數(shù)字水準輔助下的航外檢校場GPS控制聯(lián)測應(yīng)用實踐

江振治，胡海彥，陳　虹，黃　艷

1.西安測繪研究所，陜西 西安，710054；2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安，710054

?

數(shù)字水準輔助下的航外檢校場GPS控制聯(lián)測應(yīng)用實踐

江振治1，2，胡海彥1，2，陳虹1，2，黃艷1，2

1.西安測繪研究所，陜西 西安，710054；2.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安，710054

本文應(yīng)用GPS與數(shù)字水準儀相結(jié)合測定航外檢校場像片控制點，對GPS控制網(wǎng)的精度和水準高程擬合精度分別進行了分析探討。經(jīng)內(nèi)業(yè)解析空三加密驗證，證明該方法不僅能夠滿足1∶500比例尺地形圖內(nèi)業(yè)加密及成圖的需要，而且較傳統(tǒng)聯(lián)測方法可提高工作效率5倍以上。

GPS定位技術(shù)；數(shù)字水準儀；平面控制網(wǎng)；高程控制網(wǎng)；像控點；精度分析

1　引　言

傳統(tǒng)的航外控制點測量方法是：像控點平面坐標(biāo)采用在高等級控制點上按極坐標(biāo)測量方式測定，高程則采用圖根水準測量或三角高程測量。無疑，傳統(tǒng)像控點的測量勞動強度大，且易產(chǎn)生人為誤差[1]。隨著科技的快速發(fā)展，一些先進的測量儀器不斷問世，GPS和數(shù)字水準儀就是這其中的佼佼者。利用GPS定位技術(shù)，可以獲取高精度的平面控制網(wǎng)，而采用數(shù)字水準儀則可獲得高精度的高程控制網(wǎng)[2]。筆者基于這一思想，結(jié)合兩種測量技術(shù)，對某試驗區(qū)航外區(qū)域網(wǎng)像控點平面位置與高程位置進行測定，從而滿足大比例尺航空測圖的需要。試驗結(jié)果表明：采用GPS與數(shù)字水準儀相結(jié)合的方法進行三維控制網(wǎng)的布設(shè)，不僅能夠滿足大比例尺地形圖內(nèi)業(yè)加密及成圖的需要，而且相對于傳統(tǒng)方法可以大大提高三維控制網(wǎng)的整體精度和作業(yè)效率[2]。

2　測區(qū)概況

試驗區(qū)的地點位于陜西省某市附近，試驗區(qū)范圍(20km×20km)，海拔高度在480～850m左右；其中，航外檢校場標(biāo)志點布設(shè)區(qū)域為(4.2km×4.2km)，布設(shè)約441個高精度的標(biāo)志點用于大比例尺像片控制內(nèi)業(yè)加密測圖以及滿足航空攝影測量處理精度分析的需要，要求標(biāo)志點平面精度優(yōu)于±1.5cm，高程精度優(yōu)于±1.5cm。試驗區(qū)地形條件比較復(fù)雜，原有高等級控制點較少，與像控點相距較遠，且不通視，東南部是山區(qū)，北部是漢江，山地、居民地、公路鐵路和水系河流分布在測區(qū)中間，點位的觀測條件很不理想。在測區(qū)周邊10km處，有國家B級GPS控制點三個、國家1985年高程系二等水準點三個，圖1中綠線標(biāo)示部分為控制點的大概方位距離。整個測區(qū)方位略圖如圖1所示。

圖1　測區(qū)方位略圖

3　GPS聯(lián)測標(biāo)志點的作業(yè)步驟

3.1標(biāo)志點布設(shè)、選點

航外檢校場布設(shè)標(biāo)志點數(shù)量為441(21×21)個。點的位置按規(guī)則格網(wǎng)布設(shè)，采用縱向200m、橫向200m方格網(wǎng)狀布點。在布設(shè)標(biāo)志點時既要考慮測站本身是否滿足像控點的條件，又要考慮測站是否有利于接收衛(wèi)星信號，因此，測站像控點應(yīng)選擇在視野開闊的地方，而且要避免多路徑效應(yīng)的影響[3]。

