ADS数字航空摄影测量数据自动化处理测绘工程.doc

精选资料
ADS40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
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
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
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
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 ： ζ＝H－h
式中ζ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
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
msdElementTypeCellHeader
Cell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
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
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
[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 Geosystems Geospatial Imaging, LLC. ADS40 Ground Processing Software. Leica Geosystems, 2006
[5]赵双明，李德仁. ADS40机载数字传感器平差数字模型及其试验，测绘学报，2006，35(4):342-346
[6]赵双明，李德仁，ADS40影像几何预处理。武汉大学学报信息科学版，2006，31(4):308-311
[7]杨庚印，ADS40数字航空摄影测量系统本地坐标系在LPS中的建立，2008，4：69-70
[8] WenYuan Hu, GengYin Yang, Hui Yuan, APPLICATION AND ACCURACY EVALUATION OF LEICA ADS40 FOR LARGE SCALE MAPPING, The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Beijing,2008. B1(1):605-610
[9] 陈弘奕ADS40数字航空摄影测量技术中坐标系统转换和大地水准面精化成果的应用研究，测绘通报，2007(12):66-67
[10]杨光，林鸿，欧海平等，广州市亚厘米级高精度似大地水准面的确定，测绘通报，2007，（1）：24-25
作者简介
杨卫军，男，1978年12月出生，湖北省仙桃市人，中国科学院遥感应用研究所2008届博士研究生，研究方向为：地理信息系统，虚拟地理环境，摄影测量与遥感。E-mail:fazeyang@

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