河北CORS在大比例尺傾斜航空攝影測量中的應(yīng)用

吳文壇，田 摯，李 哲，田時雨，梁麗芳

(1.河北省測繪資料檔案館，河北 石家莊050031;2.中國地質(zhì)大學(xué) 長城學(xué)院，河北保定071000)

一、引 言

連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(continuously operational reference system，CORS)不僅能提供實時差分信息服務(wù)，還能提供數(shù)據(jù)供下載后差分解算及其他服務(wù)。CORS不再作為一個參考系統(tǒng)，它能提供各種相關(guān)綜合服務(wù)［1］。傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限。其通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從1個垂直、4個傾斜等5個不同的角度采集影像，將用戶引入到符合人眼視覺的真實直觀世界。傾斜攝影成為建設(shè)數(shù)據(jù)城市中三維城市生產(chǎn)的新的、高效的技術(shù)手段。本文結(jié)合河北省保定市真三維數(shù)字城市建設(shè)中大比例尺傾斜攝影測量航測檢校場點、像控點聯(lián)測及GPS航攝地面基站確定相機(jī)攝影曝光瞬間外方位線元素的確定，就河北省CORS在此項目中的應(yīng)用作分析。

二、河北CORS簡介

河北省衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(即河北CORS)是由河北省地理信息局負(fù)責(zé)，同時與河北省氣象局、河北省地質(zhì)環(huán)境勘察院、66240部隊合作建設(shè)，本著降低系統(tǒng)建設(shè)成本、資源互補(bǔ)、共建共享的原則合作建設(shè)的重點項目。整個系統(tǒng)主要內(nèi)容包括基準(zhǔn)站部分、控制中心部分、網(wǎng)絡(luò)通信及數(shù)據(jù)發(fā)布部分。系統(tǒng)一期工程建設(shè)于2008年8月啟動，2010年4月完成;二期基準(zhǔn)站工程建設(shè)于2011年6月正式啟動，2011年底完成，形成由64個參考站組成的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，參考站分布情況如圖1所示。同時完成了控制中心服務(wù)器、路由器、防火墻等相關(guān)網(wǎng)絡(luò)配置及 GNSNet/RTKNet、GPStream、TNC、收費系統(tǒng)等相應(yīng)軟件的安裝調(diào)試工作，具備了穩(wěn)定、可靠運行的能力［2］。系統(tǒng)于2012年開始逐步啟動北斗化改造與升級，并建設(shè)河北省北斗GNSS導(dǎo)航與位置服務(wù)網(wǎng)，極大地推動了河北省北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的建設(shè)步伐。

圖1 河北CORS站址分布

1.CORS網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度分析

RTK定位的精度可以從內(nèi)符合和外符合兩方面進(jìn)行考察。內(nèi)符合精度反映系統(tǒng)實時定位的穩(wěn)定性，外符合精度反映系統(tǒng)實時定位的準(zhǔn)確性。首先計算每一測點所有測量值的平均值，再將每一測量值與平均值相減。統(tǒng)計所有差值的分布情況，并對差值在不同區(qū)間的概率進(jìn)行統(tǒng)計，同時根據(jù)式(1)分別計算各個點的X、Y、H方向的內(nèi)、外符合精度。

式中，n為該點的測量值總數(shù)，即剔除粗差觀測值后全部RTK測量值的總數(shù);當(dāng)v為該點所有的觀測值與其平均值之差時，σ為系統(tǒng)的內(nèi)符合精度;當(dāng)v為該點所有的觀測值與其真值之差時，σ為系統(tǒng)的外符合精度［3］。河北省 CORS系統(tǒng) VRS和 DGPS實時定位內(nèi)外符合精度見表1［2］。

表1 河北CORS定位精度分析

從表1中可看出，河北CORS系統(tǒng)RTK定位內(nèi)符合精度水平方向為1.09 cm，高程方向優(yōu)于0.98 cm，說明了省級 CORS系統(tǒng) RTK定位可靠。VRS外符合精度水平方向為2.54 cm，高程方向為4.53 cm，說明了省級CORS系統(tǒng)RTK定位的準(zhǔn)確性，完全可以滿足傾斜航空攝影測量1∶2000比例尺中檢校場及像控點測量精度要求［4-5］。