3.2GPS控制網(wǎng)布設(shè)

GPS網(wǎng)型設(shè)計對整個測量方案的可靠性、成果的精度、工作效率等指標(biāo)影響很大，在實際布網(wǎng)設(shè)計時遵循以下幾個原則：

(1)GPS網(wǎng)一般應(yīng)采用獨立觀測邊構(gòu)成閉合圖形，如三角形、多邊形或附合線路，以增加檢核條件，提高網(wǎng)的可靠性。

(2)GPS網(wǎng)作為測量控制網(wǎng)，其相鄰點間基線向量的精度，應(yīng)分布均勻。

(3)GPS網(wǎng)點應(yīng)盡量與原有地面控制點相結(jié)合。重合點一般不少于2個(不足時應(yīng)聯(lián)測)，且在網(wǎng)中分布均勻，以可靠地確定GPS網(wǎng)與地面之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

(4)GPS網(wǎng)點應(yīng)考慮與水準點重合，而非重合點，一般應(yīng)根據(jù)要求以水準測量(或相當(dāng)精度的測量方法)進行聯(lián)測，或在網(wǎng)中布設(shè)一定密度的水準聯(lián)測點。

(5)為了便于GPS的測量觀測和水準聯(lián)測，減少多路徑影響，GPS網(wǎng)點一般應(yīng)設(shè)在視野開闊和交通便利的地方。

(6)GPS網(wǎng)必須由非同步獨立觀測邊構(gòu)成若干個閉合環(huán)或附和線路。本次試驗E級GPS網(wǎng)中每個閉合環(huán)或附和線路中的邊數(shù)應(yīng)≤10。

GPS網(wǎng)的圖形布設(shè)通常有點連式、邊連式、網(wǎng)連式及邊點混合連接、三角鎖連接、導(dǎo)線網(wǎng)連接、星形連接等幾種基本方式。本次觀測主要采用邊連式，同時使用10臺接收機，組成GPS網(wǎng)，能保證網(wǎng)的幾何強度，提高網(wǎng)的可靠指標(biāo)。

為提高GPS測量精度，應(yīng)保證測量基線邊長基本一致，因此，在實際靜態(tài)觀測過程中，將人員和儀器分成10組，東西方向每組間隔1km，南北方向間隔2km，每一時段觀測結(jié)束后向同一方向前進，時段之間采用邊連接。

3.3外業(yè)觀測

外業(yè)觀測首先建立首級控制，由2個B級GPS點發(fā)展8個D級GPS點(點位分布如圖2所示，圖中藍色框為標(biāo)志點布設(shè)區(qū)域)，首級控制以C級GPS標(biāo)準進行觀測，對10個點同步觀測120分鐘，基線解算合格后進行無約束平差。以1381和1378兩個B級CGCS2000控制點為約束條件，平差計算GPS1，GPS3，GPS4，0101,0121,2101,1719共8個D級點的CGCS2000三維坐標(biāo)。

標(biāo)志點測量采用10臺雙頻GPS接收機，接收機標(biāo)稱精度為5mm+1ppm。按照E級GPS觀測方法，歷時6天、61個時段，每個時段觀測約40分鐘，最終完成441個標(biāo)志點的外業(yè)靜態(tài)觀測。觀測過程完全滿足《GBT18314-2009 全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》中E級控制網(wǎng)的觀測要求。

圖2　首級GPS控制網(wǎng)

