大飞机倾斜摄影像控点布设方法研究
摘 要: 倾斜航空摄影是对常规航摄的改进和发展，它能够获取常规航摄无法得到的地物立面纹理信息和几何信息，但是在像控布设和空三方面还没有制定相应的技术标准，给实际生产带来一定影响。本文以大飞机倾斜影像为实验数据，通过实验对不同像控点布设的空三精度和模型精度进行分析，总结出能够满足三维重建模型精度要求的像控点布设方法，从而减少内外业工作量，提高工作效率。
关键词: 倾斜摄影; 像控布设; 空三; 三维重建; 精度分析
2008 年第21 届、2016 年第23 届ISPRS 大会和2011年第53 届德国摄影测量周，倾斜摄影测量技术都是大会的主要议题之一，作为国际测绘领域的一项高新技术，倾斜摄影应用逐渐推广，并在北美、欧洲得到广泛应用。2010 年国内测绘行业首次引进了倾斜摄影技术，它不仅可以获取垂直影像，还可以根据与地面成一定角度的相机来获取倾斜影像，从而获取地物的侧面纹理信息，弥补了以往航测遥感影像只能从垂直方向拍摄的不足。倾斜摄影测量技术通过多台传感器从不同的角度进行数据的采集，快速、高效获取丰富的数据信息，真实地反映地面的客观情况，满足了人们对三维信息的需求。目前，应用比较广泛的是在同一飞行平台上搭载5 台传感器，同时从1 个垂直、4 个倾斜、5 个不同的角度采集影像。
虽然倾斜摄影测量在国内火热开展，但是在数据获取及处理尤其是像控点布设和空中三角测量方面仍无相应的技术标准，给实际生产带来一定的影响。目前，在像控点布设时多数单位仍参考常规摄影测量的外业规范，但是相较于常规航摄，倾斜摄影测量要求大重叠度，航线数多，布设的控制点为常规航摄的几倍，大大增加了外业的工作量及成本要求。因此，在满足精度要求的前提下，以减少控制点布设的数量、提高工作效率、降低成本为目标的倾斜摄影控制点布设方案研究已成为多数单位及学者关注的重点。本文通过实验为国家制定倾斜航摄生产有关的技术规定提供一定参考。
在控制点分布对大飞机倾斜航测空三及建模精度影响的研究中，本文以呼伦贝尔海拉尔城区作为实验区域，展开大飞机航摄获取该区域的大飞机倾斜影像。海拉尔地处中国东北地区西北部，内蒙古自治区东北部，呼伦贝尔市中部偏西南，大兴安岭西麓的低山丘陵与呼伦贝尔高平原东部边缘的接合地带，地理坐标为东经119°28'—120°34'，北纬49° 06'—49° 28'。实验航摄区域面积约19 km2，航线按照南北方向敷设，共30 条航线2 250张影像，地面分辨率为0.1 m，旁向及航向重叠度均大于70%。图1 为实验区域大飞机航摄航带图和控制点分布图。
图1 实验区域大飞机影像航带图和控制点分布图
本文实验采取两种像控点的布设方法: 按像片数和区域布设控制点。除控制点外，实验还布设了一定数量的检查点，通过不断增加控制点的数量得出不同布设方法对空三精度以及模型精度的影响，其中控制点和检查点的数量总和保持不变。实验空三精度评价参考依据为《数字航空摄影测量空中三角测量规范》中绝对定向与区域网平差成图比例尺为1 ∶1 000 的平面及高程中误差限差值，其中，平面中误差限差值为0.5 m，高程中误差限差值为0.28 m; 三维模型的精度评价参考依据为《三维地理信息模型数据产品规范》中成图比例为1 ∶1 000 的平面精度和高程精度值，其中，平面精度为0.8 m，高程精度为1 m。
2.1 精度分析方法
通过检查不同控制点分布情形下的检查点精度，对比检查点的精度与实验依据的检查点限差标准，找出适合相应标准的控制点分布规律。本实验的精度检查主要依据检查点的中误差。中误差计算公式为:
其中，m 为检查点中误差，N 为参与评定精度的检查点数，X 为检查点野外实测值，xi为检查点解算值。
2.2 按像片数布设控制点及实验结果分析
按像片数布设即实验采用隔航带、隔基线的方式布设控制点。本文设计了8 种控制点的布设方案，具体布点方式及精度见表1。
表1 按像片数布设控制点精度结果分析
