GPS在航空攝影輔助空中三角測量中的應用研究

楊海鋒

摘 要：人們對太空的探索不斷加深，科學家利用航空攝影向地球傳輸太空照片，然而傳統(tǒng)的航空攝影通常需要在地面設立野外控制點，通過這些控制點來獲得攝影照片，并且應用空三加密技術來獲得外方位元素。這種傳統(tǒng)的方法對測量的要求較高，尤其是在野外的工作量較大，耗費較高的人力及資源成本，并且使航拍的難度增大。然而，全球定位系統(tǒng)（GPS）的發(fā)展與成熟，極大的降低了航空攝影的難度，有效的解決了野外控制點的制約和限制，不僅提高了航空攝影的質(zhì)量，同時還在很大程度上降低了航空攝影的成本。

關鍵詞：GPS 航空攝影 三角測量 航空攝影測量

中圖分類號：P228.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0042-02

對于全球定位系統(tǒng)人們并不陌生，并將其成為GPS。全球定位系統(tǒng)已經(jīng)廣泛被應用到人們的日常生活當中，最為常見的就是汽車導航系統(tǒng)，在給人們提供便利的同時，也極大的降低了人們的生活成本。GPS能夠?qū)Φ乩砦恢眠M行快速而準確的定位，這使其能夠被應用到三角測量中，以解決航空攝影的控制點確定問題。同時，利用DPS能夠在地面上通過設備實現(xiàn)更為簡單的監(jiān)控，其具體的步驟是現(xiàn)在飛機上利用架設多臺GPS接收機，然后將地面受點發(fā)出的信號進行記錄并連接，利用動態(tài)載波DPS實現(xiàn)精準的動態(tài)定位，獲取離線數(shù)據(jù)后對這些數(shù)據(jù)進行處理，進而確定航空攝影機的曝光時間，太空攝影站點在接收到地面發(fā)出的信號后，在測定的WGS-84坐標系中確定三維坐標，將攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差的定義引入后，能夠計算出相對應的大地坐標。

利用GPS技術的最大優(yōu)勢在于能夠根據(jù)GPS測得的數(shù)據(jù)盡可能少的設立地面接收點，在人們的不斷的努力與實踐過程中，已經(jīng)確立了GPS技術在航空攝影中的技術優(yōu)勢。由于所設立的部分地面接收點處于深山老林中，人工測繪的工作難度非常大，危險系數(shù)也非常高，更重要的是所測得的數(shù)據(jù)也并不是非常精確，這對下一步工作的開展造成很大影響。利用GPS技術來輔助和強化空三測量技術，可以很好的解決這個問題，不僅在數(shù)據(jù)測繪方面更加準確，同時也節(jié)省了大量的人力與設備成本。這里結合重慶江源工程勘察設計有限公司在某地的具體測量情況對GPS在空中三角測量中的應用進行分析。

1 項目需求與工作要求

在地面工作的航空攝影測量人員首先要明確航空攝影分區(qū)的數(shù)量，并確定加密分區(qū)的數(shù)量，獲得構架航線的數(shù)量，以此來準備符合實際要求的設備。在本項目中，技術人員設定了4個航空攝影分區(qū)以及8個加密分區(qū)，起構架航線的數(shù)量為10條。為了保證順利的完成地面三角測量工作，在地面設有2個基準站、23個地標點以及20個檢測點，其技術標準符合1985國家高程基準，確保GPS輔助航空攝影空中三角測量的順利實施。

2 項目勘踏地標點

由于項目監(jiān)控點是距離市區(qū)較遠的山區(qū)地帶，人們生活水平相對落后，交通非常不便，這對項目的開展造成很大阻力。根據(jù)項目本身的需求與測量點的實際情況，需要結合當?shù)氐匦蔚膶嶋H情況，在山頂、平原、空曠地帶、農(nóng)田、高層建筑上分別架設地標點，這些地標點多數(shù)是在山頂及其建筑物的頂端，測量人員所架設的測量點符合航空拍照的標準，在設計上也要符合測量的要求。