GPS測量所得的大地高H的相對基準是WGS84橢球，我國規(guī)定采用正常高高程系統(tǒng)作為我國高程的統(tǒng)一系統(tǒng)，要解求正高H正常，就必須測定似大地水準面差距ξ。通常我們采用GPS水準高程[4]來確定測區(qū)范圍的似大地水準面，間接求得兩球面的差距ξ，再來反求測區(qū)范圍其他標(biāo)志點的高程。本試驗通過對測區(qū)比較均勻分布的15個標(biāo)志點進行了三等水準測量，得出15個點的高程，作為整個測區(qū)的高程基礎(chǔ)控制數(shù)據(jù)，對全區(qū)進行高程擬合，最終擬合出測區(qū)所有標(biāo)志點的高程值。水準測量儀器為徠卡電子水準儀配合銦鋼條碼尺，采用往返觀測的方法，奇數(shù)站按“后前前后”，偶數(shù)站按“前后后前”的觀測順序在相鄰站上交替進行。為保證視距不超過50m，前后視距差不超過1m，視距差累積不超過3m，在設(shè)站前需要用皮尺量距來確定轉(zhuǎn)點點位和儀器的位置，并且要在各測站間調(diào)整視距差累積差。在轉(zhuǎn)點處要安置尺墊，觀測完一站后，前視方向變?yōu)楹笠暦较?，后視方向變?yōu)榍耙暦较蚶^續(xù)觀測，直至觀測完畢。水準聯(lián)測點位分布如圖3所示。

圖3　測區(qū)水準點位分布圖

3.4精度分析

GPS網(wǎng)基線向量解算與檢核GPS數(shù)據(jù)采集后，采用天寶TBC3.5軟件進行基線向量解算。基線向量的檢核包括同步環(huán)檢測和異步環(huán)檢測, 其限差按《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》執(zhí)行?；€解算中誤差最大值為16.27mm，最小值為0.21mm，平均值4.03mm，基線解算中誤差都優(yōu)于20mm的規(guī)范要求?；€相對精度統(tǒng)計見表1。

表1基線相對精度統(tǒng)計

誤差區(qū)間1/1萬-1/4萬1/4萬-1/6萬<1/6萬百分比2.0%10.83%87.17%

從上面精度統(tǒng)計可以看出，GPS網(wǎng)基線解算精度較高，GPS在小范圍短基線測量中的基線相對精度要比在大范圍長基線測量中的基線相對精度低，但一般也都能滿足1/1萬的相對誤差精度要求。這表明GPS也可以勝任小范圍布網(wǎng)工作[2]。

同步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長閉合差，應(yīng)滿足：

(1)

(2)

=14.9mm

(3)

式中,σ為弦長標(biāo)準差,單位為mm；WX、WY、WZ、W環(huán)分別為同步環(huán)坐標(biāo)分量及環(huán)線全長閉合差,單位為mm；a為固定誤差,單位為mm；b為比例誤差系數(shù)；d為相鄰點間平均距離，單位為km。

根據(jù)軟件解算輸出的基線向量成果，對各時段同步環(huán)進行檢查，同步環(huán)閉合差統(tǒng)計見表2。

表2GPS同步環(huán)精度統(tǒng)計

項目最大值(mm)最小值(mm)平均值(mm)限差(mm)WX2.8620.0011.494WY3.0480.0012.594WZ2.9540.0032.1475.162W環(huán)4.3680.1083.7548.940

從同步環(huán)精度統(tǒng)計可以看出，儀器精度正常，軟件解算正確。

異步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差及環(huán)線全長閉合差，應(yīng)滿足：

(4)

(5)

式中,σ為弦長標(biāo)準差(σ同公式3),單位為mm；WX、WY、WZ、WS分別為同步環(huán)坐標(biāo)分量及環(huán)線全長閉合差,單位為mm。

全網(wǎng)共檢查異步環(huán)239個，閉合差統(tǒng)計見表3。

表3 GPS異步環(huán)精度統(tǒng)計

項目最大值(mm)最小值(mm)平均值(mm)限差(mm)WX8.9270.0062.446WY17.9620.0043.895WZ17.7530.0262.93777.423WS21.0211.2976.297134.100

