ADS80數(shù)字航空攝影空三坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的研究

孫穎，王世軍

(1.大連市勘察測繪研究院有限公司，遼寧大連 116021； 2.大連金州新區(qū)勘察測繪中心，遼寧大連 116600)

ADS80數(shù)字航空攝影空三坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的研究

孫穎1?，王世軍2

(1.大連市勘察測繪研究院有限公司，遼寧大連 116021； 2.大連金州新區(qū)勘察測繪中心，遼寧大連 116600)

ADS80數(shù)字航空攝影空三成果依賴于其飛行時的機(jī)載IMU/GPS數(shù)據(jù)和地面GPS基站數(shù)據(jù)，以上兩種數(shù)據(jù)源是基于大地坐標(biāo)系WGS-84的，因此ADS80數(shù)字航空攝影空三加密是WGS-84坐標(biāo)。因此若利用該成果必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。本文分析ADS80數(shù)字航空攝影測量的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)原理，并通過實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)該轉(zhuǎn)換的精度。

ADS80數(shù)字航空攝影；空三加密；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

1 前 言

隨著技術(shù)的進(jìn)步，尤其是數(shù)碼航空攝影技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，航空攝影測量的作業(yè)方法和模式也出現(xiàn)了較大的變化。ADS80數(shù)字航空攝影空三成果坐標(biāo)轉(zhuǎn)換就是一個典型案例。

2 ADS80數(shù)字航空攝影空三特點(diǎn)

ADS80航空攝影是數(shù)字航空攝影，采用三線陣推掃式獲取影像，能夠獲得多種類型高精度相同分辨率的數(shù)字影像數(shù)據(jù)。其后期處理是涉及大地測量、航空攝影測量、遙感技術(shù)應(yīng)用等多門測量學(xué)科的新興現(xiàn)代綜合測量影像處理系統(tǒng)[1]。

ADS80航空攝影系統(tǒng)配備了IMU/GPS系統(tǒng)，并在飛行中架設(shè)地面基準(zhǔn)站，可以在無控制或少量控制點(diǎn)的情況下進(jìn)行姿態(tài)控制處理，進(jìn)行空三平差解算，極大地減輕了航空攝影測量的外業(yè)控制工作量，縮短了航測生產(chǎn)周期，提高了作業(yè)效率。

由ADS80航空攝影的特點(diǎn)可以知道，ADS80航空攝影獲取的是帶狀影像而非傳統(tǒng)的矩形影像，一個條帶最大長度根據(jù)不同的分辨率而不同，一般GSD(地面分辨率)為0.2 m用于成1∶2 000圖的航片，最大長度在60 km，因此空三加密時必須考慮地球曲率對精度的影響；ADS80航空攝影空三不依賴于控制點(diǎn)而是根據(jù)其飛行時的GPS-IMU系統(tǒng)和地面基站數(shù)據(jù)，但是以上數(shù)據(jù)是基于WGS-84坐標(biāo)系的，因此ADS80航空攝影空三加密成果是基于WGS-84坐標(biāo)系，其高程是大地高。因此實(shí)際生產(chǎn)中需要將空三成果由WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的平面和高程坐標(biāo)系下。

3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的基本原理

WGS-84坐標(biāo)到地方坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換包括平面、高程兩方面內(nèi)容。平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用若干已知點(diǎn)獲取相應(yīng)轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后將轉(zhuǎn)換參數(shù)利用到相應(yīng)的全數(shù)字?jǐn)z影測量軟件中，在立體采集中進(jìn)行實(shí)時轉(zhuǎn)換；高程轉(zhuǎn)換則利用高程模擬方法或似大地水準(zhǔn)面精化成果，計(jì)算出大地高和地方坐標(biāo)系統(tǒng)之間的差值，制作bin文件，引入到攝影測量軟件中，在立體采集過程中實(shí)時轉(zhuǎn)換。

3.1 平面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

從ADS80攝影及空三特點(diǎn)可知，其原始坐標(biāo)系統(tǒng)是WGS-84大地坐標(biāo)系，因此，ADS在平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中分兩個步驟:WGS-84大地坐標(biāo)系到WGS-84空間直角坐標(biāo)系；再由WGS-84空間直角坐標(biāo)系到地方坐標(biāo)系(七參數(shù)轉(zhuǎn)換)[2]。本次以WGS-84和大連城建坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為例說明。

