点的点数和点位的确定采用
15、25m扫描，用传统布点方式(方案一)，在HATS系统中进行自动空中三角测量，其精度与采用BC2进行解析空中三角测量的精度相比，平面精度略差(大0.012 m)，高程精度则好些(小0.071 m)(1988年用BC2进行加密时，加密的高程仅作定向用，故对高程精度不是很重视)。采用多点布设方案，自动空中三角测量的高程精度对检查点有较明显的提高，平面精度对检查点略有提高。但对控制点，两者均有所降低。网点布设太多也并不一定好，这是因为一方面网点超过一定数量后，解算的精度已很难再提高了，另一方面人工干预的工作量却增加了。在实验中发现，量测过的点分布情况对最后结果有较大影响。为保证网点分布的合理性，提高空
16、中三角测量的精度，布点时应该“点面结合”，量测后必须浏览每张影像的点的分布状况。所谓点面结合，就是在每个标准位置都布设一个点组，此外还在非标准位置均匀布设一些点，这样既避免了重叠度不一致所造成的布点问题，又提高了精度。(3) 结论http;/测绘信息网通过这些实验，得出以下结论：* 用25m像元扫描所得的数字影像能满足光束法解算的精度要求。* 对于现有的自动空三系统，我们主张每张影像布设的点数在25个左右。* 本文中所介绍的自动空中三角测量的实验结果能满足大比例尺航测测图的精度要求，甚至可满足城市非铺装路面的高程注记点的精度要求。http;/测绘信息网* 自动量测的成功率和可靠性有待进一步提高
17、。五、结束语http;/测绘信息网数字摄影测量的不断发展使自动量测的成功率和可靠性进一步提高，机载GPS定位精度的不断提高使自动空中三角测量几乎不使用地面控制点，数字摄影将使自动空中三角测量全数字化，所有这些为自动空中三角测量展示了一幅美好的前景。但就目前情况而言，自动空中三角测量的应用还刚刚开始，本文仅通过有限的实验总结一些经验，不妥之处还望同行及专家指正。http;/测绘信息网 参考文献1 张祖勋，张剑清等.数字摄影测量学的发展及应用.测绘通报，1997(6)2 张祖勋，张剑清，汪治宏，仇彤. 全数字化自动测图系统研究进展. 测绘遥感信息工程国家重点实验室年报，199319943 谢元礼.
18、基于全自动无刺点空中三角测量的航测内业生产新流程的探讨.铁路航测，1997(3)4 李德仁，郑肇葆.解析摄影测量学.北京：测绘出版社，19925 Charles K Toth and Amnon Krupnik. Concept, Implementation, and Results of an Automatic Aerotriangulation System. PE&RS, 1996(6)6 Juha Jaakkola and Tapani Sarjakoski. OEEPE Research ProjectAerotriangulation Using Digitized Image
19、s Preliminary Results. ISPRS commission 3 Symposium of Spatial Information from Digital Photogrammetry and Computer Vision. Munich,1994http;/测绘信息网Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornad
20、oes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and
21、 the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.
22、As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.Its like the set for a George Lucas m
23、ovie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watc
24、hed the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a l
25、eap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partial
26、ly filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappoin
27、tment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in
28、 this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It
29、will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The
30、balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom o
31、f a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the sp
32、eed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute
33、 that can be deployed to slow him down. His team hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a
34、 reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it wont. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It
35、might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.
