GPS輔助空三測(cè)量的應(yīng)用案例分析

郭燕平++王永秋

摘 要：GPS輔助空中三角測(cè)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(cè)量一般采用的模式。該文結(jié)合湖北航空攝影項(xiàng)目，對(duì)GPS輔助空中三角測(cè)量在技術(shù)方案、飛行實(shí)施、外方位元素解算以及精度評(píng)定幾個(gè)方面作闡述和分析。

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

中圖分類號(hào)：P23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（c）-0053-02

GPS輔助空中三角測(cè)量即是基于載波相位差分GPS動(dòng)態(tài)定位技術(shù)或精密單點(diǎn)定位技術(shù)獲取航攝儀曝光時(shí)刻攝影中心的三維坐標(biāo)，將其作為觀測(cè)值參與攝影測(cè)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(diǎn)位和像片外方位元素，并對(duì)其精度進(jìn)行評(píng)定的技術(shù)和方法。

經(jīng)過20多年的理論研究、實(shí)際試驗(yàn)和大量的生產(chǎn)實(shí)踐，我國建立了較為完整的GPS輔助空中三角測(cè)量理論，從機(jī)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(biāo)觀測(cè)方程，將其引入攝影測(cè)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(cè)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(cè)量技術(shù)框架，制定了相應(yīng)的國家測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用于指導(dǎo)我國的航空攝影測(cè)量生產(chǎn)。這些已經(jīng)極大的簡(jiǎn)化了航空攝影測(cè)量作業(yè)工序，形成了具有中國特色的GPS航空攝影測(cè)量實(shí)用生產(chǎn)技術(shù)體系。

1 技術(shù)方案及飛行實(shí)施

GPS輔助空中三角測(cè)量前期生產(chǎn)過程包含航攝設(shè)計(jì)、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(gè)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)行的湖北航攝項(xiàng)目為實(shí)例對(duì)GPS輔助空中三角測(cè)量從技術(shù)設(shè)計(jì)以及飛行過程進(jìn)行闡述。

1.1 地面控制方案

GPS輔助空中三角測(cè)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(cè)量規(guī)范》除需要進(jìn)行地面基站的測(cè)設(shè)外，還要進(jìn)行航攝期間基站的同步觀測(cè)和平高點(diǎn)、檢測(cè)點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量期間基準(zhǔn)站的連續(xù)觀測(cè)、加密分區(qū)四角平高點(diǎn)的布設(shè)和測(cè)量、精度驗(yàn)證區(qū)檢測(cè)點(diǎn)的選測(cè)以及水準(zhǔn)點(diǎn)的GPS測(cè)量，并繪制點(diǎn)之記。

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

1.2 航攝技術(shù)設(shè)計(jì)

按照GB/T 19294-2003《航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)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》，該研究者充分考慮地形因素將該攝區(qū)分成了若干個(gè)加密分區(qū)，并通過加密分區(qū)四角平高控制點(diǎn)加構(gòu)架航線的地面控制方案來改正GPS攝站的坐標(biāo)系統(tǒng)漂移誤差控制精度。構(gòu)架航線垂直于測(cè)圖航線，設(shè)計(jì)的基本要求是比測(cè)圖航線的比例尺小20%左右，航向重疊不小于80%，并且延長(zhǎng)出航攝區(qū)域4到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(diǎn)位置及時(shí)報(bào)予地面控制方案執(zhí)行部門并納入其地面測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)中，也是在實(shí)際飛行中能夠觀察到的對(duì)空地標(biāo)點(diǎn)。

