基于HeNCORS的河南某區(qū)域像控測量研究

張建軍

摘 要：以河南某像控測量任務為背景，論文首先探討了將CORS技術應用于像控測量的工作原理，進而深入探討了具體的作業(yè)流程，包括前期的數(shù)據(jù)準備、像控點的目標選擇、像控點位置標定、像控點的位置測量、內(nèi)業(yè)處理、像控測量誤差來源分析和像控測量的質量保障措施等。結果表明使用CORS不僅能達到像控點測量的精度要求，而且誤差分布均勻、測圖精度高、不存在誤差的積累。

關鍵詞：CORS 像控測量 誤差 質量保證

中圖分類號：P23 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）11（b）-0014-03

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市面貌日新月異，土地利用現(xiàn)狀也隨之快速變化，各種城市發(fā)展決策、規(guī)劃管理需要依靠影像圖來提供更多、更直觀的城市空間信息。目前由于相片的采集成本越來越小，所以影像更新的速度也就越來越快；相應地導致對相片的處理速度、精度和處理的面積等技術要求越來越高。某區(qū)通過獲取2008年10月以后最新的高精度衛(wèi)星遙感影像，經(jīng)過正射糾正、勻色、配準、裁剪等處理手段完成1∶2 000 DOM數(shù)據(jù)庫，而該文主要論述正射糾正作業(yè)過程中影像圖的控制測量（以下簡稱“像控測量”）任務。

該區(qū)位于河南省中部河網(wǎng)地帶，測區(qū)內(nèi)包括建成區(qū)、村莊、河流、湖泊、林地、島嶼等多種地形特征，在市區(qū)內(nèi)建筑物較多，周圍則以河流、樹林、山地為主，交通不便、地形復雜，通視條件較差，常規(guī)的分級控制測量方法基本難以在既定的工期內(nèi)完成任務。

1 CORS應用于像控測量的工作原理

像控測量是指根據(jù)相片在內(nèi)業(yè)設計布點方案并選定能在實地觀測的地物特征點，在實地根據(jù)劃定影像的灰度和形狀確定像控點的位置，外業(yè)實測求解該點三維坐標的過程。該項目則是引入 HeNCORS中網(wǎng)絡RTK測量方法，實時獲得像控點的三維坐標，從而提高作業(yè)質量和效率。

HeNCORS是將現(xiàn)代衛(wèi)星定位、計算機網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)通訊等技術進行多方位、高深度集成的結晶。作為河南省測繪的基礎設施，HeNCORS是河南省的動態(tài)大地定位基準，是各種測繪工作的基礎。系統(tǒng)能夠提供從厘米級到米級的各種精度要求的空間定位服務，能夠為包括國土測繪、形變監(jiān)測、工程施工、城市規(guī)劃、線路施工、地面和空中交通監(jiān)控、公共安全、農(nóng)業(yè)管理、氣象預報、防災減災等領域的不同用戶提供實時、準實時或事后數(shù)據(jù)服務。

HeNCORS是采用了VRS技術作為網(wǎng)絡RTK的技術基礎， HeNCORS的網(wǎng)絡RTK數(shù)據(jù)源選擇有CMR、DGPS、RTCM2.1、 RTCM2.3、RTCM3.0等方式；VRS是集成Internet技術、無線通訊技術、計算機網(wǎng)絡管理和GPS定位技術于一身的系統(tǒng)，它利用固定參考站上的數(shù)據(jù)對工作區(qū)域內(nèi)的誤差進行模型化處理，而模型則用來測量位置的“虛擬”參考站，它能向流動站接收機提供“本地化”、標準格式的修正信息。

像控測量所采用的測量模式。HeNCORS用于像控測量的動態(tài)模式為網(wǎng)絡RTK模式，該模式可直接獲得觀測點的坐標，方便快捷、精度可靠。目前主要適用于低等級控制網(wǎng)和精度要求不高的測量應用，比如四等以下的控制測量、圖根測量、海岸線測量、像控測量等。

