無(wú)地面基站機(jī)載GNSS 輔助航攝技術(shù)在DLG生產(chǎn)中的應(yīng)用

嚴(yán)亞敏

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001）

陜西省東莊水庫(kù)供水工程涉及陜西省關(guān)中地區(qū)西安、銅川、咸陽(yáng)和渭南4 個(gè)地級(jí)市的18 個(gè)縣（區(qū)）,供水對(duì)象包含農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)及工業(yè)園區(qū)、石川河生態(tài)補(bǔ)水三類共10 項(xiàng)；農(nóng)業(yè)灌溉為涇惠渠灌區(qū)145.3 萬(wàn)畝農(nóng)灌；城鎮(zhèn)及工業(yè)園供水包括銅川新區(qū)、西咸新區(qū)（渭北的空港、秦漢、涇河三個(gè)新城）、三原縣城、富平縣城及其莊里、深陜工業(yè)區(qū)共8 個(gè)供水對(duì)象；生態(tài)補(bǔ)水為石川河河道。根據(jù)批復(fù),設(shè)計(jì)年供水量4.35 億m3。

供水工程包括北線工程、中線工程和南線工程3 部分,線路長(zhǎng)約150 km,平均測(cè)圖寬度約1.2 km,線路及各處建筑物測(cè)圖面積約180 km2,采用常規(guī)無(wú)人機(jī)數(shù)字低空攝影技術(shù)需要布設(shè)大量的像控點(diǎn)；同時(shí)大部分線路位于渭北地區(qū),山川塬交錯(cuò)、溝梁峁縱橫,像控點(diǎn)測(cè)量難度大,工期長(zhǎng)。

本項(xiàng)目利用CW-25E 與飛思可量測(cè)相機(jī)（PhaseOne IXURS 1000）集成航攝系統(tǒng),采用無(wú)地面基站機(jī)載GNSS 輔助航攝技術(shù)及“構(gòu)架航線”像控點(diǎn)布設(shè)方法,極大地減少了像控點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量和難度,高效保質(zhì)保量地完成了陜西省東莊水庫(kù)供水工程1∶1000 數(shù)字線劃圖（DLG）生產(chǎn)。該技術(shù)主要是利用安裝在航攝飛機(jī)上與航攝儀固連的GNSS 差分模塊,連續(xù)接受GNSS 衛(wèi)星信號(hào)及航空攝影瞬間航攝儀快門(mén)開(kāi)啟脈沖信號(hào),控制相機(jī)曝光時(shí)間并記錄像片pos 數(shù)據(jù),經(jīng)GNSS 載波相位測(cè)量動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的數(shù)據(jù)后處理獲取航攝儀曝光時(shí)刻攝站的三維坐標(biāo),然后將其視為帶權(quán)觀測(cè)值引入攝影測(cè)量區(qū)域平差中,逐條航線進(jìn)行航攝漂移誤差改正,采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來(lái)整體確定地面目標(biāo)點(diǎn)和像片方位元素[1]。該技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)：僅需在測(cè)圖航線與構(gòu)架航線交叉處各布設(shè)一個(gè)平高控制點(diǎn),大量減少空三加密計(jì)算對(duì)地面像控點(diǎn)數(shù)量的需求,增加了像控點(diǎn)布設(shè)的靈活性,節(jié)約了設(shè)備和人力的投入成本。

1 航攝系統(tǒng)集成

使用CW-25E 無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái),在任務(wù)倉(cāng)中安裝三軸云臺(tái)和GNSS 差分模塊,將飛思相機(jī)（IXU-RS 1000）安置在三軸云臺(tái)上,完成航攝系統(tǒng)集成[2]。GNSS 差分模塊用于控制相機(jī)曝光時(shí)間并記錄像片pos 數(shù)據(jù)。CW-25E 無(wú)人機(jī)性能參數(shù)見(jiàn)表1。PhaseOne IXU-RS 1000 相機(jī)性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 CW-25E 無(wú)人機(jī)性能參數(shù)