1.3 航空攝影飛行實(shí)施安排

在實(shí)際飛行實(shí)施過程中，保證地面基準(zhǔn)站與機(jī)載GPS同步觀測(cè)。每個(gè)架次準(zhǔn)備飛行前，通知地面基準(zhǔn)站開機(jī)，這樣就保證了起飛前機(jī)載GPS接收機(jī)靜態(tài)觀測(cè)有正常的基站數(shù)據(jù)參考。起飛前進(jìn)行GPS接收機(jī)的初始化測(cè)量，采用GB/T 18314-2001中規(guī)定的GPS靜態(tài)定位測(cè)量方法，其間，應(yīng)嚴(yán)格防止各種原因遮擋機(jī)載GPS天線造成的GPS信號(hào)失鎖。記錄好GPS接收機(jī)的初始化時(shí)間以及靜態(tài)觀測(cè)起止時(shí)間。

航攝飛行作業(yè)中采用GB/T 15661對(duì)飛行和攝影質(zhì)量的要求確保GPS接收機(jī)正常工作，并按GPS輔助航攝飛行記錄單對(duì)地試、前試、每條測(cè)線以及后試對(duì)應(yīng)的首末MARK號(hào)碼以及航片數(shù)做好記錄。在航行過程中，要嚴(yán)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(cè)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(cè)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(duì)設(shè)備的操作以及飛行方式要充分掌握好，飛機(jī)出航線后轉(zhuǎn)彎坡度不要太大以免造成對(duì)GPS天線的遮擋而導(dǎo)致GPS信號(hào)失鎖，影響GPS數(shù)據(jù)采集。

航攝飛行結(jié)束落地不動(dòng)后，進(jìn)行GPS靜態(tài)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間10分鐘左右。飛行結(jié)束后及時(shí)下載數(shù)據(jù)做GPS數(shù)據(jù)檢核及預(yù)處理，檢查機(jī)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(bǔ)攝，尤其要注意的就是在敷設(shè)構(gòu)架航線的測(cè)區(qū)，補(bǔ)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(yàn)證

GPS輔助空中三角測(cè)量依然遵循傳統(tǒng)的空三加密工序，從投影中心與機(jī)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(diǎn)坐標(biāo)，作為帶權(quán)觀測(cè)值引入自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差中進(jìn)行GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)與攝影測(cè)量觀測(cè)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(diǎn)坐標(biāo)，但是具有GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差功能的攝影測(cè)量加密軟件WuCAPS極大的簡(jiǎn)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(gè)用于攝影測(cè)量與遙感高精度點(diǎn)位測(cè)定軟件包，它以共線條件方程為核心，融合當(dāng)代基于統(tǒng)計(jì)理論的誤差隨機(jī)模型和理論上最為嚴(yán)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(cè)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(cè)定GPS輔助空中三角測(cè)量航攝成果的精度，該研究者在樣區(qū)內(nèi)布設(shè)了布設(shè)30個(gè)檢測(cè)點(diǎn)（點(diǎn)位分布如圖五所示）。所有點(diǎn)都采用GPS靜態(tài)測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，得到WGS84下的大地坐標(biāo)及其橢球高，并轉(zhuǎn)換到西安80坐標(biāo)系和1985國家高程基準(zhǔn)下的坐標(biāo)。利用武漢大學(xué)自行研發(fā)的WuCAPS軟件進(jìn)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(diǎn)的地面坐標(biāo)。利用30個(gè)檢測(cè)點(diǎn)評(píng)定的加密成果精度如表1，由表1顯示來，檢查點(diǎn)精度滿足GB/T 13990-1992《1：5000、1：10000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》成圖精度要求，1：5000航測(cè)成圖，檢查點(diǎn)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(cè)圖等工序的精度檢查和比較使用。

3 綜述

綜上所述，GPS輔助空中三角測(cè)量可以大量減少地面控制點(diǎn)，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(dá)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(cè)量已經(jīng)成為一種極為實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的攝影測(cè)量加密方法，其在測(cè)繪生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)逐漸改變了航空攝影測(cè)量一貫遵循的“航空攝影—外業(yè)控制聯(lián)測(cè)—內(nèi)業(yè)測(cè)圖”的長(zhǎng)周期作業(yè)模式。它在縮短航測(cè)成圖周期、節(jié)省外業(yè)控制工作量、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面已經(jīng)創(chuàng)造出了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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