3.5網(wǎng)平差計算

3.5.1三維無約束平差

為全面檢查GPS網(wǎng)內(nèi)部符合精度，進一步探測可能存在的粗差，對基線向量在WGS84坐標(biāo)系中進行三維無約束平差(如圖4所示)，并形成高程擬合所需的數(shù)據(jù)[5]。求得各基線向量在WGS84坐標(biāo)系內(nèi)的每條基線分量改正值并予以檢查，及時發(fā)現(xiàn)含有較大改正值的基線， 根據(jù)具體情況采用剔除或補測的方法進行處理。本網(wǎng)共計1869條基線全部通過檢驗, 無約束平差中，基線向量的改正數(shù)絕對值應(yīng)滿足以下要求：X方向中誤差VΔX≤3σ，Y方向中誤差VΔY≤3σ，Z方向中誤差VΔZ≤3σ。實際計算結(jié)果VΔX最大值為11mm，VΔY最大值為24mm，VΔZ最大值為16mm，均小于限差3σ=44.79mm(σ同公式3)。表明GPS靜態(tài)網(wǎng)在WGS84坐標(biāo)系內(nèi)部符合精度良好， 完全可以直接利用數(shù)據(jù)進行二維平差。

圖4　GPS控制網(wǎng)聯(lián)測圖

3.5.2標(biāo)志點二維約束平差

根據(jù)基線解算成果，以首級控制計算的0101,0121,2101,1719四個D級點為起算點，對全網(wǎng)進行二維約束平差。平差中GPS網(wǎng)能較好地符合于基準點上，GPS控制網(wǎng)的二維約束平差后點位精度統(tǒng)計見表4。

表4平差后點位精度統(tǒng)計

點位中誤差(m)mXmYmXY±0.007±0.009±0.011

二維平差后標(biāo)志點平面中誤差為±0.011m，滿足了航外檢校場±0.15m設(shè)計精度指標(biāo)要求，同時也滿足了1∶500比例尺像控點平面精度(±0.05m)的需要。

3.5.3高程控制網(wǎng)的精度統(tǒng)計

利用在測區(qū)周圍10km處國家二等水準成果和15個經(jīng)三等水準聯(lián)測的測區(qū)標(biāo)志點的高程成果，采用帶有附加地形改正的曲面擬合方法，對全網(wǎng)進行高程擬合，其高程擬合平差的內(nèi)符合精度中誤差為±0.012m，小于四等高程擬合0.02m的精度要求。另外對15個經(jīng)三等水準聯(lián)測的標(biāo)志點擬合高程中誤差進行了統(tǒng)計，相對于三等水準高程中誤差[6]為±0.009m，具體差值見表5。

表5擬合高程和幾何水準比較表

點名水準高(m)GPS擬合高(m)差值(m)0109480.437480.4270.0110302481.065481.0530.0140317483.248483.251-0.0030319481.431481.4230.0080517483.249483.255-0.0061102485.810485.8000.0101112483.856483.8470.0091113489.046489.051-0.0051302493.779493.7730.006

續(xù)表

從上表可以看出，本次測量成果均達到了四等幾何水準的要求。這表明高程擬合所求得的各像控點高程可靠，精度良好。高程精度滿足了航外檢校場±0.15m設(shè)計精度指標(biāo)要求，同時也滿足了1∶500比例尺像控點高程精度(±0.05m)的需要。

4　內(nèi)業(yè)空三加密

在檢校場區(qū)域采用面陣CCD航攝相機進行光束法空中三角測量作業(yè)處理，相機及攝影參數(shù)見表6，航跡規(guī)劃如圖5所示。

表6面陣相機及攝影參數(shù)

項目資料參數(shù)相機焦距(mm)44.87像幅(K)6×8像元大小(μm)6相對航高(m)1500航向重疊35%旁向重疊65%GSD(m)0.2航線數(shù)8航片數(shù)64加密點數(shù)890地面總標(biāo)志點數(shù)41

圖5　航跡規(guī)劃

作為像控點的應(yīng)用以及驗證測量精度，根據(jù)外業(yè)布設(shè)的平高控制點的GPS三維成果以及測區(qū)的其它資料,選取部分標(biāo)志點控制數(shù)據(jù)作為控制點及檢查點，按照規(guī)范要求對成圖所需的控制點進行內(nèi)業(yè)空三加密，區(qū)域控制點中誤差、檢查點中誤差均符合《1∶500，1∶1000，1∶2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(GB 7930-87)的要求，從41個均勻分布在測區(qū)的標(biāo)志點中選取了6個作為控制點，其他35個作為檢查點。具體精度統(tǒng)計見表7。

