基于PPP的無地面控制 GPS輔助空中三角測量研究

王宏濤,郭增長,2

(1.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院,河南 焦作 454003;2.礦山空間信息技術(shù)國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 焦作454003)

基于PPP的無地面控制 GPS輔助空中三角測量研究

王宏濤1,郭增長1,2

(1.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院,河南 焦作 454003;2.礦山空間信息技術(shù)國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 焦作454003)

介紹在無地面控制的情況下,采用將精密單點(diǎn)定位技術(shù)獲取的攝站點(diǎn)坐標(biāo)作為控制點(diǎn)進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差的方法。并在SWDC數(shù)碼航測系統(tǒng)支持下,結(jié)合桂林地區(qū)的航攝資料進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,無地面控制的 GPS輔助空中三角測量可以滿足中小比例尺成圖的加密要求。

精密單點(diǎn)定位;GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差;無地面控制;誤差模型;差分定位

為了減少常規(guī)空中三角測量作業(yè)時所需要進(jìn)行的大量野外像控測量工作,從20世紀(jì)80年代開始,測繪領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)者開始了將 GPS定位技術(shù)應(yīng)用于空中三角測量的研究工作,并在隨后的20多年時間里取得了許多研究成果[1-3],這些成果在提高作業(yè)效率 ,降低航測的勞動強(qiáng)度以及提高測量精度等方面都發(fā)揮了巨大的作用,但是在實(shí)際應(yīng)用過程當(dāng)中,為了得到滿足要求的攝站點(diǎn)坐標(biāo),通常需要在地面架設(shè)基準(zhǔn)站,并且對航空攝影也提出了較高的技術(shù)要求,這在某些人員無法到達(dá)的測圖困難地區(qū)通常是難以實(shí)現(xiàn)的。而隨著非差相位精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning,簡稱 PPP)的出現(xiàn) ,為克服這些實(shí)際困難提供了解決方案。利用這種方法進(jìn)行航空作業(yè)時,不需要在地面架設(shè)基準(zhǔn)站,節(jié)省了大量的人力和物力[4]。本文將采用精密單點(diǎn)定位技術(shù)來獲取攝影時刻 GPS天線相位中心的三維坐標(biāo),并著重探討在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的無地面控制的 GPS輔助空中三角測量的應(yīng)用可行性。

1 基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)的攝站點(diǎn)坐標(biāo)的獲取

在 GPS輔助空中三角測量中,如何準(zhǔn)確地獲取攝影時刻攝站點(diǎn)的三維坐標(biāo)是非常重要的,長期以來,GPS攝站點(diǎn)坐標(biāo)的獲取主要依靠差分定位的方法,這種定位方法要求在飛行的同時在地面布設(shè)一定數(shù)量的 GPS基準(zhǔn)站,與機(jī)載 GPS天線進(jìn)行同步觀測,同時要求飛機(jī)在飛行過程當(dāng)中 GPS信號盡量不失鎖,對飛行也提出了較高的要求[5-6]。鑒于以上常規(guī) GPS輔助空中三角測量所存在的一些問題,本文提出了利用精密單點(diǎn)定位技術(shù)來獲取攝站點(diǎn)三維坐標(biāo)的方法。

精密單點(diǎn)定位技術(shù)與差分定位不同,其主要是利用國際GPS服務(wù)機(jī)構(gòu)(IGS)提供的精密衛(wèi)星星歷和精密鐘差,結(jié)合單臺含雙頻偽距及載波相位觀測量的GPS接收機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)的高精度定位[7]。采用精密單點(diǎn)定位技術(shù)來獲取攝影時刻攝站點(diǎn)的三維坐標(biāo)主要涉及到如下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),如圖1所示。

圖1 基于PPP的攝站點(diǎn)坐標(biāo)獲取流程

1)攝影時刻時標(biāo)的獲取。為了能夠在航空攝影的同時用精密單點(diǎn)定位的方法來確定攝站點(diǎn)的空間位置,必須準(zhǔn)確地獲取攝影時刻的 GPS時間,因此,應(yīng)通過機(jī)載 GPS信號接收機(jī)上的外部事件輸入裝置(Event M arker接口),將航攝儀曝光時刻精確地寫入機(jī)載GPS信號接收機(jī)的時標(biāo)上。

