GPS輔助航空攝影測量在水利水電工程中的應(yīng)用

孔維旺

摘要：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，各種高科技測繪產(chǎn)品和測繪技術(shù)已應(yīng)用于各類測繪工程，為測繪事業(yè)的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。遙感測繪技術(shù)就是其中之一，尤其以航空攝影測量（以下簡稱“航測”）技術(shù)最為突出。水利水電工程多在峽谷水域開展，且對工期要求越來越緊張，傳統(tǒng)測量技術(shù)已很難滿足水利水電工程設(shè)計階段地形圖測繪需求，航測技術(shù)就可以完美的解決此難題，本論述通過航測技術(shù)在《古爾圖河山區(qū)河段規(guī)劃建設(shè)工程》中的應(yīng)用為例，論述航測的現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：航空攝影測量;水利水電工程;古爾圖河;GPS輔助空中三角測量

中圖分類號：P231.2???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1航空攝影測量的定義及發(fā)展意義

1.1航空攝影測量

航空攝影測量是利用航空平臺搭載攝影儀，從空中對地表進(jìn)行攝影，按照測區(qū)范圍、設(shè)計比例尺和重疊度形成地表影像的技術(shù)，簡稱航測。航測工作的實(shí)施一般包含航測計劃制訂、飛行申請、空中攝影、影像處理、立體采集、地形圖編繪、質(zhì)量檢查。

航測工作開展前，首先，依據(jù)“規(guī)范”編寫項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計書;其次，制訂航測計劃，根據(jù)測圖范圍、地形地貌等，確定航測分區(qū)、航測基準(zhǔn)面以及航線敷設(shè)方式。

為了測繪地形圖以及獲取地面信息的需要，空中攝影要按航測計劃的要求進(jìn)行，并確保獲得完整的立體覆蓋和航測影像的質(zhì)量。

1.2航空攝影測量發(fā)展的意義

隨著測繪事業(yè)的發(fā)展和需求，大比例尺航測成圖技術(shù)的應(yīng)用在測繪工程中得到快速的推廣和應(yīng)用，在工程建設(shè)和城市規(guī)劃及重大設(shè)施的設(shè)計與建設(shè)中起到了積極作用。航測技術(shù)已逐步取代傳統(tǒng)測量方法，成為現(xiàn)代測繪的主流技術(shù)，對測繪行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

2航測技術(shù)的應(yīng)用

2.1測區(qū)自然地理概況

為保障《古爾圖河山區(qū)河段規(guī)劃建設(shè)工程》設(shè)計需求，開展“古爾圖河山區(qū)河段數(shù)字航空攝影測量”任務(wù)，項(xiàng)目位于古爾圖鎮(zhèn)西南約20 km，距離烏蘇市約90 km 的準(zhǔn)噶爾盆地南緣。本項(xiàng)目涉及河段山高溝深，河床斷面接近“V”型，地形及其復(fù)雜，測繪難度極大，常規(guī)測量手段無法實(shí)施，為保證本項(xiàng)目按期完成，采用航測技術(shù)。

2.2航空攝影

2.2.1作業(yè)流程

（1）根據(jù)測圖范圍劃分航區(qū)

本工程測圖范圍為沿古爾圖新渠首上游的河道，長約23 km，測繪范圍為此段河道中泓線兩側(cè)各1 km 范圍內(nèi)的地形圖。根據(jù)河道的走向，劃分了6個航攝分區(qū)。依據(jù)分區(qū)地形起伏、飛行安全條件等確定分區(qū)基準(zhǔn)面高度，以分區(qū)內(nèi)具代表性的高點(diǎn)平均高程與低點(diǎn)平均高程之和的1/2求得。

本測區(qū)呈帶狀分布，寬度為2 km，每個航區(qū)設(shè)計1條航線即可滿足測圖需求，航線設(shè)計參數(shù)計算見表1所列，航線設(shè)計示意圖如圖1所示。

（2）航攝儀的選擇

由于該測區(qū)地形為高山地，高差較大，采用同一主距（82.2 mm）的 SWDC-4數(shù)字航攝儀完成此次航攝任務(wù)。SWDC相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表2所列。

（3）飛行質(zhì)量

飛行質(zhì)量按以下原則執(zhí)行：

像片重疊度：航向重疊度應(yīng)大于53%，且其相鄰像對的航向重疊度大于58%，旁向重疊度大于13%，且不得連續(xù)出現(xiàn)。

像片旋偏角：1∶2000測圖旋偏角最大為15°，在同一航線上連續(xù)達(dá)到最大旋偏角的像片數(shù)應(yīng)小于三片，在一個攝區(qū)內(nèi)最大旋偏角的數(shù)量不得大于像片總數(shù)的4%。