表7空三加密精度統(tǒng)計

平差方案地面標(biāo)志點(圓形靶標(biāo))中誤差(m)mXYmZ周邊布點(光束法)控制點6個±0.042±0.088檢查點35個±0.094±0.092

從精度統(tǒng)計結(jié)果可以看出，空三加密后檢查點的點位精度達到了±0.131m，可以滿足1∶500比例尺地形圖加密點精度(±0.18m)的要求。

5　結(jié)　論

通過應(yīng)用GPS與數(shù)字水準儀相結(jié)合測定像控點的實踐，并利用實際航攝資料評價了像控點的測量精度，空三試驗結(jié)果表明，像控點的平面及高程精度都滿足了1∶500比例尺加密成圖精度要求，可得出如下結(jié)論。

(1)用常規(guī)控制測量的方法(如：交會法、導(dǎo)線測量、引點法等), 需要考慮測點間的通視, 往往需要做大量的過渡點, 且經(jīng)常受天氣條件的影響, 效率較低，此次飛行試驗區(qū)地形較復(fù)雜，測區(qū)沒有高等級的控制點，要從幾十公里外引點，若按相同的人員工作至少需要一個月才能完成試驗場布設(shè)。而采用GPS技術(shù)聯(lián)測像控點, 6天完成試驗區(qū)的布設(shè)，比傳統(tǒng)方法可提高工效5倍以上。

(2)選點時, 點位要便于信號的接收和不受干擾。

(3)在范圍不大的平原或丘陵地區(qū)，在水準起算點足夠且分布均勻的情況下，利用高程擬合計算的成果能夠達到Ⅳ等水準測量精度要求，完全可以滿足大比例尺測圖對高程的精度要求。

(4)用GPS技術(shù)直接測定像控點的坐標(biāo), 其點位精度高且均勻一致, 成果可靠。

(5)用GPS技術(shù)聯(lián)測的像控點, 無論從精度和時間，還是從經(jīng)濟角度來看, 都要比常規(guī)測量手段優(yōu)越,值得在大中小比例尺航測成圖中大力推廣應(yīng)用。

[1]陳乃權(quán),劉學(xué)斌,喻華. GPS 用于大比例尺航外像控點測量的幾個主要問題[J].城市勘測,2001，(2)22-23.

[2]李井春，夏立福. GPS與數(shù)字水準儀相結(jié)合進行三維控制網(wǎng)的布設(shè)[J].海洋測繪,2008(2)：59-60.

[3]倚言壽. 定位技術(shù)應(yīng)用于航外像片控制聯(lián)測[J].測繪技術(shù)裝備,2001(4)：15-16.

[4]沈?qū)W標(biāo)．GPS水準高程擬合精度的分析[J]．測繪通報，1998(7)：21-22.

[5]馬天馳，李秀海，郭英起.用GPS定位技術(shù)確定像控點的實踐[J].測繪工程,1999(1)：57-58.

[6]緱曉陽. GPS擬合高程的精度分析及應(yīng)用[J].科協(xié)論壇,2009(8)：84-86.

Application of GPS Conjunction of Control Survey for Aerial Photogrammetric Calibration Field with Digital Leveling Equipment

Jiang Zhenzhi1,2, Hu Haiyan1,2, Chen Hong1,2, Huang Yan1,2

1.Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054,China 2.State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054,China

In this paper, the coordinates of image control points for aerial photogrammetric calibration field are measured with static GPS and digital leveling equipment. The precision of GPS control network and the elevation fitting precision of digital leveling equipment are analyzed and studied. It is verified by encrypted aerial triangulation that this method can satisfy the requirements of the office encrypted work of 1∶500 scale topographic mapping and increase work efficiency by at least five times compared with the traditional surveying method.

GPS positioning technology; digital leveling equipment; horizontal control network; elevation control network; image control point; accuracy analysis

2016-02-02。

江振治(1966—)，男，副研究員，主要從事攝影測量與遙感方面的研究。

P231

A