大連市市區(qū)所轄6區(qū)面積約3 800 km2，且是一個半島狹長區(qū)，海岸線不規(guī)則，地形復(fù)雜。在大連地區(qū)ADS80航空攝影轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算過程中，選用13個大連市二等GPS控制網(wǎng)的控制點(diǎn)進(jìn)行解算，解求出七參數(shù)。這13個點(diǎn)均勻分布，基本包括大連市所轄范圍。通過這13個點(diǎn)對應(yīng)的兩組坐標(biāo)，計(jì)算出兩個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換七參數(shù)。

3.2 高程基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換

由于WGS84的大地高與水準(zhǔn)高不同，且差值是不等的，因此需要計(jì)算出不同區(qū)域的差值(異常值)。

在大連地區(qū)進(jìn)行ADS80航空攝影高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換一般采取兩種方式進(jìn)行:

對于有似大地水準(zhǔn)面精化成果的地區(qū)，直接利用似大地水準(zhǔn)面精化成果制作bin文件；沒有似大地水準(zhǔn)面精化成果的地區(qū)，在測區(qū)內(nèi)按照一定等級和密度測量一定的控制點(diǎn)，計(jì)算出這些控制點(diǎn)大地高和正常高，正常高一般利用水準(zhǔn)法進(jìn)行測量，計(jì)算出這些點(diǎn)的異常值，然后擬合出該區(qū)域似大地水準(zhǔn)面，利用擬合的成果，計(jì)算bin文件。

4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

計(jì)算出七參數(shù)和bin文件后，將計(jì)算結(jié)果引入到數(shù)字?jǐn)z影測量軟件中，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是在立體采集過程中實(shí)時實(shí)現(xiàn)的。

以LPS全數(shù)字?jǐn)z影測量軟件為例，其七參數(shù)設(shè)置格式如下[3]:

“坐標(biāo)系統(tǒng)名稱”

{

序號 橢球長半徑a 橢球短半徑b

“坐標(biāo)系統(tǒng)名稱”0 0 0 0 0 0 0

“地方系統(tǒng)名稱”△X △Y △Z ωxωyωzm

}

“坐標(biāo)系統(tǒng)名稱”指的是所要定義的坐標(biāo)系的名稱。如大連地區(qū)定義為“dalian datum”，因在該系統(tǒng)下不支持漢字，要特別注意用拼音代替。

序號 橢球長半徑a 橢球短半徑b：序號指的是該橢球文件已定義橢球序號，在定義該序號時不能重復(fù)，不能空號。橢球長半徑a 橢球短半徑b指定義的橢球的長、短半軸，注意要和七參數(shù)的計(jì)算相匹配。

“地方系統(tǒng)名稱”△X △Y △Z ωxωyωzm：地方系統(tǒng)名稱主要是用來標(biāo)注區(qū)分該計(jì)算參數(shù)是那個地區(qū)。

高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)置如下：

定義高程基準(zhǔn)的格式：

“高程系統(tǒng)名稱”{

序號 橢球長半徑a 橢球短半徑b

“坐標(biāo)系統(tǒng)名稱”0 0 0 0 0 0 0

“高程基準(zhǔn)名稱”

基于框架=“ITRF97” /?指該大地水準(zhǔn)面精化模型所對應(yīng)得WGS84框架坐標(biāo)系統(tǒng)

{

RASTER RESAMPLE="Bilinear"

HEIGHT="dalian.bin"/?大地水準(zhǔn)面精化成果文件?/

}模型描述

將以上坐標(biāo)定義完成后，在空三成果中建立測區(qū)時引入定義的參數(shù)，即可將WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)下的平面和高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)到所需的平面和高程系統(tǒng)，進(jìn)行立體采集。

目前ADS80航空攝影后處理軟件都有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能，不同的軟件其平面轉(zhuǎn)換算法法有所差異，如LPS數(shù)字?jǐn)z影測量工作站是利用獲取的七參數(shù)直接轉(zhuǎn)換；VirtuoZo和MapMatrix可以直接利用七參數(shù)轉(zhuǎn)換，也可以利用一組坐標(biāo)計(jì)算出七參數(shù)再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。高程坐標(biāo)都是利用水準(zhǔn)面精化文件(bin)進(jìn)行的轉(zhuǎn)換，但是基本原理相同。

5 與傳統(tǒng)航空攝影比較

(1)空三數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)的可變性

在傳統(tǒng)航空攝影中，空三加密完全依賴于像控點(diǎn)，空三加密工作結(jié)束后，整個系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)、精度均固化，不可再改變，因此可以理解傳統(tǒng)攝影測量一次空三結(jié)果只能提供一種坐標(biāo)系統(tǒng)。

