基于 S WDC的青藏高原大比例尺航空攝影研究

李 峰

(中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院,北京 100039)

基于 S WDC的青藏高原大比例尺航空攝影研究

李 峰

(中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院,北京 100039)

通過用輕型小飛機(jī)搭載國(guó)產(chǎn) S WDC系列相機(jī)在青藏高原上進(jìn)行航空攝影的研究,采用 GPS輔助空三、地面布設(shè)稀少控制點(diǎn)的方法,證明在青藏高原可以進(jìn)行大比例尺航空攝影任務(wù),從而解決了在高海拔地區(qū)采用常規(guī)方式測(cè)圖任務(wù)繁重的難題。它可以作為我國(guó)西部測(cè)圖工作的參考。

S WDC;精密單點(diǎn)定位;GPS輔助空三;稀少控制點(diǎn)

一、前 言

我國(guó)測(cè)繪行業(yè)近十幾年來(lái)發(fā)展迅猛,但仍不能滿足各行業(yè)對(duì)空間信息數(shù)據(jù)的需求,而對(duì)地觀測(cè)技術(shù)因其作業(yè)方式落后,自動(dòng)化、智能化程度低等原因嚴(yán)重制約著我國(guó)航空航天測(cè)繪生產(chǎn)力的發(fā)展,因此航空攝影測(cè)量這一新一代的測(cè)繪技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]。隨著電子科技和數(shù)碼科技的發(fā)展,數(shù)碼相機(jī)因其快速高效的特點(diǎn)越來(lái)越受到航空攝影測(cè)量工作者的青睞,針對(duì)數(shù)碼航空攝影測(cè)量的儀器也就應(yīng)運(yùn)而生,美國(guó)的UCD、UCX,英國(guó)的DMC、ADS40是國(guó)外數(shù)字航攝儀的代表,而 S WDC(Siwei digital camera)則成為國(guó)產(chǎn)航空數(shù)碼相機(jī)的代表產(chǎn)品,它具有高分辨率、高幾何精度、體積小、重量輕等特點(diǎn),其獨(dú)特的鏡頭具有視場(chǎng)角大、基高比大、高程精度高、真彩色、鏡頭可更換等優(yōu)勢(shì),更區(qū)別于進(jìn)口產(chǎn)品,近幾年在國(guó)內(nèi)業(yè)界得到廣泛重視,其應(yīng)用迅速得到拓展。

我國(guó)青藏高原海拔高、氧氣稀薄、氣候惡劣、交通不便、人煙稀少,這對(duì)常規(guī)測(cè)圖是極大的挑戰(zhàn),我國(guó)很大一部分無(wú)圖區(qū)就位于這里,這也給國(guó)家的土地調(diào)查帶來(lái)了很大的困難。為了克服常規(guī)測(cè)圖所面對(duì)的困難,本文用航空攝影測(cè)量、GPS輔助空三的方法進(jìn)行了大比例尺成圖的試驗(yàn)。

GPS輔助空中三角測(cè)量從 20世紀(jì) 70年代開始研究,至今已有近 40年的發(fā)展歷程,其可大量減少地面控制點(diǎn),縮短航測(cè)成圖周期,降低生產(chǎn)成本,已被廣泛應(yīng)用于大區(qū)域、中小比例尺、困難地區(qū)的航空攝影測(cè)量地形測(cè)圖中,產(chǎn)生了明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[2]。但是,以前的 GPS輔助空三需要地面安置基站,即必須同時(shí)要有 2臺(tái) GPS接收機(jī)進(jìn)行工作,這種作業(yè)方式不但提高了航空攝影的成本,而且在困難地區(qū)的應(yīng)用受到一定的限制。隨著 GPS技術(shù)的發(fā)展,全球連續(xù)運(yùn)行跟蹤站日益增多,IGS可提供精度優(yōu)于 ±5 cm的精密星歷,衛(wèi)星鐘差改正數(shù)可達(dá)到0.1～0.2 ns,GPS接收機(jī)的性能也不斷得到改善,大氣延遲模型越來(lái)越精確,削弱對(duì)流層和電離層延遲誤差的方法亦不斷得到完善,非差分單機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度定位成為可能[3]。Zumberge等提出了利用 GPS精密星歷、衛(wèi)星鐘差和雙頻載波相位觀測(cè)量,采用非差分模式進(jìn)行精密單點(diǎn)定位的方法,并且在處理單機(jī)靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)取得了厘米級(jí)的定位結(jié)果[4-5]。隨后,Muellerschoen等提出了利用非差分雙頻載波相位觀測(cè)值,在初始化后進(jìn)行單歷元精密單點(diǎn)定位方法,以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位[6-7]。目前,該方法用于動(dòng)態(tài)航空測(cè)量已達(dá)到厘米級(jí)的精度[8]。

