GPS在衛(wèi)星影像控制測(cè)量中的應(yīng)用①

宋慶杰，司傳波

（大連65015部隊(duì)，遼寧 大連116023）

0 引 言

GPS技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星影像控制測(cè)量，是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)與空間技術(shù)的完美結(jié)合。與傳統(tǒng)的控制測(cè)量方法相比，GPS控制測(cè)量具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡(jiǎn)便、布網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，在實(shí)際工作中，有效地解決了衛(wèi)星影像控制測(cè)量跨度大，基線長(zhǎng)，控制網(wǎng)覆蓋面積廣，地形復(fù)雜、施測(cè)困難等問(wèn)題。保證了成果精度，提高了工作效率。

1 GPS全野外控制測(cè)量作業(yè)方法

1）控制點(diǎn)布設(shè)

①3×3型布點(diǎn)。平原地區(qū)，在每景衛(wèi)星影像內(nèi)均勻布設(shè)9個(gè)控制點(diǎn)，即沿衛(wèi)星運(yùn)行軌道方向和垂直于軌道方向布設(shè)3排3列控制點(diǎn)，一般就能滿(mǎn)足成圖精度要求。但對(duì)于山區(qū)該方案則很難滿(mǎn)足要求。

②3×4型布點(diǎn)。在每景衛(wèi)星影像內(nèi)，沿衛(wèi)星運(yùn)行軌道方向均勻布設(shè)3排，每排4個(gè)點(diǎn)，共12個(gè)點(diǎn)。這種布點(diǎn)方案，不論對(duì)山地還是平原測(cè)區(qū)，整體精度都能夠滿(mǎn)足成圖需要。

視外業(yè)的交通、地形狀況，以上兩種方案可結(jié)合使用。點(diǎn)位的選擇要兼顧內(nèi)外業(yè)，既有利于外業(yè)的實(shí)測(cè)又要滿(mǎn)足內(nèi)業(yè)影像糾正要求。外業(yè)中有些點(diǎn)位可根據(jù)實(shí)際交通情況適當(dāng)調(diào)整位置，但是每一景影像四角上的點(diǎn)位要盡可能靠近邊緣。

2）刺點(diǎn)

作業(yè)時(shí)必須保證刺點(diǎn)位置準(zhǔn)確無(wú)誤?？刹捎脙扇朔謩e刺點(diǎn)的作業(yè)方式，這樣每個(gè)控制點(diǎn)均有兩套相互獨(dú)立的刺點(diǎn)成果，檢查驗(yàn)收時(shí)兩套不同的刺點(diǎn)說(shuō)明，必須對(duì)應(yīng)實(shí)地同一個(gè)位置。

3）平面控制

由獨(dú)立觀測(cè)基線構(gòu)成GPS控制網(wǎng)，聯(lián)測(cè)多個(gè)已知點(diǎn)，作為平面起算點(diǎn)。平差計(jì)算時(shí)先進(jìn)行無(wú)約束平差，再采用單個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)約束平差，然后固定多個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行約束平差。

4）高程控制

衛(wèi)星影像控制測(cè)量跨度大，控制網(wǎng)覆蓋面積廣，如果用聯(lián)測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)的方法來(lái)擬合似大地水準(zhǔn)面，外業(yè)工作量非常大，而且精度難以保證。解決的辦法是在控制網(wǎng)中采用高等級(jí)GPS點(diǎn)作為已知點(diǎn)，求得各點(diǎn)大地高，用《似大地水準(zhǔn)面模型軟件》求解每個(gè)GPS點(diǎn)的高程異常，進(jìn)而得到影像控制點(diǎn)的正常高。同時(shí)，聯(lián)測(cè)少量水準(zhǔn)點(diǎn)高程，對(duì)整個(gè)控制網(wǎng)的高程精度進(jìn)行檢核。

2 作業(yè)中的精度控制與分析［2－3]

衛(wèi)星影像控制測(cè)量的精度控制與分析主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：

1）基線解算的精度控制

實(shí)際測(cè)量中，由于受到衛(wèi)星本身、地形狀況、太空環(huán)境干擾和測(cè)量時(shí)間等因素的影響，接收的數(shù)據(jù)很難達(dá)到理想的狀態(tài)，基線解算過(guò)程中，必須有相應(yīng)的精度控制指標(biāo)，在作業(yè)中具體要做到如下幾項(xiàng)要求：①基線解算的RMS值應(yīng)小于儀器的標(biāo)稱(chēng)精度限差；②固定解（fixed）的比例要大，浮動(dòng)解（float）比例要小，不能全是float，全是fixed最好；③固定解比率值（Mix fixed ratio）要大于95，100最好；④基線同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差應(yīng)滿(mǎn)足限差公式。