ADS80航空攝影及后續(xù)攝影測量軟件設(shè)計(jì)機(jī)制如下:利用航空攝影時的機(jī)載GPS-IMU系統(tǒng)提供相機(jī)瞬時位置和角度坐標(biāo)，然后進(jìn)行空三加密，獲取WGS-84坐標(biāo)系下的空三成果。在后處理過程中，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和高程異常值文件的利用，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的平面和高程系中，獲取符合要求的地圖文件，即可以提供不同平面坐標(biāo)系和高程坐標(biāo)系的空三成果。因此可以理解其空三數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)是可變的。

(2)高程數(shù)學(xué)精度高

傳統(tǒng)航空攝影測量受航片基高比較小和空三加密精度的影響，尤其是空三高程采用高程擬合的方式獲取，高程精度一般無法滿足大比例(1∶500～1∶2 000)地形圖精度要求。

ADS80航空攝影空三加密坐標(biāo)系統(tǒng)采用數(shù)學(xué)模型嚴(yán)密的WGS-84橢球，其空三加密高程精度較高。而在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中采用似大地水準(zhǔn)面成果進(jìn)行，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)嚴(yán)密，同時ADS80航空攝影基高比較大，最大達(dá)到0.74，提高觀測精度，因此能夠獲取更高的高程精度。

6 實(shí)際生產(chǎn)的檢查

2011年在大連地區(qū)進(jìn)行292 km2地面分辨率為0.08 m的ADS80航空攝影，制作1∶500比例尺地形圖，遼寧省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站對最終成果進(jìn)行了檢查，數(shù)學(xué)精度檢查結(jié)果如下:

平面絕對位置精度:解析法檢測地形圖80幅，共檢測地物點(diǎn)坐標(biāo)2 434個，總體統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位中誤差為圖上±0.35 mm，滿足小于圖上±0.5 mm的設(shè)計(jì)要求；粗差42個，粗差率為1.7%，優(yōu)于5%的設(shè)計(jì)要求。

上述檢測數(shù)據(jù)分布在23個批次內(nèi)。

高程注記精度:實(shí)地測定三維坐標(biāo)的方法檢測高程注記點(diǎn)80幅，共檢測高程注記點(diǎn)1 650個，總體統(tǒng)計(jì)中誤差為±7.4 cm，滿足鋪裝路面高程注記點(diǎn)中誤差小于±15 cm高精度的設(shè)計(jì)要求；粗差0個，粗差率為0%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于5%的設(shè)計(jì)要求。

上述檢測數(shù)據(jù)分布在23個批次內(nèi)。[4]

其中高程所檢測的坐標(biāo)均采用航測法立體測量獲取的。

從上面檢查結(jié)果可以看出，ADS80航空攝影通過這種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式獲取測量成果，不但能夠滿足規(guī)范要求平面精度，也解決了傳統(tǒng)航空攝影測量無法滿足大比例尺測圖高程精度規(guī)范要求的問題，大大提高作業(yè)效率，降低了作業(yè)成本。

[1] 趙磊，張森，尹志強(qiáng)等.ADS80數(shù)字航空攝影與傳統(tǒng)航空攝影之比較[J].城市勘測，2009(2).

[2] 陳弘奕.ADS80數(shù)字航空攝影測量技術(shù)中坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和大地水準(zhǔn)面精化成果的應(yīng)用研究[J].測繪通報(bào)，2007 (12).

[3] 楊庚印.ADS80數(shù)字航空攝影測量系統(tǒng)本地坐標(biāo)系在LPS中的建立[J].測繪通報(bào)，2008(4).

[4] 遼寧省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站.測繪成果質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告[R].遼測質(zhì)檢(2011)第(002)號.

The Aerital Triangulation Coordinate Conversion Research of ADS80 Digital Aerital Photography

Sun Ying1，Wang Shijun2
(1.Dalian Academy of Reconnaissance and mapping Co.，Ltd.Dalian 116021，China；2.Survey and Mapping Center of Dalian Jinzhou New District，Dalian 116600，China)

The result of Aerital Triangulation of ADS80 ADS80 Digital Aerital Photography depend on the flight IMU/GPS data and the GPSbase data in the ground，which the coordinate syetems isWGS-84.And then，the coordinate syetems of Aerital Triangulation of ADS80 Digital Aerital Photography isWGS-84.So it is necessary to convert coordinates.In the paper，based on the analysis of the coordinate transformation mathematical theory of ADS80 Digital Aerital photogrammmetry，and through the actual production testthe conversion precision.

ADS80 digital aerital photography；aerital triangulation；coordinate conversion

1672-8262(2013)03-131-03

P226+.3

B

2012—11—20

孫穎(1970—)，女，高級工程師，主要從事測繪生產(chǎn)與技術(shù)管理工作。

國家海洋局極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)研究基金資助項(xiàng)目(KP201102)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(121047)