通过表1 不同控制点布设的空三及模型精度实验结果统计对比分析，可以得出:
1) 按四角点布设控制点时，平差结果中的高程精度不满足规范要求，模型的精度与其他像控布设方案相比较差。
2) 在平差结果满足精度要求的情况下，随着控制点的增多，平面误差变化较高程误差变化快。
3) 从整体上看，空三及模型精度都是随着控制点的增多而提高。模型精度结果中出现控制点多的误差略大于点少的误差，分析可能是进行人工像控量测和坐标拾取时的误差导致的。
4) 当控制点增加到16 个之后，随着控制点数量增加模型的精度变化幅度较小。说明当控制点达到一定数量时，控制点数量的增加对模型的精度提高没有起到太大作用，反而增加了内外业工作量及成本。
2.3 按区域布设控制点及实验结果分析
本文按区域布设控制点时主要是先四周边加密，然后进行区域内部加密，设计了以下6 种方案:
1) 采用四角点布设控制点，即在测区四角布设4 个控制点，如图2( a) 所示。
2) 采用四周边布设控制点，即在周边布设8 个控制点，如图2( b) 所示。
3) 采用四周边均匀布设，即在周边布设12 个控制点，如图2( c) 所示。
4) 采用四周边均匀布设、区域内部加密少量点的布设方式，如图2( d) 所示。
5) 采用四周边均匀布设，在方案3 的基础增加了7 个控制点，如图2( e) 所示。
6) 采用四周边均匀布设、区域内部加密少量点的布设方式，即在方案5 控制点的基础上增加了4 个控制点，如图2( f) 所示。
通过对表2 中不同控制点布设的空三及模型精度结果对比分析，可以得出:
1) 按方案1( 四角点) 布设控制点时，空三结果不满足精度要求，并且模型精度相对较低，而在方案1 的基础上对四周边进行控制点加密时可以大大地提高空三及模型的精度。
2) 由方案3 与方案4、方案5 与方案6 比较可以得出，在周边均匀布设控制点的基础上，对区域内部进行点的加密，有助于提高空三和模型精度。
3) 从6 种方案可以看出，当控制点增加到一定数量的时候，模型的精度变化幅度较小，基本保持不变，增加控制点反而增加了工作量和成本，降低了工作效率。
图2 控制点分布图
表2 按区域布设控制点精度结果分析
该实验结果显示，随着控制点数量的增加，空三精度及模型的精度都在不断提高，但是当控制点数量多于16个时，模型的平面及高程精度提高较小，即可认为16 个控制点布设方式为最优像控布设方式。为验证上述实验结果，又专门设计了在方案4 的基础上在区域内部分别增加2 个、4 个控制点的实验方案，模型的精度分别为平面精度0.208 165、高程精度0.207 619，平面精度0.208 655、高程精度0.205 817，即可看出控制点数量的增加并没有提高模型精度。
倾斜摄影一般用于城市建模，测区往往覆盖整个城市，测区面积大且倾斜摄影要求大重叠度，参考常规航摄布点方式布设控制点时，会大大增加控制点的数量，而像控点布设是外业过程中成本投入比较大的一个部分。为了降低工作量及成本，本文进行了两种控制点布设方式的研究，通过对两种像控布点方式进行实验和精度结果分析可以看出: 进行倾斜数据空三及建模的过程中，并不是控制点越多越好，控制点布设过于稀疏，会导致空三及模型的精度有所降低，甚至不能满精度要求; 控制点布设太多对模型精度的提高没有太大的作用，反而增加了内外业工作量及成本。基于此本文分析得出了一种适合成图比例尺为1 ∶ 1 000 的大飞机倾斜航摄控制点布设方案———隔10 条航线、5 条基线布设控制点。与传统摄影测量控制点布设方式相比，该布设方式在满足常规规范要求的前提下大大减少了控制点数量，提高了工作效率。其他大飞机倾斜航摄数据控制点的布设也可以参考本文实验结果及成图比例尺进行综合考虑。
来源：《测绘与空间地理信息》2019年第2期
作者：申艳，王双亭，周惠慧，管建军，王春阳
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