利用GPS輔助空三的高原大比例尺航攝測圖研究

李 峰，楊海東，張建剛，劉宗杰

(1.北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司，北京100070;2.中國測繪科學(xué)研究院，北京100830)

利用GPS輔助空三的高原大比例尺航攝測圖研究

李 峰1，楊海東2，張建剛1，劉宗杰2

(1.北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司，北京100070;2.中國測繪科學(xué)研究院，北京100830)

介紹利用國產(chǎn)數(shù)字航空攝影儀在青藏高原進(jìn)行大比例尺測圖試驗(yàn)。試驗(yàn)利用GPS輔助空三的方式力求減少外業(yè)工作量，通過對(duì)不同地面控制方式得到的空三結(jié)果進(jìn)行分析，表明以7條航線、20根基線作為一個(gè)平差區(qū)域，并在有構(gòu)架航線的情況下，在區(qū)域四角布設(shè)平高控制點(diǎn)即可滿足測圖精度。

GPS輔助空三;大比例尺測圖;控制點(diǎn);精度

一、前 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，攝影測量的理論與方法有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，數(shù)碼相機(jī)的使用越來越廣泛。GPS輔助空中三角測量技術(shù)的應(yīng)用，減少了像控點(diǎn)的數(shù)量，大大節(jié)省了航空攝影測量的外業(yè)工作量［1］。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)的性能也不斷改善，大氣延遲模型愈來愈精確，消弱對(duì)流層和電離層延遲誤差的方法亦不斷完善，非差分單機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度定位成為可能［2］。精密單點(diǎn)定位(precise point positioning，PPP)是相對(duì)于一般的單點(diǎn)定位而言的，它是利用GPS精密星歷和鐘差文件，以載波相位和偽距為觀測資料，進(jìn)行獨(dú)立的單點(diǎn)精密定位［3］。它的特點(diǎn)在于各站的解算相互獨(dú)立，計(jì)算量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般的相對(duì)定位［4-5］?，F(xiàn)在，利用非差分雙頻載波相位觀測值，在初始化后進(jìn)行單歷元精密單點(diǎn)定位，以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的方法，用于動(dòng)態(tài)航空測量的精度已達(dá)到厘米級(jí)［6］。目前，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的方法被我國測繪學(xué)者廣泛應(yīng)用，并有很多軟件對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，武漢大學(xué)編寫的Trip軟件就是其中的代表。

在我國，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位方法已經(jīng)在很多項(xiàng)目中得到應(yīng)用，基于此方法的高精度定位數(shù)據(jù)應(yīng)用到GPS輔助空中三角測量，不但取消了地面基站，更進(jìn)一步減少了地面像控點(diǎn)的數(shù)量。為了研究在高原困難地區(qū)利用精密單點(diǎn)定位的數(shù)據(jù)進(jìn)行GPS輔助空中三角測量，選擇西藏的某縣城進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中飛行了構(gòu)架航線，以保證高程精度［7］。

二、試驗(yàn)概況

試驗(yàn)測區(qū)選擇在西藏地區(qū)的某縣城進(jìn)行，該縣城位于拉薩東北約320 km處，海拔4500 m，地勢中間低、四周高，高差約200 m，屬山地地形。試驗(yàn)?zāi)康臑楂@取1∶1000地形圖，采用SWDC-2數(shù)字航空攝影儀，設(shè)計(jì)地面分辨率8 cm，旁向重疊和航向重疊分別為65%和35%，共飛行9條正常航線和2條構(gòu)架航線，每條航線28根基線。

1.試驗(yàn)外業(yè)實(shí)施

地面控制點(diǎn)按4～6條航線一行點(diǎn)、15～20根基線一列點(diǎn)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)9個(gè)點(diǎn)，控制點(diǎn)以地標(biāo)的方式鋪設(shè)。由于地形的限制，有些地方外場工作人員無法到達(dá)，導(dǎo)致地標(biāo)點(diǎn)不能完全按照設(shè)計(jì)位置布設(shè)，為了防止人為破壞，實(shí)際布設(shè)時(shí)在一個(gè)點(diǎn)位上布設(shè)兩個(gè)點(diǎn)，共布設(shè)18個(gè)地標(biāo)點(diǎn)。地標(biāo)點(diǎn)位置和航線示意圖如圖1所示。

由于測區(qū)附近沒有國家基準(zhǔn)點(diǎn)，所以在測區(qū)靠近中間的位置安置了GPS觀測基站，通過單點(diǎn)靜態(tài)觀測獲取其坐標(biāo)，觀測時(shí)間大于6 h。各地標(biāo)點(diǎn)觀測30 min，最后通過和基站進(jìn)行差分解算獲取坐標(biāo)。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)符合精度可以到幾個(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剑?］。

圖1 實(shí)際的航線和控制點(diǎn)

2.GPS輔助空中三角測量

(1)加密方案

為了驗(yàn)證控制點(diǎn)數(shù)量和位置對(duì)檢查點(diǎn)精度的影響，試驗(yàn)采取4種控制方案對(duì)測區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密，具體方案如下:

