精密單點(diǎn)定位技術(shù)在1：25000航測(cè)成圖中的應(yīng)用＊

魯金虎

（西安煤航信息產(chǎn)業(yè)有限公司，陜西 西安710054）

0 引 言

傳統(tǒng)航攝技術(shù)無法獲取像片的外方位元素，只能依靠像片控制測(cè)量野外獲取大量的地面控制點(diǎn)，再通過空中三角測(cè)量獲得內(nèi)業(yè)測(cè)圖所需的加密點(diǎn)坐標(biāo)及外方位元素?cái)?shù)據(jù)。但隨著先進(jìn)的空間技術(shù)在航空攝影測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用，采用GPS動(dòng)態(tài)定位方法測(cè)定攝站空間位置（即外方位元素中的3個(gè)線元素）數(shù)據(jù)與基于航片的坐標(biāo)像點(diǎn)觀測(cè)聯(lián)合平差的GPS輔助空中三角測(cè)量技術(shù)，正在逐步應(yīng)用于一線的測(cè)繪生產(chǎn)，精密單點(diǎn)定位技術(shù)的出現(xiàn)，為航空攝影提供了新的解決方案。目前，國(guó)際服務(wù)組織所提供的精密星歷和精密鐘差的精度已經(jīng)很高。隨著接收機(jī)性能的不斷改善，載波相位精度不斷提高，以及大氣改正模型和改正方法不斷深入，為精密單點(diǎn)定位技術(shù)應(yīng)用于航空攝影中提供了可能性［1］。

這種技術(shù)的推廣降低了傳統(tǒng)空中三角測(cè)量對(duì)地面控制點(diǎn)的依賴和需求，縮短了像片控制測(cè)量的野外工作量和作業(yè)周期。根據(jù)GPS輔助空三技術(shù)在本次試驗(yàn)測(cè)區(qū)小比例尺地形圖測(cè)繪的應(yīng)用情況，通過對(duì)其項(xiàng)目中的實(shí)施情況進(jìn)行介紹和分析，希望從中獲得實(shí)用有效的生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

1 精密單點(diǎn)定位技術(shù)

精密單點(diǎn)定位（PPP）是利用載波相位觀測(cè)值以及IGS組織提供的高精度的衛(wèi)星星歷及衛(wèi)星鐘差來進(jìn)行高精度單點(diǎn)定位的方法。精密單點(diǎn)定位技術(shù)由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的Zumberge于1997年提出。20世紀(jì)90年代末，由于全球GPS跟蹤站的數(shù)量急劇上升，全球GPS數(shù)據(jù)處理工作量不斷增加，計(jì)算時(shí)間呈指數(shù)上升［1］。利用IGS提供的高精度的GPS精密衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差，以及單臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)采集的載波相位觀測(cè)值，采用非差模型進(jìn)行精密單點(diǎn)定位。精密單點(diǎn)定位的優(yōu)點(diǎn)除能解算出測(cè)站坐標(biāo)，同時(shí)還能解算出接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差、電離層和對(duì)流層延遲改正信息等參數(shù)，這些結(jié)果可以滿足不同層次用戶的需要求（如研究授時(shí)、電離層、接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差及地球自轉(zhuǎn)等）。

精密單點(diǎn)定位軟件TriP是武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院開發(fā)的高精度單點(diǎn)定位軟件。該軟件可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)到厘米級(jí)的單點(diǎn)靜態(tài)定位和厘米級(jí)到分米級(jí)的單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位，無需地面基準(zhǔn)站的支持，不受作用距離的限制，直接得到ITRF框架坐標(biāo)［2］。

2 GPS輔助空中三角測(cè)量的基本原理

GPS輔助空中三角測(cè)量是利用GPS定位技術(shù)獲取航攝儀曝光時(shí)刻攝站的三維坐標(biāo)，然后將其作為附加觀測(cè)值引入攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差中，采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和算法以整體確定物方點(diǎn)位和像片方位元素并對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定的理論、技術(shù)和方法［3］。采用GPS輔助空中三角測(cè)量可以用GPS攝站作為空中控制來取代地面控制點(diǎn)，使區(qū)域網(wǎng)平差所需的地面控制點(diǎn)大大減少，使之少到只要解決數(shù)據(jù)基準(zhǔn)和削除GPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差的程度。