2)GPS和飛行控制系統(tǒng)共同作用下的定點(diǎn)曝光。本文實(shí)驗(yàn)采用的飛行航攝系統(tǒng)是中國測繪科學(xué)研究院劉先林院士最新研制開發(fā)的SWDC飛行控制系統(tǒng),其在飛行過程中采用了定點(diǎn)曝光的方法。其主要技術(shù)原理是:將 GPS實(shí)時獲取的偽距坐標(biāo)與設(shè)計(jì)曝光坐標(biāo)進(jìn)行對比,取一定的航向和旁向容差,若在容差范圍之內(nèi),則飛行控制系統(tǒng)啟動曝光傳感器發(fā)出曝光信號驅(qū)動相機(jī)曝光,然后相機(jī)返回曝光M ark信號,并通過外部事件輸入端口傳入 GPS接收機(jī)[8]。

3)觀測數(shù)據(jù)的下載及觸發(fā)事件分離。GPS外業(yè)數(shù)據(jù)下載后,要將下載出的DA T觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換(RINEX格式),并從原始數(shù)據(jù)中分離出曝光觸發(fā)事件 TXT文件。

4)采用 PPP解算飛機(jī)的飛行軌跡。采用 IGS提供的精密軌道參數(shù)和精密鐘差,結(jié)合下載的 GPS原始觀測數(shù)據(jù),采用精密單點(diǎn)定位的方法解算飛機(jī)的飛行軌跡,得到每個 GPS歷元時刻攝站點(diǎn)的三維坐標(biāo)[9]。

5)攝影時刻機(jī)載天線位置的內(nèi)插。由于攝影時刻通常與 GPS歷元時刻不重合,因而,攝影時刻機(jī)載天線位置需在 GPS歷元間內(nèi)插,內(nèi)插方法可采用線性內(nèi)插或多項(xiàng)式內(nèi)插。

6)攝站點(diǎn)坐標(biāo)的坐標(biāo)變換。由于采用精密單點(diǎn)定位得到的是 WGS-84系下的坐標(biāo),而實(shí)際所需成果往往是屬于某一國家坐標(biāo)系或者地方坐標(biāo)系,因而必須解決定位成果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。本文主要通過7參數(shù)變換的方法將WGS-84系下的攝站坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到國家或者地方坐標(biāo)系中,并采用一定的高程擬合方法將 GPS測定的大地高轉(zhuǎn)換為正常高。

2 GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的誤差模型

GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差是將由差分定位或者精密單點(diǎn)定位技術(shù)所獲取的 GPS攝站點(diǎn)坐標(biāo)視為帶權(quán)觀測值引入光束法區(qū)域網(wǎng)平差中,經(jīng)采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和算法來整體確定加密點(diǎn)位置并對其質(zhì)量進(jìn)行評定的理論、技術(shù)和方法[1]。

在 GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差當(dāng)中有兩類原始觀測值:像點(diǎn)坐標(biāo)和 GPS攝站點(diǎn)坐標(biāo)。由于鏡頭畸變、影像數(shù)字化以及影像自動匹配的影響,像點(diǎn)坐標(biāo)觀測值會存在系統(tǒng)誤差,這種誤差可表示為像點(diǎn)坐標(biāo)的函數(shù),由于這種函數(shù)關(guān)系很難得知,在1972—1980年期間,各國學(xué)者曾研究過不同的附加參數(shù)選擇方案,主要包括帶3個附加參數(shù)的Bauer模型、帶12個附加參數(shù)的 Ebner模型和帶18個附加參數(shù)的 Brow n模型[9]。另外,根據(jù)Ackermann等人的研究,當(dāng)一條航線的連續(xù)飛行時間不超過15 min時,基于載波相位觀測量的 GPS動態(tài)定位會產(chǎn)生隨航攝飛行時間 t成線性關(guān)系的系統(tǒng)誤差[10]。因此,GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的數(shù)學(xué)模型是在自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差的基礎(chǔ)上顧及 GPS攝站點(diǎn)坐標(biāo)與航攝儀投影中心坐標(biāo)間的幾何關(guān)系并考慮各種系統(tǒng)誤差的改正模型后所獲得的一個基礎(chǔ)誤差方程[5],其矩陣形式可表示為

其中各參數(shù)表示意義可參考文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[11]。

3 PPP在 GPS輔助空中三角測量中的應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 測區(qū)概況

2008-11,與桂林市測繪研究院合作進(jìn)行了桂林地區(qū)約829 km2的航攝工作,攝區(qū)地處桂林市區(qū)東經(jīng) 109°58′37″至 110°26′37″,北緯 24°58′13″至 25°25′12″,東至竹江碼頭,西至臨桂五通鎮(zhèn)、兩江鎮(zhèn)和永福蘇橋鎮(zhèn),南至臨桂六塘鎮(zhèn)、雁山區(qū)大埠鄉(xiāng),北至靈川縣城。本文主要基于桂林的部分航攝資料進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn),試驗(yàn)區(qū)的相關(guān)技術(shù)資料如表1所示。