3 項目布置地標點

利用GPS輔助空中三角測量要對地標點采取不同的標志進行區(qū)分，利用不同的顏色來進行標記。地標點要與航空拍攝的路線重合，這些地標點要覆蓋航空拍攝的范圍，以保證控制滿幅，在相鄰標準點的設置上，其距離要不大于1 km，在基準站點的設置上，要根據(jù)實際情況進行布設，利用不銹鋼強制對中中心標志。此外，所有的23個地標點在標志的設置上采用一定的圖形，通常為Y形、T形以及方形，在標志點的用料方面多采用白油漆和黑油漆，如要粉末標注地則采用黑碳粉和白石灰粉，同時也有應用薄膜的情況，并且這些薄膜已經(jīng)被油漆刷上所需要的顏色。

4 項目觀測

4.1 地面基準站聯(lián)測

在地面檢測站方面，設備上采用天寶5700型雙頻GPS接收機，在觀測時段上為2小時，數(shù)據(jù)采樣時間間隔為30s，觀測衛(wèi)星數(shù)目不小于2顆，衛(wèi)星截止高度角為5°，這樣能夠盡量減少其他因素的干擾，確保地面基站的實際應用效果，使航空拍攝能夠順利進行。地面上所架設的2個基準站的相關設備和儀器部署到位，觀測次數(shù)分為24h和8h兩次，并將兩次所獲得的數(shù)據(jù)進行收集，同時還要對GPS中的數(shù)據(jù)進行校正，利用相關設備進行格式轉換，以確保數(shù)據(jù)的客觀性，進行格式轉換所應用的軟件是TEQC數(shù)據(jù)預處理工具軟件，以此來對測量獲得的數(shù)據(jù)進行分析，當測量數(shù)據(jù)與目標數(shù)據(jù)吻合后，應用GPS來協(xié)助完成航空攝影空中三角測量。據(jù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，利用GPS輔助航空攝影的空中三角測量數(shù)據(jù)利用率高達100%，基礎要求為數(shù)據(jù)利用率要在85%以上，多路徑效應的最大值為0.3，基礎要求為小于0.5，這表明利用GPS協(xié)助空中三角測量所獲得的數(shù)據(jù)符合標準，所得數(shù)據(jù)具有極強的可靠性。

4.2 對空地標點觀測

對空地標點的觀測同樣采用天寶5700型雙頻GPS接收機，依托基準站對數(shù)據(jù)進行全天候監(jiān)測，而地標點的監(jiān)測時間為2 h。若對空地標點基準站的距離在100 km以上時，地標點的最佳監(jiān)測時長（UTC）為2 h～4 h，這樣做的目的是為了提高對空地標點的測量精度。與地面基準站聯(lián)測數(shù)據(jù)相類似，在軟件上同樣采用TEQC數(shù)據(jù)預處理工具隊數(shù)據(jù)進行分析和檢測，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性滿足設計要求。

4.3 基準站高程聯(lián)測

在基準站高程聯(lián)測方面，本項目啟于沙田95、沙田96兩個水準點。在具體的基準站高程聯(lián)測方面的具體步驟為：在建筑物的附近采用四等水準精度確立固定點，然后采用電磁波高程導線的方法來進行測量，最終獲得基準站高程，并對所獲得的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和分析，獲得處理結果，最終在基準站高程聯(lián)測方面中所測量的各項數(shù)據(jù)均達到設計標準。endprint

