苏 博

（南阳师范学院 环境科学与旅游学院，河南 南阳 473061）

0 引言

普通数码相机具有体积小、质量轻、适用方便、灵活性强等特点，现已被广泛应用于近景摄影测量领域。光束法是近景摄影测量中普通数码影像量测的最主要的数据处理方法，有着精度高、易于引入系统误差改正、适应不同观测值联合平差的优点。但是，该算法也存在着对控制点数量要求多、未知数多且相互干扰大、参数检校精度不高等缺点。这些缺点在不同的应用条件下，其影响会得以放大或缩小，然而至今对光束法的评价大都限于检查点位中误差，缺乏对各影响因素系统的、定量的研究，从而缺乏对作业的指导依据[1-4]。本文通过对不同物像条件和不同处理方法两方面的影响进行试验，研究控制点数量及分布、相机分辨率、相机内方位元素已知/未知、子像元量测等几方面对光束法精度的影响，作定量研究。

1 摄影测量试验场的建立

为更加准确和科学的分析普通数码影像光束法特性，本文光束法试验设计了2种不同的试验场，室内精密试验场和室外控制场[5]。

1.1 室内精密试验场的建立

图1 精密三维控制场普通数码影像

图2 三维控制场点位分布示意图

1.2 室外控制场

室外控制场选取某大学教楼的正面，控制点的布设分三层，符合控制场立体布设控制点的要求，如图3所示。在教楼正面的三个面上共布设了14个控制点，由远及近分别布设第一层4个控制点、第二层4个控制点、第三层6个控制点，点号分别为01-14号点（如图4）。控制点布设方式为在墙上贴控制点标志。控制点标志为黑白相间的X形纸质标志，按左右对称贴于墙面上。

图3 室外控制场普通数码影像

图4 室外控制场点位示意图

2 影像拍摄与控制点坐标的获取

2.1 影像拍摄

控制场影像拍摄的基线大致与控制场平面平行。在基线上左右两边各选一个拍摄点，拍摄点要求能观察到几乎所有的控制点，拍摄时控制场应充满整个相机屏幕。为满足本实验不同试验方案要求，分别采用了固定对焦模式和实时对焦模式进行拍摄，实时对焦模式使用尺寸为2592*1944的分辨率（简称变焦L），固定对焦模式下分别使用尺寸为2592*1944、1600*1200和1024*768的分辨率（分别简称定焦L、定焦M1和定焦M2）。

2.2 控制点坐标的获取

控制点坐标分为物方坐标与像方坐标。室内三维控制场中的物方坐标由T2经纬仪测得，即在控制场正前方几米处设置2个与控制场平面大致平行的测站，分别对55个控制点进行水平角和竖直角观测，然后利用前方交会原理解算出控制点坐标。室外控制场的物方坐标是用免棱镜全站仪自由设站观测后经过坐标转换得到。控制点像方坐标则是直接通过影像坐标量测获得。

3 不同物象条件下光束法算法试验及特性分析

由于光束法存在着对控制点数量要求多、不适用于平面控制等缺点，试验场地（主要指控制场的布设）及试验所需的仪器设备对光束法试验精度结果产生很大影响[6-8]，本文分别对控制场中控制点数量和分布以及相机分辨率、像片拍摄距离等进行算法试验和精度分析。

3.1 控制点数量及分布对光束法的影响

3.1.1 控制点数量对光束法的影响

试验分别采用室内三维精密控制场中的12、16、20、24个控制点进行光束法试验，其余点作为检查点。12个控制点方案的控制点分别为三个面上的角点，即点1-1至1-4、2-1至2-4、3-1至3-4。16个控制点方案的控制点组合有3种，即A：点1-1至1-8、2-1至2-4、3-1至 3-4；B：点 1-1 至 1-4、2-1 至 2-8、3-1 至 3-4；C：点 1-1 至 1-4、2-1至2-4、3-1至3-8。20个控制点方案的控制点组合有3种，即A：点101-108、201-208、301-304； B：点 101-108、201-204、301-308；C：点1-1至1-4、2-1至2-8、3-1至3-8。24个控制点方案的控制点组合为：点1-1至1-8、2-1至2-8、3-1至3-8。不同控制点数量的光束法计算结果如表1。由表1可以看出，在其他条件一致，仅控制点数量不同时，所选控制点越多，光束法精度越高。

表1 控制点数量对光束法精度的影响

3.1.2 控制点分布（位置分布）对光束法的影响

鉴此，村落民俗志书写是不能不将历史学与民俗学的研究方法加以综合运用的。就学科传统而言，历史学追求对“真相”的探索，其研究强调证实或辨伪，而民俗学则关注民众文化的记忆、传承与运用。真正意义上的村落研究，不仅是要呈现被遮蔽已久的村民生活与文化，还要呈现村民的文化实践及价值建构的过程。遗憾的是，后者至今仍为包括民俗学者在内的众多学人所轻忽。

试验分别从3个面取3-5个（共12个）控制点，按照控制点位置分布状态，分别设计了控制点呈均匀分布、集中分布和四周分布三种控制点组合方式，其中集中分布并非指所选控制点均分布于像片中心附近，而是密集分布于控制场其他某一处。由表2可以看出，当控制点均匀分布，或者布满整个控制场时，其精度比控制点集中分布于控制场中心精度要高得多。