航線彎曲度：應(yīng)小于1%。

航高：同一航線上相鄰像片的航高差應(yīng)小于30 m，最大航高與最小航高之差應(yīng)小于50 m。

（4）影像質(zhì)量

在保證足夠曝光量的情況下，為了減小像點(diǎn)位移、鏡頭漸暈的影響，提高影像的信噪比，應(yīng)綜合考慮航攝時的氣象條件、航高等因素，選擇最佳的曝光參數(shù)。一般情況下，可以按照下述順序進(jìn)行設(shè)置：足夠短的曝光時間滿足像點(diǎn)位移限制;適當(dāng)縮小光圈以減小漸暈和增加景深。

2.2.2地面分辨率（GSD）的確定

為滿足古爾圖河山區(qū)河段1∶2000比例尺地形圖測量的精度要求，確定地面分辨率為0.17 m。

2.2.3實(shí)施方案

本次數(shù)字航空攝影采用基于GPS輔助空中三角測量技術(shù)的攝影方案，GPS輔助空中三角測量流程如圖2所示。

（1）定位系統(tǒng)

航攝定位系統(tǒng)，配置Trimble 5700 GPS、高性能穩(wěn)定計算機(jī)。飛機(jī)機(jī)艙頂部安裝GPS天線，前置放大器和天線電纜連接后安置在機(jī)艙內(nèi)，并與機(jī)艙內(nèi)的 GPS 接收機(jī)進(jìn)行連接。

（2）航攝飛行

為了保證 GPS數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在航攝飛行中盡量保持飛機(jī)姿態(tài)的平穩(wěn)，轉(zhuǎn)彎半徑要大，飛機(jī)傾斜角不得大于5°，以防止GPS信號失鎖。

（3）影像數(shù)據(jù)處理

影像數(shù)據(jù)處理主要包括畸變差改正、勻光處理、影像拼接、勻色處理等，通過處理得到SWDC-4數(shù)字航攝儀航測成果，作為后續(xù)內(nèi)業(yè)航測數(shù)字化成圖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

畸變差改正：依據(jù)像機(jī)檢校結(jié)果，利用畸變差改正軟件，進(jìn)行畸變差改正，得到無畸變差的航攝影像。

勻光處理：由于光照不均勻等原因，像片通常存在漸暈、色差等多種形式影像灰階不均，應(yīng)用 DUX勻光軟件可對其進(jìn)行消除。

影像拼接：應(yīng)用虛擬中心投影影像拼接軟件，把成對的上下兩個或四象限位置的四個同名曝光點(diǎn)的影像拼接成一個虛擬中心投影影像，以滿足數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)的采集要求。

勻色處理：為了保持整個攝區(qū)影像色彩的協(xié)調(diào)一致，影像拼接完成后，需對攝區(qū)內(nèi)影像進(jìn)行勻色處理。采用 Photoshop 軟件的曲線調(diào)整方式調(diào)整單幀影像的顏色、亮度等參數(shù)，以航帶為單位，按相鄰影像重疊區(qū)域進(jìn)行色彩一致性調(diào)整。

（4）攝站點(diǎn)坐標(biāo)解算

機(jī)載Trimble 5700 GPS采集的原始觀測數(shù)據(jù)為T01文件，通過軟件轉(zhuǎn)換為dat文件。

通過GPS概略處理，能夠?qū)PS原始觀測dat文件轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式（Rinex）的O文件和N文件，并分離出觸發(fā)事件（Event）TXT 文件，為 GPS 數(shù)據(jù)精處理（PPP解算）和Mark點(diǎn)內(nèi)插做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

應(yīng)用Trip 軟件，采用精密單點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)行 GPS 數(shù)據(jù)處理，得到攝站點(diǎn)坐標(biāo)文件。

2.3像片控制測量

2.3.1像控點(diǎn)的布設(shè)及選刺

像控點(diǎn)采用每隔12～15條基線布設(shè)一對平高點(diǎn)，野外控制點(diǎn)應(yīng)以判點(diǎn)為主，刺點(diǎn)為輔，平高控制點(diǎn)的實(shí)地判點(diǎn)精度為圖上0.1 mm，點(diǎn)位目標(biāo)應(yīng)選在地面高程變化較小，影像清晰的明顯地物上，宜選在交角良好的細(xì)小線狀地物交點(diǎn)、明顯地物折角頂點(diǎn)。

2.3.2像控點(diǎn)的測量精度

1∶2000地形圖像片平高控制點(diǎn)相對于鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的平面位置中誤差不得超過相應(yīng)比例尺地形圖地物點(diǎn)平面位置中誤差的1/5。高程中誤差不的超過相應(yīng)等級地形圖基本等高距的1/10。

2.3.3像控點(diǎn)的平面、高程測量

平面和高程測量主要采用單基準(zhǔn)站 RTK 測量、 GPS靜態(tài)測量技術(shù)施測。

山體陡峻、溝谷縱橫人員行進(jìn)困難處可采用交會法實(shí)測，山地、高山地交會邊長不應(yīng)大于圖上800 mm （即：1.6 km）;前方交會應(yīng)采用3組圖形計算，3組點(diǎn)位坐標(biāo)較差不應(yīng)超過圖上±0.3 mm（即：±0.6 m），高程較差不應(yīng)超過圖上±0.5 mm（即：±1.0 m）。各交會點(diǎn)的交會角不應(yīng)小于30°或大于150°，交會起算點(diǎn)不能在一條直線附近。