2.河北CORS傾斜航測基站可行性分析

根據(jù)GPS輔助航空攝影測量方案的不同，為準(zhǔn)確測定航攝相機(jī)攝影曝光瞬間外方位線元素，需進(jìn)行地面控制網(wǎng)的設(shè)計。采用帶地面控制的GPS輔助航空攝影方法時，GPS輔助航空攝影應(yīng)考慮地面基站、像控點、檢測點的布設(shè)和施測［6］。GPS基站的主要作用是在航攝期間連續(xù)采集GPS數(shù)據(jù)，與機(jī)載GPS同步觀測［7］。選取合適的基站，通過事后載波相位差分處理解算GPS攝站坐標(biāo)。在航攝區(qū)域內(nèi)，合理布設(shè)不少于2個基站，確保有效控制范圍覆蓋整個攝區(qū)。攝區(qū)面積較大時，在滿足表2要求的前提下，應(yīng)適當(dāng)增加基站數(shù)量［8］。

表2 攝區(qū)內(nèi)任意位置與最近基站間距離關(guān)系

河北省北部地區(qū)(張家口、承德)多為山區(qū)，且CORS站點分布稀疏(如圖1所示)，個別區(qū)域間距離超過200 km，故在航攝作業(yè)時，需臨時架設(shè)CORS站，以加密基準(zhǔn)點。河北省中南部地區(qū)多為平原，且CORS站點分布密集，CORS站點距離在50 km左右，根據(jù)表2中不宜超過100 km的規(guī)定，滿足1∶2000成圖比例尺基準(zhǔn)站要求［8］，但對于更高比例尺航飛成圖，仍需要架設(shè)臨時CORS基站。

三、應(yīng)用實例

1.工程概況

目前，河北省地理信息局圍繞建設(shè)“數(shù)字城市”這一中心任務(wù)，探索一種快速、高精度、生成大面積城市真三維的技術(shù)方案。在此背景下，結(jié)合河北CORS，采用傾斜攝影技術(shù)完成了保定市的航飛工作，傾斜相機(jī)采用SWDC-5，并利用法國像素工廠的Street Factory軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動生成的三維模型色彩逼真、地面真實、紋理清晰，完全達(dá)到了預(yù)期效果。本次傾傾斜攝影成圖區(qū)面積108 km2，航線方向為東西向，共 76條航線，像片 8099張，成圖比例尺為1∶2000，航攝像元分辨率 0.08 m(下視)，斜視像主點位置約0.13 m，航帶旁向與航向重疊下視均為50%，傾斜30%～60%。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)及相關(guān)要求規(guī)定，將整個測區(qū)劃分為一個分區(qū)。

2.CORS基站采用與檢校場布設(shè)

本次航攝在可飛行的時段和天氣條件下共飛行5架次，地面基站采用河北CORS系統(tǒng)中BDAX、BDAG、BDMC站點，并與機(jī)載POS系統(tǒng)接收機(jī)進(jìn)行同步GPS觀測，基站數(shù)據(jù)采樣率為0.5 s。

同時，為確定IMU與數(shù)字相機(jī)系統(tǒng)相互框架位置關(guān)系的系統(tǒng)差，GPS天線相位中心與數(shù)字相機(jī)系統(tǒng)之間的偏心矢量和攝站高程的系統(tǒng)差，以及考慮對相機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)校正，布設(shè)了飛行檢校場，設(shè)置了4條航線，每條航線攝取不少于10個像對，航線方向與攝區(qū)航線飛行方向一致;在檢校場內(nèi)部或周邊選取合適的地面控制點和檢查點，利用河北CORS提供的VRS服務(wù)采用刺點方式進(jìn)行外業(yè)RTK測量;按要求提供測量坐標(biāo)、點之記，以及現(xiàn)場數(shù)碼像片。

3.數(shù)據(jù)處理

(1)CORS基站坐標(biāo)聯(lián)測

通過與北京房山、武漢、昆明、烏魯木齊4個國際IGS站的聯(lián)測和相應(yīng)精密星歷的下載，利用GAMIT/GLOBK處理獲取各基準(zhǔn)站在ITRF05、瞬時歷元下的精確坐標(biāo)。計算結(jié)果表明：各基準(zhǔn)站在南北方向精度優(yōu)于 1.7 mm，東西方向精度優(yōu)于3.4 mm，垂直方向精度優(yōu)于2.8 mm;基線相對中誤差最大值為3.14 ×10－8，平均值為1.58 ×10－8。然后使用中國測繪科學(xué)研究院提供的框架、歷元轉(zhuǎn)換軟件將其轉(zhuǎn)換至2000國家大地坐標(biāo)系(ITRF97，2000歷元)，同時利用河北省似大地水準(zhǔn)面精化成果獲取CORS基站1985國家高程基準(zhǔn)下的正常高。