表2 PhaseOne IXU-RS 1000 相機(jī)性能參數(shù)

2 航線及像控點(diǎn)布設(shè)

本項(xiàng)目測(cè)圖比例尺為1∶1000,地面分辨率應(yīng)優(yōu)于0.1 m。依照測(cè)區(qū)的地形條件,本項(xiàng)目共分24 個(gè)攝區(qū),測(cè)圖航線航向覆蓋應(yīng)超出攝區(qū)邊界線不少于兩條基線（3 片）、旁向覆蓋應(yīng)超出攝區(qū)邊界線不少于像幅的30%,航向重疊度大于70%,旁向重疊度大于40%。采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)法。

2.1 常規(guī)航線及像控點(diǎn)布設(shè)方法

根據(jù)《低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理規(guī)范》（GB/T 39612-2020）規(guī)定：

（1）無(wú)GNSS 或IMU/GNSS 輔助航攝情況下,航向相鄰控制點(diǎn)的基線跨度一般不應(yīng)超過(guò)4 條基線,旁向相鄰控制點(diǎn)的基線跨度一般不應(yīng)超過(guò)3 條基線。經(jīng)計(jì)算,航向基線長(zhǎng)度157 m,旁向航線間距418 m,即航向每間隔約628 m 布設(shè)1 個(gè)像控點(diǎn),旁向每間隔約1254 m 布設(shè)1 個(gè)像控點(diǎn),全線需布設(shè)像控點(diǎn)約500 點(diǎn),布設(shè)檢查點(diǎn)約125 點(diǎn)。

（2）GNSS 或IMU/GNSS 輔助航攝情況下,航向相鄰控制點(diǎn)的基線跨度一般不應(yīng)超過(guò)15 條基線,旁向相鄰控制點(diǎn)的基線跨度一般不應(yīng)超過(guò)6 條基線,即航向每間隔約2355 m 布設(shè)1 個(gè)像控點(diǎn),旁向每間隔約2508 m 布設(shè)1 個(gè)像控點(diǎn),全線需布設(shè)像控點(diǎn)約125 點(diǎn),布設(shè)檢查點(diǎn)約32 點(diǎn)。

2.2 無(wú)地面基站機(jī)載GNSS 輔助航攝技術(shù)及“構(gòu)架航線”像控點(diǎn)布設(shè)方法

（1）航線布設(shè)

在每個(gè)攝區(qū)分別布設(shè)測(cè)圖航線和構(gòu)架航線,為便于像控點(diǎn)布設(shè),構(gòu)架航線可任意布設(shè),但與測(cè)圖航線必需立體交叉覆蓋。

（2）像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)布設(shè)在測(cè)圖航線與構(gòu)架航線交叉處約50 m 范圍內(nèi)[3],相鄰攝區(qū)間的像控點(diǎn)和構(gòu)架航線可根據(jù)地形條件共用。該方法像控點(diǎn)間距在旁向及航向均可達(dá)到20 km,本項(xiàng)目布設(shè)18 個(gè)像控點(diǎn)即可。由于航攝空域航高限制,相對(duì)航高較低；同時(shí)該項(xiàng)目為線狀供水工程且分批實(shí)施航攝,本測(cè)區(qū)實(shí)際布設(shè)平高像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)99 個(gè),像控點(diǎn)最大航向間距16 km。像控點(diǎn)布設(shè)方法與分區(qū)及測(cè)區(qū)航線見(jiàn)圖1。

圖1 分區(qū)航線與像控點(diǎn)布設(shè)示意圖

3 航攝與像控點(diǎn)測(cè)量

3.1 航攝主要技術(shù)要求

（1）地面分辨率優(yōu)于0.1 m；

（2）相對(duì)航高600 m～700 m；

（3）航向重疊度大于70%,旁向重疊度大于40%；構(gòu)架航線航向重疊度為80%；

（4）像片傾角：一般不大于2°,個(gè)別最大不超過(guò)4°；

（5）像片旋偏角：像片旋偏角不大于15°,在確保航向旁向重疊度滿足要求的情況下,不大于25°；

（6）航線彎曲度：航線彎曲度一般不大于1%。

3.2 像控點(diǎn)測(cè)量

像控點(diǎn)采用基于陜西省連續(xù)運(yùn)行參考站及似大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS 高程測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。