二、SWDC介紹

S WDC系列數(shù)碼航空相機(jī)是基于瑞典 Hasselblad H系列數(shù)碼相機(jī),分辨率為 4 000像素 ×5 000像素,集成了重力二維穩(wěn)定平臺(tái)、數(shù)字羅盤、κ電動(dòng)調(diào)節(jié)、空管 PC104嵌入式計(jì)算機(jī)和 GPS定位、記錄等的系統(tǒng)。S WDC采用外視場(chǎng)拼接技術(shù),現(xiàn)有的有兩拼和四拼兩種。它體積小、重量輕,因此可以用蜜蜂飛機(jī)作為其搭載平臺(tái)。

S WDC除具有一般數(shù)碼航空相機(jī)特性外,最大的特點(diǎn)是鏡頭可更換,分別有 35 mm、50 mm、80 mm三種焦距。其視場(chǎng)角大,基高比大,可以提高高程測(cè)量精度;GPS的聯(lián)合使用不僅實(shí)現(xiàn)了空中定點(diǎn)曝光,而且 GPS輔助空三使航攝外業(yè)控制的工作量大大減少;完備的處理軟件使影像數(shù)據(jù)的接口更加通用化,制作的 4D產(chǎn)品質(zhì)量更高。因此,它滿足從1∶500～1∶10 000比例尺的常規(guī)航空攝影。另外,采用單點(diǎn)定位技術(shù)的 GPS輔助空三大大減少了野外工作量,這在我國(guó)的東部地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。2007年底,S WDC在拉薩地區(qū)完成了 1∶1萬(wàn)成圖的航飛任務(wù),取得了滿意成果。但是青藏高原上的大比例尺地形圖都是通過常規(guī)測(cè)量方式得到的,能否采用航空攝影的方式來(lái)獲得高原大比例尺地形圖呢?2008年下半年,在西藏的兩個(gè)地區(qū)作了用航攝的方法獲取高原大比例尺地形圖的試驗(yàn)。

三、試驗(yàn)介紹

1.攝影儀介紹

本次試驗(yàn)采用蜜蜂-3型飛機(jī)作為搭載平臺(tái)。由于高原缺氧,導(dǎo)致飛機(jī)的動(dòng)力不如東部平原,為了減少重量,采用 S WDC系列的兩拼航攝儀,即帶有兩個(gè)單鏡頭的航攝儀。

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1)焦距：35.7mm;

2)像素尺寸：6.8μm;

3)像素個(gè)數(shù)：11 000×6 800;

4)視場(chǎng)角：94°/67°;

5)鏡頭畸變：＜2μm。

單鏡頭參數(shù)如表 1所示。

表1 單鏡頭參數(shù)

2.試驗(yàn)介紹

選擇在西藏的那曲縣和安多縣進(jìn)行 1∶1 000成圖試驗(yàn)。那曲縣位于西藏自治區(qū)北部,地處唐古拉山脈與念青唐古拉山脈之間,海拔均在 4 450 m以上,境內(nèi)多山,屬高原丘陵地形;安多縣地處西藏北部,著名的唐古拉山脈南北兩側(cè),縣城所在地位于109國(guó)道 3 420～3 430 km處。該縣地形屬高原山川類型,平均海拔在 4 700 m以上。這兩個(gè)縣區(qū)的氣候條件相似,全年可進(jìn)行航空攝影的晴天數(shù)一般,較適合進(jìn)行大比例尺航空攝影的晴天數(shù)較多。其中,那曲測(cè)區(qū)東西寬約 5 km,南北長(zhǎng)約 4.5 km,面積約 23 km2,區(qū)域范圍：經(jīng)度 92°02′00″～92°05′45″,緯度 31°27′10″～31°30′10″;安多測(cè)區(qū)東西寬約6 km,南北長(zhǎng)約 4.5 km,面積約 27 km2,區(qū)域范圍：經(jīng)度 91°38′45″～91°42′30″,緯度 32°14′～32°17′。兩測(cè)區(qū)區(qū)域圖如圖 1、圖 2所示。

圖1 那曲測(cè)區(qū)范圍

圖2 安多測(cè)區(qū)范圍

為了減少空中作業(yè)量,本次試驗(yàn)采用窄像對(duì)式飛行設(shè)計(jì)：地面分辨率為 10 cm,飛行相對(duì)高度為525m,航向重疊為 65%,旁向重疊為 35%。