2 作業(yè)流程

2.1 前期數(shù)據(jù)準備

為了實現(xiàn)GPS 網(wǎng)與地面網(wǎng)的聯(lián)合平差與高程轉換，GPS網(wǎng)中必須有一定數(shù)量的已知三維地方坐標和GPS坐標控制點，其實際數(shù)量一般不低于3～4個（該項目采用了7個控制點），且要求分布均勻。如果控制點沒有高程，可從附近高精度水準點引測。此外，為了更進一步的驗證平差結果，還要求有一定數(shù)量的已知點作為驗證點。根據(jù)測區(qū)交通和地理環(huán)境信息，精心安排同步觀測計劃，既要保證設計的線路能夠順利在實地標出，又要考慮所選像控點在實地無法觀測等情況，做好在附近找點的準備，更要考慮如何省時高效地完成觀測任務。

2.2 像控點測量

根據(jù)獲取的影像圖，該區(qū)覆蓋了3個條帶的QuickBird影像，共9處景的數(shù)據(jù)需要做正射糾正，而正射糾正采用的像控點必須滿足兩個基本條件：一是像控點必須分布均勻，二是每景像控點個數(shù)必須滿足微分多項式 。根據(jù)該區(qū)的地形地貌特點該方案初步設計對于山區(qū)地段采用四次多項式，平原地區(qū)采用二次多項式來做正射糾正；四次多項式需要的控制點個數(shù)為15個以上，二次多項式需要的控制點個數(shù)為10個；為滿足不同條帶接邊限差，故不同條帶接邊處必須共用相同的控制點數(shù)據(jù)（和相鄰景接邊處一般為3～4個），因此該項目測區(qū)均勻分布共約80個點作為正射糾正的基礎控制點，分布如圖1所示。

2.2.1 像控點的目標選擇

像控點的目標選擇是GPS像控測量中一個關鍵問題，內(nèi)業(yè)選點必須要考慮幾個方面：（1）像控點具有容易識別的特征，在實地、影像圖上均都能明確辨認；（2）像控點應該具有相對永久固定的特征，不容易隨著城市建設頻繁變化；（3）像控點較理想的目標是近于直角而且又近于水平的線狀地物的交點和地物拐角上，如道路交叉點、拐角點、圍墻或平臺的拐角點等；（4）像控點應盡量避免選擇高電區(qū)、高建筑物區(qū)等帶有信號干擾、信號盲區(qū)的地方；（5）像控點附近交通應較為理想。

2.2.2 像控點的位置標定

由于像控點坐標誤差的影響使相片邊緣產(chǎn)生的像點位移和影像變形比中心部分要嚴重。為了提高外業(yè)判讀刺點和內(nèi)業(yè)點位的量測精度，相片所選像控點的位置距相片邊緣要大于1～1.5 cm。像控點選定之后，相片上要準確標示出它的位置。最常用的方法是用細針在像控點的影像上刺一小孔，小孔中心表示該點在相片的精確位置，刺孔不得超過0.1 mm。刺點時要將相片影像與地物形狀仔細對照辨認，點位刺出后，要實地檢查核對并做點之記。該點之記與控制點的點之記不同，主要是為了便于內(nèi)業(yè)人員判點。記錄中要包括點號、刺點位置文字說明，文字字頭朝北，可充分利用代碼記錄更多信息。在內(nèi)業(yè)工作中可以將這些現(xiàn)場的草圖描繪用AutoCAD進行整飾與保存。