表2 控制点位置分布状态对光束法的影响（定焦L）

3.2 相机分辨率对光束法的影响

按照常识，在相同拍摄条件及其他因素相同的情况下，相机分辨率越高，拍出的像片越清晰，而像片的清晰度决定着像片量测工作的精度[9-12]。本实验将用数据来验证以上常识，并对相机分辨率与光束法的关系作出定量分析。由表3可以看出，在相同拍摄模式下，相机分辨率（表中分辨率见文中2.1）越高，光束法精度越高；在相同相机分辨率的情况下，定焦比实时对焦的光束法效果要好。

表3 不同相机分辨率对光束法的影响

3.3 实时对焦自检校光束法的适用距离（与定焦对比）

随着相机拍摄距离增加，控制点标志像片上的大小比例变小，像片量测的难度也随之增加；实时对焦（变焦）与定焦模式拍摄下的像片，其量测结果也将不一样。试验分别对同一距离变焦与定焦，不同距离变焦与定焦的结果进行对比。

表4 室内控制场变焦与定焦模式下光束法精度对比

表5 室外控制场拍摄距离30米变焦与定焦模式下光束法精度对比

表6 室外控制场拍摄距离200米变焦与定焦模式下光束法精度对比

综合表4、表5、表6的试验结果可以看出，用同样模式拍摄像对，拍摄（量测）距离近，则光束法精度高;在远距离拍摄控制场中，实时对焦模式比固定对焦模式拍摄下的光束法精度要略高。

4 不同处理方法下光束法算法试验及特性分析

鉴于光束法存在未知数多且相互干扰大、参数检校精度不高等缺点，本文针对内方位是否已知以及子像元量测精度的不同处理方法，对光束法进行算法试验及特性分析。

4.1 内方位已知/未知条件下的光束法精度对比

内方位元素作为已知/未知数类型进行光束法计算时，运算过程中参与控制与检查的参数不同，平差结果也不同，这样使得光束法结果也不同。本实验通过光束法计算结果，定量分析内方位元素已知/未知的光束法精度对比。

该试验方案采用室内控制场数据，将内方位元素分别作为未知/已知数类型进行计算。控制点选取控制场三个面上的共12个角点，即点1-1至1-4、2-1至2-4和3-1至3-4，其余控制点作为检查点参与平差计算。由表7可知，在选取相同控制点的情况下，内方位元素作为未知数时光束法精度比内方位作为已知数时要高。

表7 内方位元素已知/未知的光束法精度对比

4.2 子像元量测对光束法精度的影响。

子像元量测对光束法的影响是指相片量测得到的相片坐标直接参与光束法计算和相片量测得到的相片坐标四舍五入取整后参与光束法计算对光束法精度的影响。试验分两组进行，分别以近距离拍摄的控制场和中距离拍摄的控制场数据分别进行光束法试验，从而对比其精度，探讨光束法特性。

室内控制场所选的控制点为三个面上的角点，即点1-1至1-4、2-1至2-4和3-1至3-4共12个点，其余点作为检查点参与计算。

室外控制场选择 1、2、7、8、13、14 号共 6 个点进行光束法计算，其余点作为检查点参与平差计算。

表8 室内控制场子像元量测对光束法精度的影响

表9 室外控制场子像元量测对光束法精度的影响

由表8可以看出，在近距离拍摄距离试验中，当像片量测所得相片坐标四舍五入取整后，光束法精度相差不大；由表9可以看出，在中距离拍摄试验中，当相片量测所得坐标四舍五入取整后，光束法精度明显降低。

综合以上2个试验的结果，可知：当相机拍摄距离很远时，像片上单个像元代表的实际面积大，故相片坐标取整后光束法精度会大幅度降低，即像片量测时在子像元内部量测的结果比以子像元为单位量测的结果进行光束法时精度要高。

5 结论

本文按照不同物像条件、采用不同处理方法，分别对光束法进行算法试验和特性分析。根据试验结果，可得以下光束法特性：

（1）在试验中，当光束法计算条件一致，仅所选控制点数量不同时，所选取的控制点越多，光束法精度越高；在所选控制点数量相同的情况下，仅位置分布不一样时，控制点呈均匀分布比控制点无规律分布时光束法精度高；当控制点数量相同时，控制点均匀分布或布满整个控制场的光束法精度比控制点集中分布的精度要高。

（2）获取像对时，在相同拍摄模式下，相机分辨率越高，光束法精度越高；用相同相机分辨率拍摄时，固定对焦模式比实时对焦模式拍摄像对更符合光束法的精度要求。

（3）在分别进行了近距离拍摄试验场试验、中距离拍摄试验场试验、远距离拍摄试验场试验，经实时对焦与固定对焦处理对比结果得出，像片拍摄距离越近，光束法算法精度越高；在远距离拍摄控制场中，实时对焦模式比固定对焦模式的光束法精度略高。

（4）在光束法其他试验条件相同情况下，无论内方位元素初值是给定还是相机检校得出，其作为未知数比作为已知数得到的光束法精度要高，这与光束法其他参数参与平差有一定关系，具体情况未在本论文研究范围内。

（5）像片量测以像元为单位，当量测得到的像方坐标进行四舍五入取整后，光束法精度降低。

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