應(yīng)用CORS的航空像控測量技術(shù)研究

焦朋濤++張光輝

摘 要：基于陜西某像控測量任務(wù)為背景，該文首先探討了將CORS技術(shù)應(yīng)用于像控測量的工作原理，進(jìn)而相信探討了具體的作業(yè)流程，包括前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、像控點(diǎn)的目標(biāo)選擇、像控點(diǎn)位置標(biāo)定和像控點(diǎn)的位置測量，內(nèi)業(yè)處理、像控測量誤差來源分析和像控測量的質(zhì)量保障措施等。結(jié)果表明：使用CORS不僅能達(dá)到像控點(diǎn)測量的精度要求，而且誤差分布均勻，測圖精度高，不存在誤差的積累。

關(guān)鍵詞：CORS 像控測量 誤差 質(zhì)量保證

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0078-02

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市面貌日新月異，土地利用現(xiàn)狀也隨之快速變化，各種城市發(fā)展決策、規(guī)劃管理需要依靠影像圖來提供更多、更直觀的城市空間信息。目前由于相片的采集成本越來越小，所以影像更新的速度也就越來越快；相應(yīng)的導(dǎo)致對相片的處理速度、精度和處理的面積的技術(shù)要求越來越高。某區(qū)通過獲取2008 年10月以后最新的高精度衛(wèi)星遙感影像，經(jīng)過正射糾正、勻色、配準(zhǔn)、裁剪等處理手段完成1：2000DOM數(shù)據(jù)庫，而該文主要論述正射糾正作業(yè)過程中影像圖的控制測量（以下簡稱“像控測量”）任務(wù)。

該區(qū)位于某省河網(wǎng)地帶，測區(qū)內(nèi)包括建成區(qū)、村莊、河流、湖泊、林地、島嶼等多種地形特征，在市區(qū)內(nèi)建筑物較多，周圍則以河流、樹林、山地為主，交通不便、地形復(fù)雜、通視條件較差，常規(guī)的分級控制測量方法基本難以在既定的工期內(nèi)完成任務(wù)。

1 CORS 應(yīng)用于像控測量的工作原理

像控測量是指根據(jù)相片在內(nèi)業(yè)設(shè)計布點(diǎn)方案并選定能在實(shí)地觀測的地物特征點(diǎn)，在實(shí)地根據(jù)劃定影像的灰度和形狀確定像控點(diǎn)的位置，外業(yè)實(shí)測求解該點(diǎn)三維坐標(biāo)的過程，該項目則是引入CORS中網(wǎng)絡(luò)RTK測量方法，實(shí)時獲得像控點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而提高作業(yè)質(zhì)量和效率。

CORS用于像控測量的動態(tài)模式為網(wǎng)絡(luò)RTK模式，該模式可直接獲得觀測點(diǎn)的坐標(biāo)，方便快捷，精度可靠。目前主要適用于低等級控制網(wǎng)和精度要求不高的測量應(yīng)用，比如四等以下的控制測量、圖根測量、海岸線測量、像控測量等。

2 作業(yè)流程

2.1 前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為了實(shí)現(xiàn)GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)的聯(lián)合平差與高程轉(zhuǎn)換，GPS網(wǎng)中必須有一定數(shù)量的已知三維地方坐標(biāo)和GPS坐標(biāo)控制點(diǎn)，其實(shí)際數(shù)量一般不低于3～4個（本項目采用了7個控制點(diǎn)），且要求分布均勻。如果控制點(diǎn)沒有高程，可從附近高精度水準(zhǔn)點(diǎn)引測。此外，為了更進(jìn)一步的驗(yàn)證平差結(jié)果，還要求有一定數(shù)量的已知點(diǎn)作為驗(yàn)證點(diǎn)。根據(jù)測區(qū)交通和地理環(huán)境信息，精心安排同步觀測計劃，既要保證設(shè)計的線路能夠順利在實(shí)地標(biāo)出，又要考慮所選像控點(diǎn)在實(shí)地?zé)o法觀測等情況，做好在附近找點(diǎn)的準(zhǔn)備，更要考慮如何省時高效地完成觀測任務(wù)。

