空中三角测量加密原理及4D产品制作流程

1. 航空摄影测量技术

航空摄影测量技术作为空间信息技术体系的两大分支之一，是空间数据获取的重要工具之一。由于其运行成本低、执行任务灵活性高、安全性高、测量精度高等优点，在各国得到了广泛应用。我国以中科遥感院为代表的无人机在国内也取得了一系列重大的突破，研制出许多航空摄影测量设备（如武大生产的全数字摄影测量系统VirtuoZo等）。其航测主要以生产4D产品：
数字高程模型（Digital Elevation Model，缩写）；
数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，缩写）；
数字线划地图（Digital Elevation Model，缩写）；
数字栅格地图（Digital Raster Graphic，缩写））
为目的，制作出符合国家标准的1:500、1:1000、1:2000等各种比例尺的测绘产品。

1.1 无人机航测与载人/传统航测的对比

1.2 无人机航测原理

2 4D产品处理基本原理

2.1 摄影测量坐标系

1）像平面坐标系o-xy
像平面坐标系：表示像点在像平面上的位置。一般选飞行方向为x轴方向，与之垂直方向为y轴，建立像平面坐标系的目的是与框标坐标系相对应建立起对应关系以便于像点坐标的量测。

2）像空间坐标系S-xyz
像空间坐标系：表示像点在像方空间的位置。以摄影中心S为坐标原点，主光轴So为z轴，x、y轴分别与像平面坐标系的x、y轴平行。

3）像空间辅助坐标系S-XYZ
像空间辅助坐标系：以摄影中心S为坐标原点，以铅垂方向为Z轴，航线方向为X轴，将S-xyz坐标转换为S-XYZ坐标其中的三个转角即为三个直线外方位元素。

4）摄影测量坐标系A-XpYpZp
摄影测量坐标系：表示模型点的坐标，通常以地面上某一点A为坐标原点，坐标轴与像空间辅助坐标轴平行。

5）物方空间坐标系O-XtYtZt
物方空间坐标系：所摄物体所在的空间直角坐标系即地面测量坐标系，是左手坐标系，它的Xt轴指向正北方向，高程以我国黄海高程系统为基准，是大地坐标系。

2.2 空间后方交会、空间前方交会、共线方程

空间后方交会：恢复摄影时的光束，即将空间的模型纳入到大地坐标系中，通过已知的像点坐标及其对应的大地坐标系下的坐标求解出相应的外方位元素（摄站坐标：Xs、Ys、Zs；三个转角：φ、ω、κ；）；
空间前方交会：在恢复摄影时的光束的前提下，通过共线方程求解出像点对应的大地坐标系下的坐标；
共线方程

2.3外方位元素、内定向、相对定向、绝对定向、核线影像

外方位元素
**内定向：**建立影像扫描坐标与像点坐标的转换关系，求取转换参数；内方位元素：像片像主点相对于摄影中心的位置Xo、Yo，以及摄影中心到影像面的垂距f，一般内方位元素会在相机检校报告中标注出来

内定向的结果是纺射变化：
X= x0+ a0x+b0y
Y= y0+ a1x+b1y

**相对定向：**通过量取模型的同名像点，解算两相邻影像的相对位置关系。

单像空间后方交会：以单幅影像为基础，以影像所对应地面范围内已知若干控制点的像点坐标和地面坐标，根据共线条件方程，解求该影像在航空摄影时刻的外方位元素Xs，Ys，Zs， , ,κ的过程。

立体像对空间前方交会：根据立体像对中两张像片的内、外方位元素和像点坐标，确定相应地面点在物方空间坐标系中坐标。

连续像对相对定向：连续像对相对定向以左影像为基准，采用右影像的直线运动和角运动实现相对定向，恢复摄影时相邻两影像光束的相互关系。
**绝对定向：**通过量取地面控制点对应的像点坐标，解算模型的外方位元素，将模型纳入到大地坐标系中
**核线影像：**在一个立体模型中，地面上任意一点与两摄站中心构成的平面（核面）与左右影像面的交线称为左右核线，沿核线方向对原始影像重新采集的影像称为核线影像，由此可见，位于同名核线上的像点，不存在上下视差。


单元模型的绝对定向：用物空间坐标为已知的控制点来确定像空间辅助坐标系与实际物空间坐标系之间的变换关系称为立体模型的绝对定向。为了使像空间辅助坐标系与物空间坐标系的坐标原点和比例尺一致，需要进行空间相似变换，假设任一模型点的像空间辅助坐标系为X，Y，Z，该点的地面摄测坐标为 ， ，空间相似变换关系如下：

航带法区域网空中三角测量

航带法空中三角测量研究的对象是单航带，首先要把许多立体像对所构成的单个模型连接成航带模型，然后把一个航带模型视为一个单元模型进行解析处理，航带模型经绝对定向以后还需作模型的非线性改正。航带法区域网平差则是以单航带作为基础，把几条航带或一个测区作为一个解算的整体，同时求得整个测区内全部待定点的坐标。其基本思想是：首先，按照单航带的方法将每条航带构成自由网，然后用本航带的控制点及与上一条相邻航带的公共点，进行本航带的三维线性变换，把整个区域的各条航带都纳入到统一的摄影测量坐标系中，然后各航带按非线性变形改正公式同时解算各航带的非线性改正系数。计算过程中既要顾及相邻航带建公共点的坐标应相等，控制点的摄影坐标与他的地面摄测坐标应相等，又要使观测值改正数的平方和 最小，在这种条件下最后求出全区待定点的地面坐标。

