基于呼和浩特某航攝項目的空三測量研究

蘇永奇

摘 要：GPS輔助空中三角測量即是基于載波相位差分GPS動態(tài)定位技術(shù)或精密單點定位技術(shù)獲取航攝儀曝光時刻攝影中心的三維坐標，將其作為觀測值參與攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差，采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和算法整體解算物方點位和像片外方位元素，并對其精度進行評定的技術(shù)和方法。GPS輔助空中三角測量是目前國內(nèi)在中、小比例尺及困難地區(qū)成圖航空攝影測量一般采用的模式。該文結(jié)合呼和浩特航空攝影項目，對GPS輔助空中三角測量在技術(shù)方案、飛行實施、外方位元素解算以及精度評定幾個方面作闡述和分析。

關(guān)鍵詞：GPS輔助空中三角測量 攝影測量 區(qū)域網(wǎng)平差 精度

中圖分類號：P227 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（b）-0021-02

經(jīng)過20多年的理論研究、實際試驗和大量的生產(chǎn)實踐，我國建立了較為完整的GPS輔助空中三角測量理論，從機載GPS相位中心與航攝儀投影中心的幾何關(guān)系出發(fā)，建立了GPS攝站坐標觀測方程，將其引入攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差，構(gòu)建了GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的完整數(shù)學(xué)模型；自行研制了兩套具有GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差功能的攝影測量加密軟件WuCAPS（Wuhan Combined Adjustment Program System）和Geolord-AT；建立了比較完整的GPS輔助空中三角測量技術(shù)框架，制定了相應(yīng)的國家測繪行業(yè)標準，用于指導(dǎo)我國的航空攝影測量生產(chǎn)。這些已經(jīng)極大的簡化了航空攝影測量作業(yè)工序，形成了具有中國特色的GPS航空攝影測量實用生產(chǎn)技術(shù)體系。

1 技術(shù)方案及飛行實施

GPS輔助空中三角測量前期生產(chǎn)過程包含航攝設(shè)計、地面控制、航攝飛行、航后GPS數(shù)據(jù)檢核及預(yù)處理等幾個方面，后期內(nèi)業(yè)處理主要是帶GPS數(shù)據(jù)的區(qū)域網(wǎng)平差過程（如圖1）。下面筆者以本部執(zhí)行的呼和浩特航攝項目為實例對GPS輔助空中三角測量從技術(shù)設(shè)計以及飛行過程進行闡述。

1.1 地面控制方案

GPS輔助空中三角測量地面控制的方案常見的有兩種，見圖2。地面控制部分按照GB/T 18314-2001《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》除需要進行地面基站的測設(shè)外，還要進行航攝期間基站的同步觀測和平高點、檢測點、水準點測量期間基準站的連續(xù)觀測、加密分區(qū)四角平高點的布設(shè)和測量、精度驗證區(qū)檢測點的選測以及水準點的GPS測量，并繪制點注記。

對空地標點采用四角布點法，按照《GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)定》點位布設(shè)在構(gòu)架航線與加密分區(qū)首末測圖航線重疊處，位于測區(qū)自由圖邊處的地標點位應(yīng)盡量布設(shè)在圖廓線外。為了檢驗GPS輔助空中三角測量的精度，航攝像片提供后在檢測樣區(qū)內(nèi)選刺30個點進行檢測，所選檢測點除滿足GPS觀測要求外，還選擇在像片上影像清楚的明顯地物點上，并均勻分布于平地、丘陵和山地，使野外檢測點有較強的地形類別代表性。對于上述所有點位，都要做GPS測量取得其WGS-84坐標下的精確坐標。

1.2 航攝技術(shù)設(shè)計

按照GB/T 19294-2003《航空攝影技術(shù)設(shè)計規(guī)范》以及GB/T 15661《1：5000 1：10000 1：25000 1：50000 1：100000地形圖航空攝影規(guī)范》，我們充分考慮地形因素將該攝區(qū)分成了若干個加密分區(qū)，并通過加密分區(qū)四角平高控制點加構(gòu)架航線的地面控制方案來改正GPS攝站的坐標系統(tǒng)漂移誤差控制精度。構(gòu)架航線垂直于測圖航線，設(shè)計的基本要求是比測圖航線的比例尺小20%左右，航向重疊不小于80%，并且延長出航攝區(qū)域4～6條基線，控制航線交叉或銜接處要有不少于四條基線的重疊。

四角平高點位置及時報予地面控制方案執(zhí)行部門并納入其地面測量技術(shù)設(shè)計中，也是在實際飛行中能夠觀察到的對空地標點。

1.3 航空攝影飛行實施安排

在實際飛行實施過程中，保證地面基準站與機載GPS同步觀測。每個架次準備飛行前，通知地面基準站開機，這樣就保證了起飛前機載GPS接收機靜態(tài)觀測有正常的基站數(shù)據(jù)參考。起飛前進行GPS接收機的初始化測量，采用GB/T 18314-2001中規(guī)定的GPS靜態(tài)定位測量方法，其間，應(yīng)嚴格防止各種原因遮擋機載GPS天線造成的GPS信號失鎖。記錄好GPS接收機的初始化時間以及靜態(tài)觀測起止時間。