2.2 像控點(diǎn)測量

根據(jù)獲取的影像圖，該區(qū)覆蓋了3個條帶的QuickBird影像，共9景數(shù)據(jù)需要做正射糾正，而正射糾正采用的像控點(diǎn)必須滿足2個基本條件：一是像控點(diǎn)必須分布均勻，二是每景像控點(diǎn)個數(shù)必須滿足微分多項式，根據(jù)該區(qū)的地形地貌特點(diǎn)本方案初步設(shè)計對于山區(qū)地段采用4次多項式、平原地區(qū)采用2次多項式來做正射糾正，4次多項式需要的控制點(diǎn)個數(shù)為15個以上，二次多項式需要的控制點(diǎn)個數(shù)為10個，為滿足不同條帶接邊限差，故不同條帶接邊處必須共用相同的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)（和相鄰景接邊處一般為3-4個），因此該項目測區(qū)均勻分布共約 80個點(diǎn)作為正射糾正的基礎(chǔ)控制點(diǎn)。

2.2.1 像控點(diǎn)的目標(biāo)選擇

像控點(diǎn)的目標(biāo)選擇是GPS像控測量中一個關(guān)鍵問題，內(nèi)業(yè)選點(diǎn)必須要考慮幾個方面：（1）像控點(diǎn)具有容易識別的特征，能在實(shí)地、影像圖上均都能明確辨認(rèn)；（2）像控點(diǎn)應(yīng)該具有相對永久固定的特征，不容易隨著城市建設(shè)頻繁變化；（3）像控點(diǎn)較理想的目標(biāo)是近于直角而且又近于水平的線狀地物的交點(diǎn)和地物拐角上，如道路交叉點(diǎn)、拐角點(diǎn)、圍墻或平臺的拐角點(diǎn)等；（4）像控點(diǎn)應(yīng)盡量避免選擇高電區(qū)、高建筑物區(qū)等帶有信號干擾、信號盲區(qū)的地方；（5）像控點(diǎn)附近交通應(yīng)較為理想。

2.2.2 像控點(diǎn)的位置標(biāo)定

相片由于像控點(diǎn)坐標(biāo)誤差的影響使相片邊緣產(chǎn)生的像點(diǎn)位移和影像變形比中心部分要嚴(yán)重。為了提高外業(yè)判讀刺點(diǎn)和內(nèi)業(yè)點(diǎn)位的測量精度，相片所選像控點(diǎn)的位置距相片邊緣要大于1～1.5cm。像控點(diǎn)選定之后，相片上要準(zhǔn)確標(biāo)示出它的位置。最常用的方法是用細(xì)針在像控點(diǎn)的影像上刺一小孔，小孔中心表示該點(diǎn)在相片的精確位置，刺孔不得超過0.1mm。刺點(diǎn)時要將相片影像與地物形狀仔細(xì)對照辨認(rèn)，點(diǎn)位刺出后，要實(shí)地檢查核對并做點(diǎn)之記。該點(diǎn)之記與控制點(diǎn)的點(diǎn)之記不同，主要是為了便于內(nèi)業(yè)人員判點(diǎn)。記錄中要包括點(diǎn)號、刺點(diǎn)位置文字說明，文字字頭朝北，可充分利用代碼記錄更多信息。在內(nèi)業(yè)工作中可以將這些現(xiàn)場的草圖描繪用AutoCAD進(jìn)行整飾與保存。