光束法区域网空中三角测量

光束法区域网空中三角测量是以一副影像所组成的一束光线作为平差单元，以中心投影的共线方程作为平差的基础方程。通过各个光束在空间的旋转和平移，使模型之间公共点的光线实现最佳的交汇，并使整个区域最佳的纳入到已知的控制点坐标系统中。内容有：各影像外方位元素和地面点坐标近似值的确定，可以利用航带法区域网空中三角测量方法提供影像外方位元素和地面点坐标的近似值，在竖直摄影情况下，也可以设 ，k角值和地面点坐标近似值则可以在旧地图上读出；从每幅影像上的控制点的和待定点的像点坐标出发，按每条投影光线的共线条件方程列出误差方程；逐点法化建立改化方程，按循环分块的求解方法先求出其中的一类未知数，通常是求得每幅影像的外方位元素；空间前方交会求得待定点的地面坐标，对于相邻影像公共交会点应取其均值作为最后结果，求得待定点的地面坐标。

空三加密流程

1）数据准备
包括建立测区目录、建立测区信息、像机信息、控制信息数据（含POS数据）文件；影像数据的准备和检查处理；量测框标及内定向；选取航线拼接点和检查等工作。注意事项：构架航线必须排在基本航线之后；构架航线的像片排列顺序必须与基本航线的排列顺序(“从上到下”或“从下到上”)一致；在输入测区信息时要注意构架航线的旋转方向。旋转的目的是将构架航线的影像旋转到与基本航线一致，便于人工选点。

2）相对定向与模型连接
a. 在区域范围内按航线依次进行相对定向建立像对模型，并通过连接点实现航线内的模型连接以及航线之间的模型连接。主要工作包括自动相对定向、自动选择连接点、自动转点与自动量测等。
b. 单个模型相对定向点数量应不少于50（包括自动点），分布基本均匀，且标准点位置应该有点。

3）点位量测
a. 量测控制点：对外业提交的像控点、外业保密检查点进行辨认和量测，点号与外业点号一致。
b. 选定加密点：在没有外业像控点的标准点位上人工量测加密点。
c. 内业保密点量测：每幅图量测20—30个保密点，要求点位明显易判，目标特征明显，分布均匀，按保密点编号。以检验DEM、DOM、DLG成果平面与高程精度。保密点应制作小影像，供下工序检测用。保密点成果文件命名为：区域网号保密点.txt。

4）空中三角测量平差
a. 预平差剔除粗差点：通过平差计算对连接点、像控点进行粗差检测，剔除或检测出粗差点。
b. 光束法区域网平差：采用光束法进行整体平差，获得加密点及检查点的三维大地坐标和像片的外方位元素。
c. 平差结果检查分析：对加密成果进行单模型绝对定向，检查定向点残差，若超限则进行人工修测，重新平差计算，反复操作，直至加密的像控点、检查点残差全部在规定的限差之内。
d. 自动生成像控点、检查点点位图片。

5）加密精度检测
对于加密点中误差可采用式下式进行估算：

式中：
M 控 — 控制点检测中误差（m）；
△ — 多余控制点的不符值（m）；
n — 评定精度检测点个数。

3 4D产品制作流程

3.1 数字高程模型

数字高程模型（Digital Elevation Model，缩写DEM）是在某一投影平面（如高斯投影平面）上规则格网点的平面坐标（X，Y）及高程（Z）的数据集。DEM的格网间隔应与其高程精度相适配，并形成有规则的格网系列。根据不同的高程精度，可分为不同类型。为完整反映地表形态，还可增加离散高程点数据。
数据准备完成后，就可进行DEM制作。DEM制作基本流程如下：

3.3 数字正射影像图

数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，缩写DOM）是利用数字高程模型（DEM）对经扫描处理的数字化航空像片，经逐像元进行投影差改正、镶嵌，按国家基本比例尺地形图图幅范围剪裁生成的数字正射影像数据集。它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像，具有精度高、信息丰富、直观真实等优点。
DOM制作基本流程如下：

3.4数字线划地图

数字线划地图（Digital Elevation Model，缩写DLG）是现有地形图要素的矢量数据集，保存各要素间的空间关系和相关的属性信息，全面地描述地表目标。

3.5 数字栅格地图

数字栅格地图（Digital Raster Graphic，缩写DRG）是现有纸质地形图经计算机处理后得到的栅格数据文件。每一幅地形图在扫描数字化后，经几何纠正，并进行内容更新和数据压缩处理，彩色地形图还应经色彩校正，使每幅图像的色彩基本一致。数字栅格地图在内容上、几何精度和色彩上与国家基本比例尺地形图保持一致。

4 绝对定向后平面位置与高程限差