3.2 PPP與差分定位在 GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差中的結(jié)果對比

基于差分定位的 GPS輔助空中三角測量通過大量實(shí)踐表明,其可以滿足各種比例尺成圖的精度要求,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了航空攝影測量的作業(yè)過程當(dāng)中。為了驗(yàn)證精密單點(diǎn)定位技術(shù)在 GPS輔助空中三角測量中應(yīng)用的可行性,將其與差分定位的結(jié)果進(jìn)行了對比,對比結(jié)果如表2所示。

表1 桂林試驗(yàn)區(qū)航攝資料的相關(guān)技術(shù)參數(shù)

表2 精密單點(diǎn)定位與差分定位的GPS輔助空中三角測量的精度對比

需要說明的是,上述兩種 GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的地面控制條件是相同的,都是在測區(qū)的兩端采用RTK技術(shù)測量了兩排平高點(diǎn)。通過表2數(shù)據(jù)可以看出,在相同的地面控制的條件下,兩種GPS輔助空中三角測量控制點(diǎn)的殘差都很小,且檢查點(diǎn)的不符值非常接近。這充分說明,基于PPP的GPS輔助空中三角測量的定位精度能夠達(dá)到與差分定位支持下的 GPS輔助空中三角測量幾乎相同的精度。

3.3 在不同坐標(biāo)系下的區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果對比

為了探討坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換誤差對平差結(jié)果的影響,本文將精密單點(diǎn)定位技術(shù)所獲取的攝站點(diǎn)坐標(biāo)通過三維坐標(biāo)變換的方法轉(zhuǎn)換到桂林地方坐標(biāo)系,GPS大地高向正常高的轉(zhuǎn)化采用高程擬合的方法。并將兩個坐標(biāo)系下光束法區(qū)域網(wǎng)平差的結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果如表3所示。m

表3 不同坐標(biāo)系下的GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果對比

從表3可以看出,分別利用 PPP獲取的攝站W(wǎng)GS-84坐標(biāo)和利用經(jīng)變換后的桂林地方坐標(biāo)系下的攝站坐標(biāo)進(jìn)行 GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差時,加密點(diǎn)的平面精度前者略好于后者,而高程精度前者略低于后者。這主要是由于精密單點(diǎn)定位技術(shù)獲取的是攝站點(diǎn)的 WGS-84坐標(biāo),若地面點(diǎn)也在 WGS-84坐標(biāo)下,則 GPS光束法區(qū)域網(wǎng)平差能夠達(dá)到較高的精度。但是,如果在地方坐標(biāo)系下,由于存在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的誤差,會使平面精度略有降低,但由于GPS大地高向正常高的轉(zhuǎn)化采用了高程擬合的方法,使得地方坐標(biāo)系下平差的高程精度有所提高。

3.4 基于PPP的無地面控制的平差結(jié)果

為了探討無地面控制 GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的應(yīng)用可行性,以及應(yīng)用當(dāng)中所存在的各種問題,本文對桂林試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了無地面控制(攝站點(diǎn)坐標(biāo)作為控制點(diǎn))以及標(biāo)準(zhǔn)地面控制下(測區(qū)兩端兩排平高點(diǎn))的光束法區(qū)域網(wǎng)平差的試驗(yàn)。平差結(jié)束后,在區(qū)域內(nèi)實(shí)測了6個明顯地物點(diǎn)進(jìn)行了檢查,并將兩種平差方法進(jìn)行了對比,實(shí)際對比結(jié)果見表4。

需要說明的是,上述兩種平差方案均是在桂林地方坐標(biāo)系下進(jìn)行了 GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差。從表4可以看出,在進(jìn)行無地面控制的 GPS輔助空中三角測量時,平差結(jié)果在飛行方向上含有一個比較明顯的系統(tǒng)誤差,而在高程方向的殘差近似地接近于某一個固定值。而在標(biāo)準(zhǔn)地面控制的情況下,測區(qū)兩端的地面控制點(diǎn)可以逐條航線的對系統(tǒng)誤差進(jìn)行改正,從而得到了較高的平差結(jié)果。