由于在 GPS輔助航空攝影測(cè)量中,可以無(wú)須布設(shè)地面基準(zhǔn)站,通過采用區(qū)域四角布設(shè)平高地面控制點(diǎn),利用 GPS精密單點(diǎn)定位所獲取的攝站坐標(biāo)進(jìn)行 GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差就可以達(dá)到和差分GPS定位后的攝站坐標(biāo)平差后基本一致的精度,完全可以滿足我國(guó)現(xiàn)行航空攝影測(cè)量規(guī)范要求[9]。所以,這里采用構(gòu)架航線加四角布設(shè)平高點(diǎn)控制、中間布設(shè)檢查點(diǎn)的方式。由于擔(dān)心地面控制點(diǎn)遭到破壞,在每個(gè)控制點(diǎn)的位置布設(shè)了控制點(diǎn)對(duì),即在控制點(diǎn)位置附近同時(shí)布設(shè)相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)。航線和控制點(diǎn)示意圖如圖 3所示。

圖3 航線和控制點(diǎn)示意圖

在本次試驗(yàn)中,那曲測(cè)區(qū)布設(shè)控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)共 18個(gè),其中 2個(gè)遭到破壞,16個(gè)可用,獲得影像323張;安多測(cè)區(qū)布設(shè)控制點(diǎn)和檢查點(diǎn) 12個(gè),其中 2

圖4 那曲歷元中誤差

2.GPS輔助空中三角測(cè)量

高原地區(qū)空氣稀少,野外工作困難重重。為了減少外業(yè)工作量,采用 GPS輔助空三的方法進(jìn)行加密,個(gè)遭到破壞,10個(gè)可用,獲得影像 340張。

四、數(shù)據(jù)處理

1.空中 GPS數(shù)據(jù)解算

空中攝站坐標(biāo)采用武漢大學(xué)研制的動(dòng)態(tài) GPS精密單點(diǎn)定位軟件 Trip進(jìn)行精密單點(diǎn)定位獲取,這種軟件解算數(shù)據(jù)的內(nèi)符合精度可以達(dá)幾個(gè)厘米的水平,可以實(shí)現(xiàn)亞分米級(jí)的飛機(jī)動(dòng)態(tài)定位,能在不需要地面基準(zhǔn)站的條件下達(dá)到雙差固定解相當(dāng)?shù)木人絒10]。解算后攝站點(diǎn)坐標(biāo)中誤差那曲測(cè)區(qū)為 ±0.12m,安多測(cè)區(qū)為 ±0.14m。圖4、圖5為兩測(cè)區(qū)的歷元中誤差。解算軟件采用中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院編寫的軟件Map-AT,解算結(jié)果如表 2所示。解算結(jié)果限差取值按地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范規(guī)定的值,如表3所示。

圖5 安多歷元中誤差

表2 帶四角控制的 GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差精度

表 3 內(nèi)業(yè)規(guī)范規(guī)定限差(山地)

由表 2可以看出：①那曲測(cè)區(qū)的多余控制點(diǎn)不符值最大為平面 0.31m,小于 0.7 m;高程不符值最大 0.29 m,小于 0.6 m。完全符合我國(guó)規(guī)范對(duì)于1∶1 000比例尺山地地形測(cè)圖航測(cè)內(nèi)業(yè)的規(guī)定。②安多測(cè)區(qū)的多余控制點(diǎn)不符值最大為0.29m,小于 0.7m;高程不符值最大0.3m,小于0.6m。完全符合我國(guó)規(guī)范對(duì)于 1∶1 000比例尺山地地形測(cè)圖航測(cè)內(nèi)業(yè)的規(guī)定。③這兩個(gè)測(cè)區(qū)檢查點(diǎn)的中誤差值基本相近,說明數(shù)據(jù)有很好的可靠性。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過上述結(jié)果可以看出,那曲和安多這兩個(gè)測(cè)區(qū)的結(jié)果完全可以滿足 1∶1 000比例尺地形圖的需要。這說明 S WDC在西藏高海拔地區(qū)通過 GPS輔助空三的手段進(jìn)行大比例尺航空攝影測(cè)圖取得了成功。它無(wú)須地面基站,通過飛行構(gòu)架航線布設(shè)少量地面控制點(diǎn)即可滿足大比例尺成圖的需要,這在西部地區(qū),特別是海拔高、作業(yè)困難的地區(qū)可以大大減少外業(yè)的工作量,減少作業(yè)成本。本次高海拔、大比例尺成圖試驗(yàn)的成功可以作為我國(guó)西部作業(yè)困難區(qū)域地形圖更新的借鑒。

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Study of Large-scale Map Aerial Photogrammetry in Qingha i-Tibet Plateau Based on SWDC

L I Feng

0494-0911(2010)07-0009-03

P23

B

2009-09-09

科技部支撐項(xiàng)目(2008BAK491302-1);國(guó)家高科技研究發(fā)展 863計(jì)劃項(xiàng)目(2008AA121300)

李 峰(1981—),男,山東臨沂人,助理工程師,主要從事航空攝影測(cè)量方面的工作。