2.2.3 像控點的位置測量

（1）設備準備與設置，采用網(wǎng)絡RTK作業(yè)，在該項目只需要準備2.2中所描述的用戶設備，即RTK接收機、接收天線、電源、手簿、通訊模塊（GPRS接入設備）。連接好設備后通過GPRS方式撥號接入系統(tǒng)，用河南省國土局提供的HeNCORS賬號登錄HeNCORS系統(tǒng)，并進行簡單的網(wǎng)絡、解算方式等設置，即可接入HeNCORS系統(tǒng)。（2）野外點校正，像控測量中網(wǎng)絡RTK實測的坐標為WGS-84大地坐標系坐標，而該項目需要的是廣州城建坐標系及西安80坐標系成果。因此，人們必須通過觀測已知點進行聯(lián)測來求解轉換參數(shù)。在靜態(tài)測量中，可通過與地方坐標控制點聯(lián)測，并使用后處理軟件來求取WGS-84坐標與地方坐標的轉換關系，進而把GPS觀測的WGS-84坐標成果轉換為用戶所需坐標成果。（3）觀測與記錄，在該項目中，像控點一般取100個歷元觀測值的平均值作為觀測結果，每個像控點觀測3次，并取平均值作為該點的觀測結果。每個像控點的觀測均要按照《實時定位觀測記錄表》記錄，并在點位上做好標記，用數(shù)據(jù)相機拍照正面、遠景、近景等3張照片。

觀測時有幾點要求：（1）每點均須使用三腳架架設儀器且量取儀器高兩次，兩次讀數(shù)差不大于3 mm，取中數(shù)輸入GPS接收機中。（2）觀測員在作業(yè)期間不得擅自離開測站，并應防止儀器受震動和被移動，防止人為和其他物體靠近天線，遮擋衛(wèi)星信號。（3）兩次初始化成果須野外對比結果，比值為兩次初始化采集的最后一個歷元的空間坐標，較差必須<2；不符合時，加測一次。取較差滿足精度要求的兩次作為觀測成果，如果3次較差均超出精度指標，則在其他時間段重新觀測。所有觀測數(shù)據(jù)、記錄均需要保留，作為對測區(qū)成果穩(wěn)定性、可靠性的考察。（4）遇到無信號情況處理，網(wǎng)絡RTK雖然比常規(guī)RTK 作業(yè)信號要好，但是同樣也存在接收衛(wèi)星不理想的情況。在這種情況下，人們可以適當?shù)卦诟浇R時調(diào)整像控點選點目標，但是新選擇與原選擇的距離最好不要超過100 m，避免導致像控點分布不均勻。

2.3 內(nèi)業(yè)處理

網(wǎng)絡RTK的另一個提高效率的表現(xiàn)在于內(nèi)外業(yè)一體化，相對于在外業(yè)過程中把內(nèi)業(yè)部分的計算（即數(shù)據(jù)后處理）工作已經(jīng)完成，因此，該項目的內(nèi)業(yè)工作主要有以下幾個內(nèi)容。

（1）觀測記錄的整理，觀測記錄的整理包括了觀測記錄的計算整理、像控點位置示意圖詳繪等，涉及到坐標轉換后處理工作的需要將觀測原始坐標文件按照固定的格式進行簡單的編輯。（2）像控點平均值計算，如2.2.3所述，每個點觀測3次，所有單次初始化平均值求取平均值作為該點觀測成果。（3）坐標系統(tǒng)的轉換，坐標轉換主要的兩種方式：一種在手簿軟件中錄入轉換參數(shù)實時轉換；另一種是外業(yè)觀測數(shù)據(jù)全部采用WGS84坐標系。內(nèi)業(yè)后處理，采用計算機計算模式得出用戶所需的轉換參數(shù)以及對應的坐標系成果，兩種坐標轉換方式的原理都是一致的，只是轉換程序的載體不同而已。（4）高程解算，高程解算主要是通過HeNCORS與河南省似大地水準面結合應用進行的，即HeNCORS一般采用河南省似大地水準面成果作為高程求取方法。在進行WGS84坐標系下的約束平差之后得到控制點的大地坐標，將此大地坐標值內(nèi)插到成都似大地水準面模型中解算控制點的正常高程。（5）已知點檢測精度統(tǒng)計表（見圖2）。