對(duì)于基線解算一次不合限的現(xiàn)象，通過(guò)禁用質(zhì)量較差衛(wèi)星、觀測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上進(jìn)行處理、修改基線解算屬性、改變參考星等方法進(jìn)行處理，達(dá)到合限目的。

2）控制網(wǎng)平差

所有同步觀測(cè)基線徹底解算完后，根據(jù)外業(yè)測(cè)量計(jì)劃，由獨(dú)立基線構(gòu)成控制網(wǎng)，輸入已知點(diǎn)，進(jìn)行平差處理。網(wǎng)的平差計(jì)算要達(dá)到以下幾個(gè)平差精度指標(biāo)：①粗差基線的確定與剔除；②平差計(jì)算中的最小二乘VTPV的結(jié)果必須滿(mǎn)足限差要求；③平差后得到的單位權(quán)中誤差UWE＝1；④同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差應(yīng)滿(mǎn)足限差公式；⑤基線殘差分布應(yīng)服從高斯正態(tài)分布。

3）控制網(wǎng)的精度分析

①閉合環(huán)的相對(duì)閉合差：衡量GPS網(wǎng)的觀測(cè)精度指標(biāo)主要是閉合環(huán)的相對(duì)閉合差。為了確保作業(yè)成果質(zhì)量，應(yīng)選取獨(dú)立基線構(gòu)成閉合環(huán)，閉合環(huán)的基線數(shù)目要適中。②已知點(diǎn)重合誤差。已知點(diǎn)的重合誤差主要與已知點(diǎn)間的相對(duì)精度、GPS的觀測(cè)精度、網(wǎng)形控制面積的大小等密切相關(guān)。③高程精度分析：采用《似大地水準(zhǔn)面模型軟件》求取正常高，取分布均勻的GPS點(diǎn)按三等水準(zhǔn)進(jìn)行高程聯(lián)測(cè)，與擬合后的GPS點(diǎn)正常高進(jìn)行精度比較，其中最大較差、最小較差、平均較差均應(yīng)在精度要求范圍內(nèi)。

4）控制點(diǎn)坐標(biāo)中誤差統(tǒng)計(jì)

利用控制點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行內(nèi)業(yè)定向糾正后，要對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)影像控制點(diǎn)的定向糾正中誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以評(píng)定作業(yè)質(zhì)量。

3 應(yīng)注意的問(wèn)題

1）設(shè)置合理的精度指標(biāo)

通過(guò)精度分析可以看出，GPS控制點(diǎn)的野外測(cè)量計(jì)算精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于刺點(diǎn)精度，而在GPS測(cè)量進(jìn)行各項(xiàng)計(jì)算時(shí)，軟件默認(rèn)的精度指標(biāo)對(duì)于1：5萬(wàn)比例尺測(cè)圖要求過(guò)高，此時(shí)計(jì)算不合限時(shí)軟件自動(dòng)提示重測(cè)或者不計(jì)算。實(shí)際測(cè)量中可以適當(dāng)放寬計(jì)算軟件中設(shè)置的精度指標(biāo)，使最終計(jì)算結(jié)果精度與內(nèi)業(yè)定向糾正的精度相匹配，降低外業(yè)返工率，提高工作效率。

2）充分收集利用各種資料

目前國(guó)家各個(gè)相關(guān)部門(mén)分別測(cè)量了多套GPS成果（如國(guó)家GPS A、B級(jí)網(wǎng)，全國(guó)GPS一、二級(jí)網(wǎng)和小國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程網(wǎng)點(diǎn)等等），利用好這些資料可以大幅度地提高工作效率。很多高等級(jí)的點(diǎn)位同時(shí)具有1954北京坐標(biāo)系、1980年西安坐標(biāo)系和 WGS－84坐標(biāo)系的坐標(biāo)，以及三等以上精度的水準(zhǔn)成果。利用這些點(diǎn)作為已知點(diǎn)，一是可以計(jì)算出達(dá)到要求的大地坐標(biāo)系平面坐標(biāo)；二是有大地高的成果，可以進(jìn)行擬合計(jì)算；三是新埋設(shè)的點(diǎn)位，完全滿(mǎn)足GPS的觀測(cè)條件；四是帶有水準(zhǔn)高程，利于擬合后的精度檢測(cè)。

3）增加過(guò)渡點(diǎn)

衛(wèi)星影像控制測(cè)量基線較長(zhǎng)，而山區(qū)的影像控制點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)被遮擋的情況，此時(shí)可以采用增加過(guò)渡點(diǎn)、縮短基線長(zhǎng)度的方法來(lái)處理。