航攝飛行作業(yè)中采用GB/T 15661對飛行和攝影質(zhì)量的要求確保GPS接收機正常工作，并按GPS輔助航攝飛行記錄單對地試、前試、每條測線以及后試對應(yīng)的首末MARK號碼以及航片數(shù)做好記錄。在航行過程中，要嚴格按照規(guī)范要求執(zhí)行，根據(jù)精度控制的相關(guān)理論要求，同一加密分區(qū)構(gòu)架航線與首末測圖航線不能斷開飛行，但是為保證飛行效率，飛行過程中可以靈活調(diào)節(jié)測圖航線與控制航線的飛行順序；為了保證攝影以及數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，航行過程中對設(shè)備的操作以及飛行方式要充分掌握好，飛機出航線后轉(zhuǎn)彎坡度不要太大以免造成對GPS天線的遮擋而導(dǎo)致GPS信號失鎖，影響GPS數(shù)據(jù)采集。

航攝飛行結(jié)束落地不動后，進行GPS靜態(tài)觀測，觀測時間10 min左右。飛行結(jié)束后及時下載數(shù)據(jù)做GPS數(shù)據(jù)檢核及預(yù)處理，檢查機載設(shè)備數(shù)據(jù)記錄的完備性，并備份數(shù)據(jù)。關(guān)于航攝飛行漏洞的補攝，尤其要注意的就是在敷設(shè)構(gòu)架航線的測區(qū)，補攝航線兩端必須超出構(gòu)架航線外至少一條基線。

2 像片外方位元素的獲取及樣區(qū)加密精度驗證

GPS輔助空中三角測量依然遵循傳統(tǒng)的空三加密工序，從投影中心與機載GPS天線相位中心幾何關(guān)系出發(fā)，將差分GPS獲取的攝站點坐標，作為帶權(quán)觀測值引入自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差中進行GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)與攝影測量觀測值的聯(lián)合平差，采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和算法整體解算像片的外方位元素和加密點坐標，但是具有GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差功能的攝影測量加密軟件WuCAPS極大的簡化了操作流程。WuCAPS是在Windows環(huán)境下，用面向?qū)ο蟮腣isual C++和Fortran語言開發(fā)的一個用于攝影測量與遙感高精度點位測定軟件包，它以共線條件方程為核心，融合當代基于統(tǒng)計理論的誤差隨機模型和理論上最為嚴密的自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差函數(shù)模型于一體，以程序?qū)崿F(xiàn)了光束法區(qū)域網(wǎng)平差一整套算法。目前，該系統(tǒng)正在測繪生產(chǎn)單位、科研部門、和學(xué)校教學(xué)中廣泛使用。

為了測定GPS輔助空中三角測量航攝成果的精度，我們在樣區(qū)內(nèi)布設(shè)了布設(shè)30個檢測點（點位分布如圖五所示）。所有點都采用GPS靜態(tài)測量方法進行測量，得到WGS84下的大地坐標及其橢球高，并轉(zhuǎn)換到西安80坐標系和1985國家高程基準下的坐標。利用武漢大學(xué)自行研發(fā)的WuCAPS軟件進行帶四角高程控制的GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差得到樣區(qū)全部像片的外方位元素和加密點的地面坐標。利用30個檢測點評定的加密成果精度如表1，由表1顯示來，檢查點精度滿足GB/T 13990-1992《1：5000、1：10000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》成圖精度要求，1：5000航測成圖，檢查點不符值：平面<2.5m，高程<2.0m（山區(qū)地形）。說明GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差得到的外方位元素精度可以滿足后續(xù)內(nèi)業(yè)加密和測圖等工序的精度檢查和比較使用。

3 結(jié)語

綜上所述，GPS輔助空中三角測量可以大量減少地面控制點，而且?guī)У孛婵刂频腉PS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差精度能夠滿足1：5000地形圖生產(chǎn)。無論平地區(qū)域還是丘陵地、山地區(qū)域，采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差，精度達能到自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差的精度。

GPS輔助空中三角測量已經(jīng)成為一種極為實用、經(jīng)濟的攝影測量加密方法，其在測繪生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)逐漸改變了航空攝影測量一貫遵循的“航空攝影—外業(yè)控制聯(lián)測—內(nèi)業(yè)測圖”的長周期作業(yè)模式。它在縮短航測成圖周期、節(jié)省外業(yè)控制工作量、減輕勞動強度等方面已經(jīng)創(chuàng)造出了巨大的經(jīng)濟和社會效益。

參考文獻

[1] 袁修孝.GPS輔助空中三角測量原理及應(yīng)用[M].北京：測繪出版社，2001.

[2] GB/T 18314-2001，全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范[S].

[3] GB/T 19294-2003，航空攝影技術(shù)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] GB/T 15661，1：5000 1：10000 1：25000 1：50000 1：100000地形圖航空攝影規(guī)范[S].

[5] GB/T 13990-1992，1：5000、1：10000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范[S].