其中平面坐標較差的最大值為3.3 cm，高程較差的最大值為 4.0 cm，可以看出HeNCORS測量精度成果具有較高精度，完全滿足像控測量中0.05～1.0 m的精度要求。

2.4 像控測量的誤差來源

根據(jù)像控測量的作業(yè)流程，像控測量的誤差來源主要有3個方面：（1）選點誤差，主要來自于內(nèi)業(yè)人員對影像圖的判讀、圖上標繪、刺點等所引起的誤差；（2）觀測誤差，主要有儀器對中誤差，觀測方法（觀測時長、觀測歷元數(shù)）引起的誤差；（3）HeNCORS本身存在誤差，包括：與衛(wèi)星有關、信號傳播有關、儀器設備有關的誤差。

2.5 像控測量的質量保證措施

像控測量是一項大面積的測繪工作，質量控制應貫穿全過程作業(yè)中，以下是針對應用HeNCORS作業(yè)模式下測量精度的檢驗措施。

（1）已知點的檢測，在測區(qū)內(nèi)找到已有的控制點，人們可以用HeNCORS對其進行觀測及轉換參數(shù)的修正；（2）像控點距離較遠的可采用網(wǎng)絡RTK進行點位重復測量精度檢查；（3）對于較近的像控點可以用常規(guī)儀器（全站儀、水準儀）進行相對精度的檢查，包括兩點之間高差檢查、邊長檢查等。

網(wǎng)絡RTK相對于其他測量方法的優(yōu)勢通過該項目的實施，結合HeNCORS建設理論知識，可以得到HeNCORS在像控測量中對比常規(guī)導線測量、靜態(tài)GPS測量、常規(guī)RTK測量都有著很大的差異，這種差異主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）具有跨行業(yè)特征，可面向不同類型的用戶，不再局限于測繪領域及設站單位；（2）可同時滿足不同需求的用戶在實時性方面的差異，能同時提供RTK、DGPS、靜態(tài)或動態(tài)后處理及現(xiàn)場高精度準實時定位的數(shù)據(jù)服務；（3）參考站網(wǎng)的建立可部分取代常規(guī)測量布控；（4）能兼顧不同的用戶對定位精度指標要求，提供覆蓋m級、dm級、cm級的數(shù)據(jù)；（5）有覆蓋范圍廣、作業(yè)效率高、一次投資長期受益的特點；（6）提供統(tǒng)一的參考坐標系給所有用戶共享，規(guī)范基礎測繪數(shù)據(jù)；（7）提高作業(yè)區(qū)域的精度一致性，降低系統(tǒng)誤差、提供外業(yè)數(shù)據(jù)質量；（8）提高生產(chǎn)效率，單人測量系統(tǒng)成為GNSS主流作業(yè)模式。

3 結論

通過該項目的實施，主要總結了使用CORS與傳統(tǒng)像控測量相比擁有的以下幾點優(yōu)勢。

（1）精度高。使用CORS不僅能達到像控點測量的精度要求，而且誤差分布均勻，測圖精度高，不存在誤差的積累。（2）單機作業(yè)，完全可以滿足大比例尺航測成圖的要求。無需重復架設基準站，不受基站與流動站距離影響，做到真正的單機作業(yè)。（3）內(nèi)外業(yè)一體化?？梢愿鶕?jù)測區(qū)的實際情況選擇合適的坐標轉換參數(shù)求解方法。參與坐標轉換只需要對測區(qū)內(nèi)均勻分布的3個或3個以上的控制點進行復測即可求解轉換參數(shù)，計算可以由手簿自動完成。（4）外業(yè)工作強度降低。在滿足精度要求的情況下，盡可能地減少外業(yè)的工作強度。通過實際測量結果來看，CORS應用于像控測量，操作簡便，靈活方便，不但可以大幅度提高測量速度，而且能夠大大減小作業(yè)人員的勞動強度，這在像控測量中尤為顯著。（5）效益好。主要體現(xiàn)在經(jīng)濟效益和社會效益兩個方面。

參考文獻

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