4 空三加密計(jì)算

4.1 空三加密計(jì)算流程

外業(yè)像片控制點(diǎn)測(cè)量完成后,采用專業(yè)航測(cè)軟件Imagnation,按《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》（GB/T 23236-2009）中的相關(guān)要求進(jìn)行空三加密計(jì)算。經(jīng)GNSS 載波相位測(cè)量動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的數(shù)據(jù)后處理獲取航攝儀曝光時(shí)刻攝站的三維坐標(biāo),然后將其視為帶權(quán)觀測(cè)值引入攝影測(cè)量區(qū)域平差中,逐條航線進(jìn)行航攝漂移誤差改正,采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來(lái)整體確定地面目標(biāo)點(diǎn)和像片方位元素?？杖用芄ぷ髁鞒倘缦拢?/p>

（1）建立測(cè)區(qū)目錄及準(zhǔn)備測(cè)區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：測(cè)區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括影像數(shù)據(jù)文件、測(cè)區(qū)信息文件、攝影相機(jī)信息文件、控制點(diǎn)大地坐標(biāo)信息文件。

（2）制作金字塔影像,然后導(dǎo)入相機(jī)參數(shù),完成內(nèi)定向。

（3）加密區(qū)內(nèi)航線間選取航線拼接點(diǎn)、每張航片選取標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位點(diǎn),進(jìn)行相對(duì)定向,即自動(dòng)匹配內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)、構(gòu)建自由網(wǎng)。

（4）刺像片控制點(diǎn),進(jìn)行絕對(duì)定向。

（5）人工修測(cè)連接點(diǎn)的粗差,進(jìn)行光束法整體平差。

（6）在完成加密測(cè)區(qū)與相鄰加密測(cè)區(qū)接邊后,輸出最后空三加密成果。

4.2 空三加密精度檢查

各分區(qū)空三加密精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 空三加密精度統(tǒng)計(jì)表 單位：m

由表3 可知,像控點(diǎn)平面位置殘差均小于±0.30 m,高程殘差均小于±0.23 m；檢查點(diǎn)平面位置較差均小于±0.40 m,高程較差均小于±0.30 m,說(shuō)明空三加密成果精度良好。

5 數(shù)字線劃圖（DLG）數(shù)據(jù)采集及精度統(tǒng)計(jì)與分析

將空中三角測(cè)量加密成果導(dǎo)入航天遠(yuǎn)景MapMatrix4.1 軟件中進(jìn)行定向建模,檢查相對(duì)定向及絕對(duì)定向精度,檢查結(jié)果滿足技術(shù)設(shè)計(jì)要求,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與編輯。

采用GNSS-RTK 作業(yè)方法外業(yè)采集地形點(diǎn),采用同精度檢測(cè)方法對(duì)數(shù)字線劃圖（DLG）進(jìn)行精度檢查,圖幅等高線高程精度檢查結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 圖幅等高線精度檢查統(tǒng)計(jì)表 單位：m

6 結(jié)語(yǔ)

本文利用CW-25E 無(wú)人機(jī)搭載飛思相機(jī)（PhaseOne IXURS 1000）航攝系統(tǒng),采用無(wú)地面基站機(jī)載GNSS 輔助航攝技術(shù)+“構(gòu)架航線”像控點(diǎn)布設(shè)方法,極大地減少了像控點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量和難度,高效保質(zhì)保量地完成了陜西省東莊水庫(kù)供水工程1∶1000 數(shù)字線劃圖（DLG）生產(chǎn),該技術(shù)已在我省多個(gè)大中型水利工程大比例尺數(shù)字線劃圖（DLG）生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。