利用POS数据进行像点坐标粗差检测

利用POS数据进行像点坐标粗差检测

付建红，吴珍丽 （武汉大学遥感信息工程学院，武汉 430079） 【摘 要】本文根据同名像点存在的几何位置关系，提出一种利用POS数据进行像点坐标粗差检测的方法，用模拟数据验证了方法的正确性和有效性，并利用两组不同摄影比例尺的实际航摄资料进行了试验。试验表明，用该方法剔除像点坐标中的粗差后，立体像对相对定向精度得到很大提高。在保证POS数据内部相对精确的情况下，其整体系统误差对粗差检测结果没有影响。 【关键词】POS；影像匹配；粗差检测 【中图分类号】 P23 【文献标识码】A 【文章编号】1009-2307（2011）05- - Gross error detection of image point coordinates using POS data Abstract: Based on the geometrical relation of homonymous image points, a method of gross error detection to image point coordinates using POS elements of exterior orientation was proposed in the paper. The method was verified by simulative images and tested by two kinds of different scale images. The experiments showed that gross error in image point coordinates could be detected effectively, and relative orientation accuracies of stereopairs could be improved greatly when gross errors are eliminated by this method. The results of gross error detection would not be affected by POS systematic errors. Key words: Position Orientation System (POS); image matching; gross error detection; FU Jian-hong, WU Zhen-li(School of Remote Sensing and Information Engineering, Wuhan University, Wuhan 430079, China) 1 引言

像点坐标量测是摄影测量中一项非常重要的基础工作，在区域网平差，物体三维信息的提取等

工作中，都必须首先进行影像量测。在数字摄影测量时代，像点坐标的量测主要以影像自动匹配代替人眼立体观测得到，是数字摄影测量中的一项关键技术[1,2]。如何可靠、准确地将影像上的同名像

点自动匹配出来已成为当前数字摄影测量中一个亟待解决的问题。由于影像匹配本身是一个病态问

题[3,4]，并无唯一解，必须在引入额外限制条件下才能获得较好的结果[5]。常用的方法是限定影像匹

配的范围，即确定初始视差。对于排列规则的航摄像片而言，初始视差的确定可以参照航摄计划较

容易地确定。而当影像的排列不规则时（如重叠度不均匀，影像存在较大旋角等），初始视差则很难

准确确定。另外，对于影像纹理重复、缺乏的森林、沙漠等地区，影像匹配显得尤为困难，这就会造成匹配的结果中含有较多的粗差点。因此，如何检测出像点坐标量测中的粗差点是影像匹配中的

一项重要工作。经典的粗差检测方法是用相对定向后的残差与单位权方差估计值0ˆσ进行比较来判断

粗差，也可用统计检验，数据探测法（Data Snooping）等[6,7]。这些方法一般都是通过分析平差后的

观测值改正数进行粗差检测，而观测值的粗差只有一小部分反映在相应的改正数中，具有最大改正

数的观测值不一定含有粗差[6]。所以，这些方法检测出来的粗差并不完全正确，特别对数据中含有

多个粗差的情况往往无能为力。 近年来出现的DGPS/IMU组合导航系统（POS系统）在航空摄影测量中得到了广泛的应用[8-12]，

特别是无图区、困难地区的基础航空摄影，是当前摄影测量与遥感中研究的一个热点。通过对POS

系统获取数据的后处理，可以得到影像的初始外方位元素，本文利用POS系统获取的外方位元素，

根据同名像点存在的几何位置关系来检测像点坐标中的粗差，并用实际航摄资料来验证该方法的正

确性和可行性，希望为后续的区域网平差以及4D产品的生成等工作提供更为可靠的像点坐标。 2 POS数据检测像点坐标粗差方法

通过对POS系统数据的后处理，可以得到影像的6个外方位元素，所以，当量测了一对同名像

点之后，即可利用前方交会计算对应地面点的地面摄影测量坐标。如果采用点投影系数法前方交会，

首先要分别计算出立体像对中左右影像的点投影系数N1、N2。为了顾及计算点的平面和高程坐标，DOI：CNKI:11-4415/P.20101231.1058.033 网络出版时间：2010-12-31 10:58网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4415.p.20101231.1058.033.html以及考虑到摄影基线在X方向上的分量BX较大，点投影系数一般由左右影像上同名像点的像空间辅