4.4 GPS輔助空三角測量數(shù)據(jù)采集

由于存在地面與空中的數(shù)據(jù)交換，同時存在大量數(shù)據(jù)的傳送，在進行GPS輔助空三角測量數(shù)據(jù)采集時需要注意以下幾個方面的問題：首先，要確保地面基準站的設備運轉正常，保證接受數(shù)據(jù)的精度；其次，基準站與地標點的架設方面要注意在地勢的選擇上，要盡量選擇地勢平坦的地方，或者是植被覆蓋良好的山頂，這有利于地面與空中的“對話”，是動態(tài)接收機能夠更加容易的捕捉并接收信號；其次，在設計要求上要根據(jù)衛(wèi)星組合圖形來確定攝影期間基準站的數(shù)據(jù)采樣時間，其最佳時間間隔為1 s；最后，在觀測時段長度（UTC）要符合設計要求，在進行航空攝影時，2個地面基準站要同時開啟并進行監(jiān)測，在數(shù)據(jù)收集方面在飛機起飛前的20 min開始，直至飛機落地不動后20 min為止，這期間都要保持GPS接收機的正常工作，進而獲得同步的GPS數(shù)據(jù)，并對所測量的數(shù)據(jù)進行檢測，確保檢測結果符合設計要求。

4.5 機載GPS天線偏心分量測定

從航空攝影的角度來進行分析，采用GPS動態(tài)定位時刻時，與攝影機上的時刻并不同步。GPS動態(tài)位解算后，可以得出一套連續(xù)的坐標序列，為了使攝站的位置更為精確，需要將偏心矢量的因素考慮在內(nèi)，根據(jù)坐標序列中內(nèi)插攝影機在進行攝影的瞬間所有用的中心位置，也就是攝影機在進行拍攝時的站位置。航空攝影在進行拍攝的瞬間，利用天線來對相位中心進行推算，進而計算出推算的值。這個結果與GPS采樣的時間間隔由很大關系，因而必須要關注曝光瞬間時間內(nèi)插的精度，確保航空攝影的準確性。在高精度GPS測量中，通常會內(nèi)置內(nèi)插器（CET），利用內(nèi)插器來將曝光時間插入。航空飛機在工作的過程中，攝影機在進行拍攝的同時將會放出一個同步脈沖，在利用計算機對脈沖數(shù)據(jù)進行處理后，即可將曝光時間歸化為GPS時間，進而獲得某一曝光瞬間攝影站的空間位置。

5 檢查

5.1 檢測點的觀測

在航空攝影傳輸回攝影航拍像片后，為了檢驗整合項目的質(zhì)量和水準，可在第5加密區(qū)選擇2個地物點作為地標點；在第8加密區(qū)選擇4個地物點作為地標點，并輔以20個檢測點同時對GPS數(shù)據(jù)進行觀測。在點位分布中，大部分點位于基準站之間的距離都在100 km以上，基準站、地標點、檢測點之間的聯(lián)測時間不小于3 h，采樣時間間隔為15 s，衛(wèi)星數(shù)不小于4顆，衛(wèi)星截止高度角為15°。數(shù)據(jù)分析與檢測采用TEQC進行，所得數(shù)據(jù)符合設計標準。

5.2 檢測區(qū)等外水準聯(lián)測

為了對高程進行檢驗，以1985國家高程基準為標準，在3個地標點與26個檢測點實施水準聯(lián)測，并對4個檢測點和3個地標點進行四等水準精度的電磁波高程導線聯(lián)測，所測數(shù)據(jù)精度指標符合設計標準。

6 結論

本項目需要技術人員根據(jù)實際地形來設立地標點，并且根據(jù)地標點明確測量點的位置，并對潛在的干擾因素進行排查。在數(shù)據(jù)的準確度方面，運用計算機軟件進行核查，確保數(shù)據(jù)精度符合標準在進行下一環(huán)節(jié)的工作。本項目成功測量向我們展示出GPS在空中三角測量的實際應用，指明了運用GPS進行動態(tài)定位所具有的優(yōu)勢，不僅降低了人工作業(yè)的難度和強度，提高工人的工作效率，還節(jié)省了測量項目的成本。本次測量項目的成功展示出GPS在航空攝影輔助空中三角測量中的應用，表明這項技術擁有較為廣闊的發(fā)展空間，應用到測量技術方面能夠為測量工作帶來極大便利。

參考文獻

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