2.2.3 像控點(diǎn)的位置測量

（1）設(shè)備準(zhǔn)備與設(shè)置，采用網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)，在該項目只需要準(zhǔn)備2.2中所描述的用戶設(shè)備，即RTK接收機(jī)、接收天線、電源、手簿、通訊模塊（GPRS接入設(shè)備）即可，連接好設(shè)備后通過GPRS方式撥號接入系統(tǒng)，用CORS賬號登錄CORS系統(tǒng)，并進(jìn)行簡單的網(wǎng)絡(luò)、解算方式等設(shè)置，即可接入CORS系統(tǒng)。（2）野外點(diǎn)校正，像控測量中網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)測的坐標(biāo)為WGS-84大地坐標(biāo)系坐標(biāo)，而該項目需要的是城建坐標(biāo)系及西安80坐標(biāo)系成果。因此，必須通過觀測已知點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測來求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。（3）觀測與記錄，在該項目中，像控點(diǎn)一般取100個歷元觀測值的平均值作為觀測結(jié)果，每個像控點(diǎn)觀測3次，并取平均值作為該點(diǎn)的觀測結(jié)果。每個像控點(diǎn)的觀測均要按照《實(shí)時定位觀測記錄表》記錄，并在點(diǎn)位上做好標(biāo)記，用數(shù)據(jù)相機(jī)拍照正面、遠(yuǎn)、近景等3張照片。

觀測時有幾點(diǎn)要求：

（1）每點(diǎn)均須使用三腳架架設(shè)儀器且量取儀器高兩次，兩次讀數(shù)差不大于3mm，取中數(shù)輸入GPS接收機(jī)中。（2）觀測員在作業(yè)期間不得擅自離開測站，并應(yīng)防止儀器受震動和被移動，防止人為和其他物體靠近天線，遮擋衛(wèi)星信號。（3）兩次初始化成果須野外對比結(jié)果，比值為兩次初始化采集的最后一個歷元的空間坐標(biāo)，較差必須小于2；不符合時，加測一次。取較差滿足精度要求的兩次作為觀測成果，如果三次較差均超出精度指標(biāo)，則在其他時間段重新觀測。（4）遇到無信號情況處理，網(wǎng)絡(luò)RTK雖然比常規(guī)RTK作業(yè)信號要好，但是同樣也存在接收衛(wèi)星不理想的情況。在這種情況下，可以適當(dāng)在附近臨時調(diào)整像控點(diǎn)選點(diǎn)目標(biāo)，但是新選擇與原選擇的距離最好不要超過100m，避免導(dǎo)致像控點(diǎn)分布不均勻。

2.3 內(nèi)業(yè)處理

網(wǎng)絡(luò)RTK的另一個提高效率的表現(xiàn)在于內(nèi)外業(yè)一體化，相對于在外業(yè)過程中把內(nèi)業(yè)部分的計算（即數(shù)據(jù)后處理）工作已經(jīng)完成，因此，該項目的內(nèi)業(yè)工作主要有以下幾個內(nèi)容。

（1）觀測記錄的整理，觀測記錄的整理包括了觀測記錄的計算整理、像控點(diǎn)位置示意圖詳繪等，涉及到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后處理工作的需要將觀測原始坐標(biāo)文件按照固定的格式進(jìn)行簡單的編輯。（2）像控點(diǎn)平均值計算，如2.2.3所述，每個點(diǎn)觀測3次，所有單次初始化平均值求取平均值作為該點(diǎn)觀測成果。（3）坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換主要的兩種方式：一種在手簿軟件中錄入轉(zhuǎn)換參數(shù)實(shí)時轉(zhuǎn)換，另一種是外業(yè)觀測數(shù)據(jù)全部采用WGS84坐標(biāo)系，內(nèi)業(yè)后處理，采用計算機(jī)計算模式得出用戶所需的轉(zhuǎn)換參數(shù)以及對應(yīng)的坐標(biāo)系成果，兩種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式的原理都是一致的，只是轉(zhuǎn)換程序的載體不同而已。（4）高程解算，高程解算主要是通過CORS與省似大地水準(zhǔn)面結(jié)合應(yīng)用進(jìn)行的，即CORS一般采用省似大地水準(zhǔn)面成果作為高程求取方法。在進(jìn)行WGS84坐標(biāo)系下的約束平差之后得到控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)，將此大地坐標(biāo)值內(nèi)插到似大地水準(zhǔn)面模型中解算控制點(diǎn)的正常高程。（5）已知點(diǎn)檢測精度統(tǒng)計表。測區(qū)內(nèi)已有驗(yàn)證點(diǎn)與對應(yīng)的CORS測量值比較結(jié)果。