助坐标在X、Z方向上的几何关系得到[13]。所以，当计算地面摄影测量坐标时，X、Z方向上存在如

下关系：

⎩⎨⎧

+=+=+=+=

222111222111XNZZNZZXNXXNXX

SSSS （1）

而对于Y方向上，由左右点投影系数计算出来的地面摄影测量坐标则不相等，定义模型视差PY为：

)()(222111YNYYNYPYSS+−+= （2）

式（1）、式（2）中，（111,,SSSZYX）、（222,,SSSZYX）为左右像片的外方位线元素；（111,,ZYX）、

（222,,ZYX）为同名像点对应的像空间辅助坐标，具体计算公式参见文献[13]。如果给定阈值ε，

当ε>PY时，即可认为像点坐标存在粗差。式（2）反映了单个立体模型在Y方向上的模型视差，对于连续立体模型，还可考虑模型之间的连接条件：

ε<−jkijXX （3）

式中，（Xij，Xjk）为相邻立体像对中第i, j张像片和第j, k张像片计算出的同一个地面点的模型

坐标在X方向上的分量。

阈值的确定要考虑POS的系统误差，系统误差会造成PY有整体的偏移，检测粗差时必须考虑。

假设没有粗差的情况下，像点坐标量测误差为偶然误差，符合正态分布，中误差为σ，则每一像点

的量测误差落在)2,2(σσ+−的概率为95.5％，绝对值大于两倍中误差的量测误差出现的概率为4.5％，已经是小概率事件[14]。所以，阈值ε可取立体像对中所有像点PY均方差的2倍，即：

nPYPYi∑−=2)(2ε （4）

式中，n为立体模型像点总数，PY为立体模型中所有像点模型视差的算术平均值。

3 试验及结果分析

3.1 模拟试验

为了验证上述方法的正确性，首先用一组模拟数据进行了试验。假定航摄仪主距为154.06mm，

像幅大小为23cm×23cm，航向重叠60％，摄影比例尺1:32 000。利用以上参数给定相邻两个立体

像对的18个外方位元素和立体像对覆盖范围内均匀分布的50个地面点的地面坐标，按共线条件方程计算其对应的像平面坐标，并生成一组符合高斯分布的随机量测误差加入像点坐标，随机误差的

中误差设定为5μm，最大误差10μm。在此模拟数据基础上，对不同数量的像点坐标上加入粗差，

粗差的大小分布在2-5个像素之内，像素大小设置为21μm。利用本文上述方法对第一个立体模型进

行粗差检测，并与带模型连接条件的相对定向检测粗差进行比较，结果列于表1。

表1 模拟数据粗差检测结果 检测方法 粗差点数/个 检测出点数/个 检测率

本文方法 5 4 80% 10 6 60% 15 8 53% 带模型连接条件的 相对定向 5 3 60% 10 2 20% 15 3 20% 从表1可以看出，随着粗差点数的增加，带模型连接条件的相对定向仅能检测出少量的点，而

本文方法则保持较高的检测率，据此可以说明，该方法是正确且有效的。逐一分析未被检测出来的

粗差点，原因有两个方面：① 加入的粗差值较小，一般为2个像素，计算出的地面视差小于式（4）

得到的限差；② 粗差点是单立体模型上的像点（两度重叠），缺少式（3）提供的限定条件，且粗差

值刚好位于x方向上，而式（2）仅反映像点坐标在y方向上的粗差。

3.2 实际试验资料综述 本文对分别摄于2005年1月和2006年8月的两组实际航摄像片（表2）进行了试验。两组试

验像片均为带POS系统的Lecia RC-30航摄仪成像于Kodak 2402胶片上而得到。航空摄影前，在航

摄仪上加装了加拿大Applanix公司的POS AV 510系统，在航摄飞机的顶部安装了Trimble双频GPS

航空天线；航空摄影时，飞机上采用POS系统内置的GPS接收机，试验1区内两个基准站、试验2区内三个基准站上各安置了一台Trimble 5700双频GPS接收机，数据更新率均设置为1s。两次试验

中，飞机起飞前都进行了3~5min的初始化，飞机着陆后进行3~5min的静态观测。为改正POS系统误差，试验1按常规光束法区域网平差平均每隔3条基线布设1个平高控制点，试验2布设了检校

场，检校场的四角各施测了1个平高控制点。

表2 试验区航摄资料参数

项 目 参 数

试验1 试验2 航摄仪主距 303.64mm 88.44mm 像 幅 23cm×23cm 23cm×23cm 摄影比例尺 1:3 000 1:60 000 航 重 叠 63％ 65％ 旁向重叠 33％ 33％ 航线数 10条 17条 构架航线数 2条 2条 像片数 405张 427张 地面控制点 155个 55个 最大地形起伏 181.6m 32421.3m GPS偏心分量 （0.303m，0.110m，2.002m） （-2.015m，-0.030m，3.312m） IMU偏心分量 （0.000m，-0.200m，0.559m） （ 0.006m，-0.201m，0.363m） 3.3 POS数据检测像点坐标粗差结果及分析

将表2所示的航摄负片经扫描成21μm的数字影像后，分别选择其中两个连续立体相对进行试

验。其中试验1所选区域为一山地，地面有大面积森林覆盖，试验2所选区域为沙漠丘陵地，两个

区域的影像纹理特征均不明显，且重复纹理较多，分别如图1、图2所示。对所选影像在自行研制

的POS辅助光束法区域网平差程序WuCAPS[8]上进行自动影像量测，每个立体像对按均匀分布的20

个位置，每个位置提取3个像点，得到立体模型上的同名像点坐标。为分析POS系统误差对粗差检测结果的影响，利用POS系统自带的数据后处理软件POSPac对GPS/IMU数据进行处理，并利用布