3 試驗(yàn)及其結(jié)果分析

本次航攝采用SWDC數(shù)碼相機(jī)，成圖比例尺為1：25000，相對(duì)航高為2 000m，GSD為0.272 m.測(cè)區(qū)地處太行山南段與中條山北緣的結(jié)合部，地形復(fù)雜，地貌特征以山地為主。在本工程航空攝影、像片控制測(cè)量、空中三角測(cè)量和調(diào)繪等環(huán)節(jié)中均采用了新技術(shù)。航空攝影時(shí)采用了先進(jìn)的SWDC數(shù)碼攝影系統(tǒng)；像片控制測(cè)量中同時(shí)采用了精密單點(diǎn)定位技術(shù)和似大地水準(zhǔn)面模型兩項(xiàng)新技術(shù)；空中三角測(cè)量使用GPS輔助空中三角測(cè)量等。

為了分析利用SWDC數(shù)字航攝儀的攝站坐標(biāo)（GPS數(shù)據(jù)）進(jìn)行GPS輔助航空攝影測(cè)量方法所能達(dá)到的加密精度，通過試驗(yàn)和SWDC系列數(shù)碼相機(jī)的固有優(yōu)點(diǎn)，得出一些結(jié)論［4］。圖1示出了布點(diǎn)方案，表1列出了GPS輔助空中三角測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)。

表1 GPS輔助空中三角測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)表

圖1 布點(diǎn)方案

分析圖1、表1的試驗(yàn)結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

1）如果在圖1所示的布點(diǎn)方案中的地面控制點(diǎn)可以從已有的高等級(jí)國(guó)家大地測(cè)量控制網(wǎng)中找到，可以省去像控測(cè)量，這在困難地區(qū)、無圖區(qū)或者人員不能通達(dá)地區(qū)進(jìn)行測(cè)量意義重大。

2）通過實(shí)驗(yàn)說明，在GPS輔助航空攝影測(cè)量中，可以無需布設(shè)地面基準(zhǔn)站。本測(cè)區(qū)在利用SWDC數(shù)字航攝儀進(jìn)行航空攝影GPS輔助空中三角測(cè)量平差時(shí)，采用單點(diǎn)定位技術(shù)與數(shù)碼相機(jī)結(jié)合應(yīng)用。GPS輔助航空攝影按照常規(guī)航空攝影技術(shù)規(guī)程進(jìn)行攝影作業(yè)是可行的。

3）采用現(xiàn)行幾種航空攝影空三測(cè)量方法，加密點(diǎn)的精度均可滿足所處地形相應(yīng)比例尺航測(cè)內(nèi)業(yè)加密的精度要求。本次GPS輔助空三試驗(yàn)的精度符 合GB／T 12340－2008《1：25000、1：50000、1：100000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》的規(guī)定。對(duì)于常規(guī)光束區(qū)域網(wǎng)平差來說精度主要取決于地面控制點(diǎn)的分布與間距，區(qū)域越大，所需的地面控制點(diǎn)越多，試驗(yàn)1：25000分別布設(shè)了69個(gè)地面控制點(diǎn)；對(duì)于GPS輔助空三測(cè)量而言只需在區(qū)域網(wǎng)的四角布設(shè)4個(gè)平高地面控制點(diǎn)，其不隨區(qū)域網(wǎng)的大小而變化［5］。對(duì)于GPS輔助空三測(cè)量從表1可以看出，隨著地面控制點(diǎn)的減少，區(qū)域網(wǎng)平差的精度有所降低，當(dāng)無地面控制點(diǎn)時(shí)尤為明顯。要達(dá)到測(cè)量規(guī)范所要求的精度，必須采用合理的地面控制方案。

4）從圖1看出將角點(diǎn)作為定向點(diǎn)進(jìn)行少量地面控制點(diǎn)的PPP輔助空中三角測(cè)量，其加密精度可滿足相應(yīng)要求。引入基于單點(diǎn)定位的GPS輔助空三測(cè)量后，不需要大量的野外像片控制點(diǎn)，僅需要在測(cè)區(qū)網(wǎng)兩端布設(shè)少量的控制點(diǎn)就可以達(dá)到地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范所要求的精度，這基本省去了像片控制測(cè)量工作，也大大縮短了航測(cè)成圖的周期，加快了地圖數(shù)據(jù)更新的速度，對(duì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與城市的規(guī)劃起到有力的推動(dòng)作用。