4）困難點(diǎn)位補(bǔ)救

實(shí)際外業(yè)中受到地形、交通狀況等因素影響，某些標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位區(qū)域無(wú)法進(jìn)行GPS測(cè)量，如山谷、陡崖、叢林等地域衛(wèi)星信號(hào)差；或標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位區(qū)域影像無(wú)明顯特征，無(wú)法準(zhǔn)確刺點(diǎn)。在這些情況下，可以在標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位附近區(qū)域、GPS接收信號(hào)較好的地方加測(cè)兩個(gè)以上GPS點(diǎn)，再使用常規(guī)儀器，如全站儀、經(jīng)緯儀等，進(jìn)行交會(huì)或?qū)Ь€測(cè)量，得到標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位的地面坐標(biāo)。

5）采用雙頻GPS接收機(jī)

衛(wèi)星影像GPS控制測(cè)量基線長(zhǎng)，施測(cè)GPS控制網(wǎng)時(shí)，要盡量選用雙頻GPS接收機(jī)。因?yàn)殡p頻GPS接收機(jī)可以有效削弱電離層折射影響，同時(shí)能有效探測(cè)和修復(fù)周跳，可以說(shuō)100km以下的基線能夠做到測(cè)一條合限一條，避免了返工、重測(cè)和增測(cè)過(guò)渡點(diǎn)，減少了外業(yè)工作量，提高了成果質(zhì)量。

4 實(shí)際應(yīng)用實(shí)例和精度分析

2010年對(duì)某地區(qū)1：5萬(wàn)比例尺地形圖進(jìn)行了更新?？刂撇键c(diǎn)按軌道運(yùn)行方向，采用3×4型布點(diǎn)。在每景衛(wèi)星影像內(nèi)，沿衛(wèi)星運(yùn)行軌道方向均勻布設(shè)3排，每排4個(gè)點(diǎn)，共12個(gè)點(diǎn)，并盡可能的覆蓋整景影像，避免出現(xiàn)控制盲區(qū)，影像四角點(diǎn)盡可能靠近邊緣布設(shè)。同時(shí)輸出所布控制點(diǎn)點(diǎn)位附近的影像，用于野外刺點(diǎn)。以符合國(guó)家等級(jí)的三角點(diǎn)、GPS網(wǎng)點(diǎn)作為平面和高程的起算點(diǎn)，采用附合導(dǎo)線的方法進(jìn)行GPS測(cè)量。

在成果驗(yàn)收時(shí)，對(duì)部分圖幅地物的平面精度進(jìn)行了檢測(cè)。野外檢測(cè)點(diǎn)在圖幅內(nèi)均勻分布，每幅實(shí)做控制點(diǎn)10個(gè)。GPS接收機(jī)采樣間隔設(shè)為5s，采用附合導(dǎo)線的方法，以靜態(tài)快速測(cè)量的作業(yè)模式實(shí)施測(cè)量。根據(jù)測(cè)量成果，對(duì)實(shí)測(cè)坐標(biāo)值與圖上坐標(biāo)值進(jìn)行比對(duì)，求取中誤差。經(jīng)檢查符合1：5萬(wàn)地形圖的精度要求，如表1所示。

表1 精度檢測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié) 論

實(shí)踐表明：利用GPS測(cè)量技術(shù)對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行控制測(cè)量，成圖精度較高，能滿(mǎn)足中小比例尺地形圖更新的需求。對(duì)于作業(yè)過(guò)程中遇到的特殊情況，比如標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位處有云層遮蓋或有大面積水域等，可以通過(guò)增加過(guò)渡點(diǎn)、縮短基線長(zhǎng)度等方法來(lái)補(bǔ)救；控制刺點(diǎn)的精度可以通過(guò)雙人刺點(diǎn)檢查的方法，確保刺點(diǎn)位置準(zhǔn)確無(wú)誤。值得注意的是，圖像分辨率的高低也是影響成圖精度的重要因素，因此，在地形圖更新時(shí)，要盡量選用分辨率較高的衛(wèi)星影像?？傊珿PS在衛(wèi)星影像控制測(cè)量中的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)控制測(cè)量中布設(shè)點(diǎn)位多、外業(yè)工作量大、數(shù)據(jù)更新慢的弊端，提高了作業(yè)效率，地形圖的更新更加快捷，現(xiàn)勢(shì)行更強(qiáng)。

［1]孔祥元，郭際明.控制測(cè)量學(xué)［M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2006年.

［2]李征航，黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理［M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005年.

［3]賀英魁.GPS測(cè)量技術(shù)［M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2010年.