数字影像交会定点分析与编程实现

黄秋锋　任中杰　王兆媛

【摘 要】交会定点是测绘中一种主要的数据获取方式，影像交会定点是摄影测量的基础。若已知影像的6个外方位元素便可确定被摄物体与影像之间的关系，进而由立体像对空间前方交会法解算出同名像点在物方空间坐标系中的坐标。为此，论文采用C#编程技术，借助计算机强大的计算能力，实现像点坐标的量测以及数字影像外方位元素的解算，最终根据量测出的同名像点像坐标及其外方位元素解算出所对应地面点的地面坐标。

【Abstract】The intersection point is one of the main data acquisition methods in surveying and mapping， and the intersection point of images is the basis of photogrammetry. If the 6 outer elements of the image are known， the relation between the object and the image can be determined， and then the coordinate of the image point in the object space coordinate system is solved by the stereo intersection method. Therefore， this paper adopts C# programming technology， using the powerful computing capability of computer， realizes the image coordinate measurement and azimuth digital image elements according to the final solution， measures the corresponding image points like coordinates and exterior orientation elements are calculated corresponding to the ground coordinates of ground points.

【關键词】交会定点；三角测量；外方位元素；C#编程

【Keywords】intersection point； triangulation； external elements； C# programming

【中图分类号】P231 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0188-03

1 引言

数字影像信息量丰富、形态逼真，能够真实地反映客观物体或目标[1]。有利于提取所研究物体大量的几何信息与物理信息，为摄影测量在各个方面中的应用提供可能。一方面通过摄影测量可以测绘各种比例尺的地形图用于地形量测，为各种地理信息系统提供三维基础数据并为城镇、资源、规划、地质、交通、林业、农业和工程等部门提供各种专题图。另一方面摄影测量也可用于建筑、考古、医学、工业、体育、生物、变形监测、事故调查、公安侦破等各种非地形测量中。尽管摄影测量的应用领域不尽相同，但其主要的技术方法都是通过二维数字影像重构三维模型并在该模型上提取各种所需的信息[2]。

通过对数字影像的量测与解译可以快速地在大范围内进行点位的测定[3]，且影像上的目标均不受地面通视条件的限制，作业人员无需接触测量物体本身，可大大地减弱观测环境的影响，减少因无法安置仪器而造成的困扰，使作业人员无需到达测区便可进行量测，大量提高数据采集效率。

2 单像空间后方交会

单像空间后方交会是一种解算摄影时刻数字影像在某物方坐标系中的位置和姿态的方法[4]，该方法的实现需要获得影像覆盖范围内一定数量的平高控制点及其在影像上的像坐标并结合共线条件才能进行解算。即通过获取影像的6个外方位元素来确定影像与被摄物体的关系[5]。为确定影像的6个外方位元素，设计其系统结构图及算法流程图如图1和图2所示：

3 立体像对前方交会

假设在两个相邻的摄站点S1和S2上对地面进行摄影，获得具有一定重叠度的左右影像，且满足立体像对上的同名像点a1和a2为地面点A的构像[6]。在已知数字影像方位元素的条件下，根据两条直线相交于一点即可得交点A的三维坐标。这种根据左右影像的摄站坐标及其上两同名像点的像坐标求解两同名光线的交点坐标的方法称为数字影像前方交会。当只对两张影像即一个立体像对进行前方交会时常采用的方法有共线方程严密解法和点投影系数法两种[7]。本文以点投影系数法为例分析并设计其系统结构图和算法流程图如图3及图4所示：

4 交会定点实例

4.1 数字影像获取

本文以CanonEOS 5D Mark II相机为试验相机，其光圈为9.0，快门为1/400。影像以CR2佳能相片格式存储输出，分辨率为5616×3744，镜头标称焦距为35mm和50mm，其参数文件如表1所示。对外业采集的影像数据经一定的格式转化和畸变差校正后，采用图5和6分别作为左右影像。

4.2 功能实现

数字影像交会定点系统主要实现相机参数、坐标数据和影像数据的读取、显示和分析，以及像点坐标的量测。实现对影像外方位元素、同名点物方坐标的解算和管理。其界面如图7和图8所示：

4.3 精度分析

数字影像交会定点的任务是解决目标点的空间定位问题，其定位精度如何是解决实际问题时用户很关心的指标。只有明确了不同方法所能达到的精度，才能根据需要选择方法。一方面可从理论上进行分析，即将待测点的地面坐标改正数作为随机变量并利用最小二乘平差法解算出坐标改正数的协因数阵。另一方面则是利用野外实地量测的大量控制点作为多余检查点，比较平差计算所得的控制点坐标值与野外实地测量的坐标值，将其比较差作为真误差，并通过这些真误差计算出点位坐标精度。通常我们将前一种方法得到的精度称为理论精度，通过对理论精度的分析我们能了解平差后误差的分布规律，借此可对控制点进行合理的分布设计。后一种方法得到的精度估计称为实际精度，也是评定数字影像交会定点精度较为客观的方法。由于数字影像在进行交会定点计算时并没有利用多余条件进行平差计算，使得数字影像 交会定点的最终精度主要受数字影像后方交会精度及像坐标采集精度的影响。经计算整理得各同名像点的精度如表2所示。

其中Xjs、Yjs、Zjs表示数字影像交会定点的计算结果；ΔX、ΔY、ΔZ表示计算值与实地测量值的较差。由统计表知平面坐标的最大较差为5.5cm；高程坐标的最大较差为0.435m。

5 结论

本文通过C#编程，实现数字影像交会定点功能，可大量减少测量人员的野外工作量。由于数字影像交会定点实现的前提条件是已知同名像点的像坐标以及左右影像的外方位元素，因此在只有影像数据及其相机参数与控制点坐标的情况下，需先精确地获取像点坐标并对左右影像分别进行后方交会处理，在解算出数字影像外方位元素的基础上方可进行数字影像交会定点分析。在本系统中影响交会精度的主要是像坐标的精度以及单像空间后方交会的精度，其中单像空间后方交会主要受数学模型影响，而像坐标在本系统中由于是通过鼠标双击获得的，除影像本身的误差影响，主要存在人眼的识别误差。考虑到个别已知同名像点像坐标及其外方位元素而无影像、控制点等数据，本系统将数据采集、处理与分析相互分离，使得作业人员能够对错误的数据进行整理，进一步提高程序的可操作性。

【参考文献】

【1】张剑清，潘励，王树根.摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2009.

【2】马振国.基于GPU并行加速的正射影像生成研究[D].济南：山东科技大学，2011.

【3】张建霞.基于SWDC的数码航空摄影测量研究与应用[M].徐州：中国矿业大学出版社，2015.

【4】官云兰，周世健，周铭，等.基于角锥体原理的空间后方交会改进算法[J].测绘科学，2006，32（2）：27-29.

【5】张雪萍.安置元素测图对POS外方位元素的精度需求[J].计算机工程与应用，2010，46（2）：141-144.

【6】顾斌.数字图像与激光点云配准及在建筑物三维建模中的应用[D].徐州：中国矿业大学，2014.

【7】吴晓燕，白志刚，刘敏，等.基于GPS/INS数据的多像空间前方交会[J].矿山测量，2009（01）：53-56.