表4 不同地面控制下的 GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果對比 m

4 結(jié) 論

精密單點(diǎn)定位技術(shù)是近些年來 GPS定位的一個研究熱點(diǎn),由于其外業(yè)作業(yè)簡單、定位靈活而在測繪領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,而其在 GPS輔助空中三角測量中的應(yīng)用才剛剛起步,隨著中國測繪科學(xué)研究院劉先林院士最新研制的數(shù)碼航測系統(tǒng)的研制成功,在生產(chǎn)實(shí)際中也需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證其在GPS輔助空中三角測量中應(yīng)用的有效性,因此,本文以SWDC數(shù)碼航測系統(tǒng)作為研究的基礎(chǔ)平臺,探討精密單點(diǎn)定位技術(shù)在無地面控制 GPS輔助空中三角測量中的應(yīng)用,得到的相關(guān)結(jié)論和建議如下:

1)桂林測區(qū)的相關(guān)試驗(yàn)再一次證實(shí),在具有相同的地面控制的條件下,基于 PPP的 GPS輔助空中三角測量的定位精度能夠達(dá)到與差分定位支持下的GPS輔助空中三角測量幾乎相同的精度。因此,精密單點(diǎn)定位技術(shù)在滿足現(xiàn)有的航空攝影測量成圖規(guī)范下,完全可以替代差分 GPS定位技術(shù)。

2)不同坐標(biāo)系下的平差結(jié)果表明,分別利用PPP獲取的攝站W(wǎng)GS-84坐標(biāo)和利用經(jīng)變換后的桂林地方坐標(biāo)系下的攝站坐標(biāo)進(jìn)行 GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差時,加密點(diǎn)的平面精度前者略好于后者,但高程精度前者明顯低于后者。這是由于WGS-84坐標(biāo)系平面坐標(biāo)經(jīng)轉(zhuǎn)換后精度降低,高程由于采用大地水準(zhǔn)面擬合精度有所提高。

3)在無地面控制的情況下,在精密單點(diǎn)定位支持下的 GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差中,檢查點(diǎn)的平面定位結(jié)果在飛行方向上含有一個比較明顯的線性誤差,這主要是由于在動態(tài)定位過程中,GPS定位的坐標(biāo)變化隨飛行時間呈系統(tǒng)性的線性變化,當(dāng)在區(qū)域網(wǎng)平差的過程中逐條航線的改正隨時間變化的系統(tǒng)誤差的時候,需要在平差區(qū)域的四角測定四個平高地面控制點(diǎn),并在測區(qū)的兩端施測兩排高程點(diǎn),這樣的話,由于 GPS定位誤差而對攝影測量定位產(chǎn)生的影響幾乎可以消除。

4)采用精密單點(diǎn)定位技術(shù)來獲取攝站點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行GPS輔助空中三角測量,可以不用在地面布設(shè)基準(zhǔn)站,并且對作業(yè)區(qū)域的大小沒有要求,大大簡化了航攝的外業(yè)作業(yè)過程,節(jié)省了人力、物力和財(cái)力。

總之,采用精密單點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)行 GPS輔助空中三角測量不僅降低了航空攝影測量的成本,而且提高了航空攝影的靈活性。無地面控制的 GPS輔助空中三角測量可以滿足1∶25 000～1∶100 000中小比例尺地形圖測繪、地圖更新和一般航空遙感調(diào)查的精度要求,這在國家基礎(chǔ)資源調(diào)查和制圖方面必將發(fā)揮重要的作用,特別是在西部無圖區(qū)、人員不能到達(dá)的地區(qū)以及邊界等地方。

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The research on GPS-supported aerotriangulation without ground control based on PPP

WANG Hong-tao1,GUO Zeng-zhang1,2
(1.School of Surveying and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;2.Key Laborato ry of M ine Spatial Information Technologies State Bureau of Surveying and Mapping,Jiaozuo 454003,China)

The papermainly introduces how to acquire 3D coordinatesof Projection center w ith p recise point positioning,and the method of p recise point positioning technologies app lied in GPS-supported bundle block adjustment w ithout ground control.W ith the suppo rt of SWDC digital aerial system and the aerial data of Guilin,we do some relevant tests,and the experimental results show that GPS-suppo rted aerotriangulation w ithout ground control can satisfy the small scale cartography.

p recise point positioning;GPS-suppo rted bundle block adjustment;w ithout ground control;erro r model;differential GPS position

P228.4

A

1006-7949(2010)06-0009-04

2009-11-13

礦山空間信息技術(shù)國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(KLM 200914)

王宏濤(1979-),男,講師,碩士.

[責(zé)任編輯劉文霞]