5）試驗(yàn)中攝站坐標(biāo)的解算采用了精密單點(diǎn)定位技術(shù)，使用TriP軟件進(jìn)行。計(jì)算時(shí)精密星歷和精密鐘差采用IGS提供的快速精密星歷和快速精密鐘差，航飛完成一天后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對(duì)于面積較大的測(cè)區(qū)為了獲得高精度的攝站坐標(biāo)，利用大地水準(zhǔn)面擬合方法實(shí)施大地高與正常高的變換方法。GPS測(cè)量無須像普通水準(zhǔn)測(cè)量那樣沿一定路線來傳遞大地高，也不需要進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，從而避免了路線傳遞所帶來的系統(tǒng)誤差累積。

6）試驗(yàn)中像控點(diǎn)測(cè)量采用GPS精密單點(diǎn)定位（PPP）技術(shù)與利用高精度似大地水準(zhǔn)面模型進(jìn)行GPS高程測(cè)量的方式施測(cè)［6］。采用PPP技術(shù)僅使用單臺(tái)GPS接收機(jī)就可以精確確定點(diǎn)位位置，實(shí)現(xiàn)高精度定位導(dǎo)航的功能。單機(jī)作業(yè)，靈活機(jī)動(dòng)，大大節(jié)約用戶成本；定位精度不受作用距離的限制。

4 結(jié) 論

通過基于精密單點(diǎn)定位在1：25000航攝成圖中的應(yīng)用研究試驗(yàn)，結(jié)果表明：在小比例尺航測(cè)成圖生產(chǎn)中，基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)的GPS輔助空中三角測(cè)量方法很有優(yōu)勢(shì)，在加密分區(qū)四角布設(shè)4個(gè)平高控制點(diǎn)，可滿足1：25000比例尺規(guī)范要求的空中三角測(cè)量加密精度要求。因此，GPS輔助航空攝影在小比例尺航測(cè)成圖生產(chǎn)中能提高制圖質(zhì)量，大幅度減少野外控制點(diǎn)，縮短制圖時(shí)間，保證設(shè)計(jì)工期按時(shí)完成，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

我國(guó)地域遼闊，一旦開展航空測(cè)量（航空重力測(cè)量，航空攝影測(cè)量，以及航空Lidar和航空In－SAR），采用精密單點(diǎn)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)無地面基站的航飛，不僅可以節(jié)省人力、物力、財(cái)力，還能夠簡(jiǎn)化流程，使得航空測(cè)量更加簡(jiǎn)便、快捷。目前精密單點(diǎn)定位技術(shù)還處于研究實(shí)驗(yàn)階段，在航空攝影測(cè)量中的應(yīng)用才剛剛開始，相信隨著精密星歷與精密鐘差技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，精密單點(diǎn)定位算法進(jìn)一步成熟化，精密單點(diǎn)定位技術(shù)應(yīng)用于航空攝影中成為一種必然的趨勢(shì)。

［1］ 王成龍，劉昌華，李 峰 .基于SWDC的國(guó)家基礎(chǔ)航空攝影測(cè)量可行性研究［J］.測(cè)繪工程，2009，18（1）：14－18.

［2］ 袁路晴，黃 杰，蘭艷青，等 .超輕型飛機(jī)搭載SWDC系列數(shù)字航攝儀的航空攝影測(cè)量一體化作業(yè)思路［J］.鐵路勘察，2007（6）：59－62.

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

［4］ 李學(xué)友.IMU／DGPS輔助航空攝影測(cè)量綜述［J］.測(cè)繪科學(xué)，2005，5（30）：110－113.

［5］ 袁修孝.GPS輔助空中三角測(cè)量及其質(zhì)量控制［D］.武昌：武漢大學(xué)，1999.

［6］ 王鐵軍，鄭福海，王俊杰，等.IMU／DGPS輔助空中三角測(cè)量精度分析［J］.地理信息世界，2009，8（4）：47－50.