其中平面坐標(biāo)較差的最大值為3.3cm，高程較差的最大值為4.0cm，可以看出 CORS測量精度成果具有較高精度，完全滿足像控測量中0.05～1.0m的精度要求。

2.4 像控測量的誤差來源

根據(jù)像控測量的作業(yè)流程，像控測量的誤差來源主要有三個方面。

（1）選點(diǎn)誤差，主要來自于內(nèi)業(yè)人員對影像圖的判讀、圖上標(biāo)繪、刺點(diǎn)等所引起的誤差；（2）觀測誤差，主要有儀器對中誤差，觀測方法（觀測時長、觀測歷元數(shù)）引起的誤差；（3）CORS本身存在誤差，包括：與衛(wèi)星有關(guān)、信號傳播有關(guān)、儀器設(shè)備有關(guān)的誤差。

2.5 像控測量的質(zhì)量保證措施

像控測量是一項大面積的測繪工作，質(zhì)量控制應(yīng)貫穿全過程作業(yè)中，以下是針對應(yīng)用CORS作業(yè)模式下測量精度的檢驗(yàn)措施。

（1）已知點(diǎn)的檢測，在測區(qū)內(nèi)找到已有的控制點(diǎn)，我們可以用CORS對其進(jìn)行觀測及轉(zhuǎn)換參數(shù)的修正；（2）像控點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的可采用網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行點(diǎn)位重復(fù)測量精度檢查；（3）對于較近的像控點(diǎn)可以用常規(guī)儀器（全站儀、水準(zhǔn)儀）進(jìn)行相對精度的檢查，包括兩點(diǎn)之間高差檢查、邊長檢查等。

網(wǎng)絡(luò)RTK相對于其他測量方法的優(yōu)勢通過該項目的實(shí)施，結(jié)合CORS建設(shè)理論知識，可以得到CORS在像控測量中對比常規(guī)導(dǎo)線測量、靜態(tài)GPS測量、常規(guī)RTK測量都有著很大的差異，這種差異主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）具有跨行業(yè)特征，可面向不同類型的用戶，不再局限于測繪領(lǐng)域及設(shè)站單位；（2）可同時滿足不同需求的用戶在實(shí)時性方面的差異，能同時提供RTK、DGPS、靜態(tài)或動態(tài)后處理、及現(xiàn)場高精度準(zhǔn)實(shí)時定位的數(shù)據(jù)服務(wù)；（3）參考站網(wǎng)的建立可部分取代常規(guī)測量布控；（4）能兼顧不同的用戶對定位精度指標(biāo)要求，提供覆蓋m級、dm級、cm級的數(shù)據(jù)；（5）覆蓋范圍廣、作業(yè)效率高，一次投資長期受益的特點(diǎn)。

3 結(jié)語

通過該項目的實(shí)施，與傳統(tǒng)像控測量相比，主要總結(jié)了使用CORS以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：（1）精度高，使用CORS不僅能達(dá)到像控點(diǎn)測量的精度要求，而且誤差分布均勻，測圖精度高，不存在誤差的積累；（2）單機(jī)作業(yè)，完全可以滿足大比例尺航測成圖的要求。無需重復(fù)架設(shè)基準(zhǔn)站，不受基站與流動站距離影響，做到真正的單機(jī)作業(yè)；（3）內(nèi)外業(yè)一體化，可以根據(jù)測區(qū)的實(shí)際情況選擇合適的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解方法。參與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換只需要對測區(qū)內(nèi)均勻分布的3個或3個以上的控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測即可求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，計算可以由手簿自動完成；（4）外業(yè)工作強(qiáng)度減低，在滿足精度要求的情況下，盡可能的減少外業(yè)的工作強(qiáng)度。通過實(shí)際測量結(jié)果來看，CORS應(yīng)用于像控測量，操作簡便，靈活方便，不但可以大幅度提高測量速度，而且能夠大大減小作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，這在像控測量中尤為顯著；（5）效益好，主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)效益和社會效益兩個方面。

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