2.4航測內(nèi)業(yè)

2.4.1作業(yè)方法及基本要求

（1）空中三角測量采用Geolord—AT 自動空中三角測量軟件進(jìn)行量測并整體平差，空三作業(yè)各項(xiàng)限差按“航內(nèi)規(guī)范”規(guī)定執(zhí)行。

（2）定向限差要求見表3所列。

2.4.2數(shù)字線劃圖（DLG）數(shù)據(jù)生產(chǎn)

（1）技術(shù)路線與作業(yè)流程

采用全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站JX4-G進(jìn)行立體測圖數(shù)據(jù)的采集;采用Cmap地形圖編輯軟件進(jìn)行DLG采集數(shù)據(jù)要素的圖形編輯。數(shù)字線劃圖（DLG）數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程如圖3所示。

（2）地物要素的表示與取舍

地物要素表示與取舍應(yīng)以滿足用圖需要為前提，以要素重要程度，圖面載負(fù)量，以及保持實(shí)地特征、兼顧地域特點(diǎn)為原則。表示與取舍應(yīng)符合“圖式”的有關(guān)規(guī)定。

（3）數(shù)據(jù)采集基本要求

立體模型的測圖范圍不應(yīng)超出該模型測圖定向點(diǎn)連線外1 cm，且離像片邊緣不小于1.5 cm。自由圖邊的圖上應(yīng)測出圖廓外1 cm。立體測圖對能夠準(zhǔn)確判讀的地物、地貌要素，應(yīng)全部采集，對不能準(zhǔn)確判讀的要素（包括隱蔽地區(qū)、陰影部分和小的獨(dú)立地物）應(yīng)盡量采集，并做出標(biāo)記，由調(diào)繪確認(rèn)。

（4）線劃圖（DLG）內(nèi)業(yè)后期編輯作業(yè)

圖形編輯采用 CMAP地圖編輯軟件，其圖件文件為DWG格式。圖形編輯在航測內(nèi)業(yè)采集數(shù)據(jù)源及外業(yè)調(diào)繪的各類信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行。各種注記的大小、層、色、線寬按相應(yīng)要求進(jìn)行。在編輯過程中，要做到符號規(guī)范、地物、地貌關(guān)系恰當(dāng)、合理，各要素的關(guān)系協(xié)調(diào)。

（5）立體量測數(shù)據(jù)其他要求

內(nèi)業(yè)成圖過程中如果立體模型存在變形和視差，會導(dǎo)致測圖時模型與模型接邊處等高線接邊差較大。凡遇上述情況時在認(rèn)真檢查模型定向的基礎(chǔ)上以模型控制點(diǎn)連線定義作業(yè)區(qū)范圍，按規(guī)范的要求嚴(yán)禁超描作業(yè)并對模型與模型接邊處等高線接邊差較大處進(jìn)行過渡，測圖時，曲線繪制按周圍地勢整體考慮，即忽略變形處。

地物一般采用判讀法測繪，地物的性質(zhì)、數(shù)量以調(diào)繪為準(zhǔn)，位置形狀以模型為準(zhǔn)，避免出現(xiàn)錯漏、位移、變形。如遇調(diào)繪片與模型嚴(yán)重不符時，由外業(yè)有關(guān)人員確認(rèn)后，內(nèi)業(yè)可根據(jù)外業(yè)意見測繪地物、地貌。

（6）圖形數(shù)據(jù)編輯

依照要素選取原則對數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，做到不失真、主次有別、層次分明，要素不得重復(fù)數(shù)字化，全面檢查和修改各類定位錯誤、遺漏、拓?fù)溴e誤、圖層錯誤、屬性錯誤、要素關(guān)系錯誤、幾何圖形問題等錯、漏現(xiàn)象。

2.5地形圖數(shù)學(xué)精度檢測

對地形圖分幅圖按比例抽樣進(jìn)行外業(yè)檢測。測區(qū)范圍內(nèi)檢測圖幅均勻分布，檢測點(diǎn)每幅圖內(nèi)20～50點(diǎn)，外業(yè)檢測采用RTK技術(shù)進(jìn)行，形成外業(yè)檢測點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件，作精度統(tǒng)計。因本測區(qū)規(guī)則地物極為稀少，平面精度檢測條件不足，只對高程精度進(jìn)行檢測，經(jīng)檢測地形圖圖幅內(nèi)等高線高程中誤差為：±0.7 m ，小于規(guī)范限差±2.0 m 的要求，由精度可以看出地形圖數(shù)學(xué)精度良好，成果可靠，最后輸出地形圖提供設(shè)計人員使用。

3結(jié)束語

本論述是基于航空攝影測量技術(shù)，在古爾圖河山區(qū)河段規(guī)劃建設(shè)工程中地形圖的測繪工作中的應(yīng)用，論述航空攝影測量技術(shù)的特點(diǎn)及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

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