1)方案1。中間一點(diǎn)定向，其他點(diǎn)檢查(如圖2所示)。

圖2 方案1

2)方案2。兩側(cè)兩列點(diǎn)定向，中間點(diǎn)檢查(如圖3所示)。

圖3 方案2

3)方案3。周邊點(diǎn)定向，中間點(diǎn)檢查(如圖4所示)。

圖4 方案3

4)方案4。密集周邊點(diǎn)定向，中間點(diǎn)檢查(如圖5所示)。

圖5 方案4

(2)加密精度

本次試驗(yàn)采用全自動(dòng)空中三角測量軟件Map-AT進(jìn)行空三加密，區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算后，基本定向點(diǎn)的殘差為:方案1平面最大殘差0.236 m，高程最大殘差0.290 m;方案2平面最大殘差0.241 m，高程最大殘差0.244 m;方案3平面最大殘差0.223 m，高程最大殘差0.167 m;方案4平面最大殘差0.300 m，高程最大殘差0.151 m。上面結(jié)果顯示4種方案平差后的控制點(diǎn)平面和高程最大殘差均小于0.4 m，符合規(guī)范要求［9］。檢查點(diǎn)的中誤差如表1所示。

表1 檢查點(diǎn)中誤差 m

由表1可以看出:

1)在飛行構(gòu)架航線的基礎(chǔ)上，中間一個(gè)控制點(diǎn)的區(qū)域光束法平差結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)需要。

2)在方案2中，由于點(diǎn)1606、4506、25107處于控制區(qū)域外，點(diǎn)位誤差值超限，導(dǎo)致總體檢查點(diǎn)中誤差比較大。如果去掉這3個(gè)超限點(diǎn)不作為檢查點(diǎn)的話，方案2的中誤差值會(huì)大大減小，達(dá)到平面±0.304 m，高程±0.221 m。

3)與方案2相似，方案3中點(diǎn)25107處于控制區(qū)域外，如果把這個(gè)點(diǎn)去掉不作為檢查點(diǎn)，總體檢查點(diǎn)中誤差值會(huì)有所減小，達(dá)到平面±0.258 m，高程±0.207 m。

4)如果剔除掉方案2和方案3中控制區(qū)域外的檢查點(diǎn)，后3種方案結(jié)果都能滿足要求。同時(shí)可知，雖然方案3和方案4的結(jié)果精度比方案2的有所提高，但是提高有限。

三、結(jié)束語

本次試驗(yàn)采用航攝的方式在高原的山地進(jìn)行大比例尺測圖任務(wù)，采用GPS輔助空中三角測量。本文通過對(duì)4種方案結(jié)果的分析和對(duì)比可知，在飛行構(gòu)架航線的基礎(chǔ)上，后3種方案都可滿足1∶1000成圖要求。從經(jīng)濟(jì)的角度看，方案2最佳，在測區(qū)兩側(cè)布設(shè)兩列控制點(diǎn)即可滿足要求，省去了外業(yè)工作量，減少了人力、物力和財(cái)力的投入。從圖5可以看出，由于本次試驗(yàn)是按點(diǎn)對(duì)布設(shè)地面點(diǎn)，所謂的兩側(cè)兩列定向點(diǎn)有4個(gè)點(diǎn)對(duì)概略位置在測區(qū)的四角，落在構(gòu)架航線上，形成了構(gòu)架航線加四角定向的結(jié)構(gòu)。這一分析結(jié)果表明，構(gòu)架航線加四角布點(diǎn)的控制方式完全能滿足高原1∶1000成圖的要求。本次試驗(yàn)的地形限制了工作人員的外場工作，導(dǎo)致了地面點(diǎn)沒有布設(shè)到設(shè)計(jì)的位置，如果地面點(diǎn)布設(shè)位置理想的話精度還將進(jìn)一步提高。

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

［2］ 袁修孝，付建紅，樓益棟。基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)的GPS輔助空中三角測量［J］.測繪學(xué)報(bào)，2008，36(3): 251-255.

［3］ 陳義.利用精密星歷進(jìn)行單點(diǎn)定位的數(shù)學(xué)模型和初步分析［J］.測繪學(xué)報(bào)，2002，31(1):31-33.

［4］ 劉經(jīng)南，葉世榕.GPS非差相位精密單點(diǎn)定位技術(shù)探討［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2002，27(3): 234-240.

［5］ 馮寶紅，高成發(fā).利用P3軟件進(jìn)行GPS單點(diǎn)定位解算的若干問題［J］.測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，25(4): 249-251.

［6］ 張小紅，劉經(jīng)南，F(xiàn)ORSBERG R.基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)的航空測量應(yīng)用實(shí)踐［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2006，31(1):19-22.

［7］ 袁修孝.當(dāng)代航空攝影測量加密的幾種方法［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2007，32(11):1001-1006.

［8］ 張小紅.動(dòng)態(tài)精度單點(diǎn)定位(PPP)的精度分析［J］.全球定位系統(tǒng)，2006(1):7-11，22.

［9］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會(huì).GB/T 23236—2009數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

The Study of Large-scale Mapping in Plateau Based on GPS-supported Aerotriangulation

LI Feng，YANG Haidong，ZHANG Jiangang，LIU Zongjie

0494-0911(2012)08-0015-03

P23

B

2011-08-19

國家863計(jì)劃(2008AA121300);科技部支撐項(xiàng)目(2008BAK491302-1)

李 峰(1981—)，男，山東臨沂人，工程師，主要從事航空攝影測量方面的研究工作。