(2)基于CORS的DGPS聯(lián)合解算

利用GrafNav精密解算軟件和CORS基站的解算坐標(biāo)，對機(jī)載GPS觀測數(shù)據(jù)和CORS基站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合差分解算，得到機(jī)載GPS接收機(jī)在每個觀測時刻的CGCS2000空間坐標(biāo)系坐標(biāo)下的坐標(biāo)，處理流程如下：①下載機(jī)載GPS和IMU數(shù)據(jù)，并利用隨機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分離;②CORS基站數(shù)據(jù)預(yù)處理及格式轉(zhuǎn)換;③利用GrafNav軟件進(jìn)行DGPS聯(lián)合解算。步驟③的主要過程為：轉(zhuǎn)換原始GPS數(shù)據(jù)格式為GPB格式;加載CORS基站和機(jī)載GPS數(shù)據(jù)到項目;對差分解算各個參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，計算后查看各類指標(biāo)，進(jìn)行分析，反復(fù)測試，獲得最好的解算結(jié)果;結(jié)果輸出。

軟件對于解算過程中的GPS質(zhì)量控制提供了多種指標(biāo)，見表3。

表3 DGPS聯(lián)合解算GPS質(zhì)量控制指標(biāo)

(3)VRS測量數(shù)據(jù)處理

采用3臺Trimble R8 GNSS流動站，利用河北CORS提供的VRS進(jìn)行外業(yè)網(wǎng)絡(luò)RTK測量。手簿中正確輸入IP地址、端口號、用戶名及密碼等相關(guān)參數(shù)，待固定解收斂后，開始進(jìn)行測量，觀測時間控制在3 min以上。

4.結(jié)果分析

CORS基站CGCS2000平面坐標(biāo)檢測采用與國家A、B級GPS網(wǎng)點聯(lián)測方式進(jìn)行，測區(qū)及周邊選取合適控制點，進(jìn)行B級GPS網(wǎng)觀測;高程檢測時利用等級水準(zhǔn)測量檢測高差方式進(jìn)行。

同時，為檢核VRS測量精度，利用相同的VRS測量方式在測區(qū)內(nèi)已有的C、D或E級GPS點上進(jìn)行測量，坐標(biāo)檢測結(jié)果詳見表4(省略小數(shù)點前整數(shù)部分)。

表4 CORS基站及VRS測量坐標(biāo)檢測結(jié)果 m

由于已知數(shù)據(jù)為保密數(shù)據(jù)，本文對數(shù)據(jù)進(jìn)行了加密處理。經(jīng)過比對分析，CORS基站坐標(biāo)平面精度均優(yōu)于1 cm，高程精度優(yōu)于2 cm。VRS測量X坐標(biāo)最大誤差為0.039 m，中誤差為0.021 m;Y坐標(biāo)最大誤差為0.033 m，中誤差為0.025 m;高程方向最大誤差為0.061 m，中誤差為0.041 m，誤差均在允許范圍內(nèi)，滿足1∶2000大比例尺傾斜航空攝影測量快速成圖的要求。

該項目選取保定市主城區(qū)約3 km2區(qū)域作為三維建模測試區(qū)域，經(jīng)過傾斜相機(jī)幾何處理、三維多視角匹配、TIN模型生產(chǎn)及多視角紋理貼面等工序生成DSM和真數(shù)字正射影像。直接圖面提取平面檢測點及高程注記點，利用VRS測量外業(yè)采集影像同名點實際坐標(biāo)值，進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，各分量中誤差均優(yōu)于0.2 m，并通過了河北省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站成果驗收，達(dá)到了預(yù)期效果。

四、結(jié)束語

本文分析了河北省CORS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK測量精度及CORS系統(tǒng)分布狀況，并結(jié)合在保定市大比例尺傾斜航空攝影測量及城市真三維影像生產(chǎn)過程中的實際應(yīng)用，得出結(jié)論：對于1∶2000大比例尺傾斜航空攝影測量作業(yè)，能利用CORS技術(shù)進(jìn)行航空影像檢校場點、像控點測量，其具有作業(yè)精度高、操作簡單、自動化程度高等特點;與常規(guī)測量方法相比，能夠大幅度提高作業(yè)效率，極大地節(jié)約了人力、物力。

對于GPS輔助航空攝影測量而言，河北省中南部地區(qū)CORS站點作為地面基站，借助其連續(xù)性、穩(wěn)定性及可靠性等優(yōu)勢，能滿足作為基準(zhǔn)站要求，提高工作效率并保證了成果精度;而對于北部地區(qū)，由于多是山區(qū)，CORS網(wǎng)分布稀疏，需架設(shè)一定數(shù)量的臨時CORS站，才能滿足1∶200甚至更大比例尺傾斜航空攝影測量的要求。

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