GPS辅助空三加密在摄影测量中的应用

GPS辅助空三加密在摄影测量中的应用周晓云（广西第二测绘院广西柳州545006）【摘要】介绍了GPS辅助空中三角测量的基本原理，利用广西百色地区1∶10000GPS辅助空三加密的实际作业，表明GPS辅助空中三角测量在山区地区可以明显减少地面控制工作的同时，测量精度依然能达到生产要求。【关键词】摄影测量空中三角测量空三加密GPS辅助构架航线0引言空中三角测量是立体摄影测量中，根据少量的野外控制点，在室内进行控制点加密，求得加密点的高程和平面位置的测量方法。其主要目的是为缺少野外控制点的地区测图提供绝对定向的控制点。空中三角测量一般分为两种：模拟空中三角测量即光学机械法空中三角测量；解析空中三角测量即俗称的电算加密。空中三角测量经历了模拟法和解析法两个阶段，现在已经向全数字自动化迈进。解析空中三角测量是指用计算的方法，根据航空像片上量测的像点坐标和少量地面控制点，采用较严密的数学公式，按最小二乘法原理，用数字电子计算机解算待定点的平面坐标和高程。解析空中三角测量目前常用的方法是区域网平差。区域网平差是指在由多条航线连接成的区域内进行控制点加密，并对加密点的平面坐标和高程进行的整体平差。进入数字摄影测量以后，“加密点”的涵义只是要将影像连接成航带、连接成区域，将整个区域的影像连接，构成一个整体。1GPS辅助空三加密的特点众所周知，航摄像片的定向一直是摄影测量的基本问题之一。根据摄影几何反转原理，为了重建可量测的几何立体模型，首先必须要知道像片的内、外方位元素。长期以来，像片的内方位元素主要是实验室采用物理方法检定的，而像片的外方位元素则主要依靠空中三角测量和大量地面控制点来间接解求。GPS辅助空中三角测量是利用安装于航摄飞机上与航摄仪相连接的和设在地面上一个或多个基准站上的至少两台GPS信号接收机同步而连续观测GPS卫星信息、同时获取航空摄影瞬间航摄仪快门开启脉冲，通过GPS载波相位测量差分定位技术的离线数据后处理获取航摄仪曝光时刻摄站的三维坐标，然后将其作为附加观测值引入摄影测量区域网平差中，经采用统一的数学模型和算法以整体确定物方点位和像片方位元素并对其质量进行评定的理论、技术和方法。摄影测量区域网平差分为航带法、独立模型法和光线束法三种类型。它们所解求的未知数除加密点的三维坐标以外，还与像片的外方位元素有关，这是一组与GPS确定的摄站坐标密切相关的量。由于，航带法解求的是自由航线网的非线性变形改正参数，独立模型法解求的单元模型的空间相似变换参数，光束法解算的未知数直接为航摄像片的外方位元素，因而最便于引入GPS摄站坐标。而且，理论上讲，三种平差方法中光线束法是最为严密的摄站测量平差方法。2GPS辅助光束法区域网平差原理GPS辅助光束法区域平差就是利用相位差分动态GPS定位技术精确测定摄影中心的三维坐标，将它们作为辅助数据参加摄影测量与非摄影测量观测值的联合平差。以达到用GPS摄站作为空中控制来取代地面控制点的目的，使区域网平差所需的地面控制点大大减少，使之少到只要解决数据基准和削除GPS数据系统误差的程度。一般只要在区域的四角布设4个平高地面控制点，再在区域两端布设两排高程地面控制点或是加摄两条垂直构架航线就足够了（如图1）。图1是国际上推荐使用的地面控制方案：在区域四角布设四个平高地面控制点，且在区域两端布设两排高程地面控制点或加摄两条垂直构架航线[2]。图1（a）为四角平高控制点+两排垂直高程控制点；图1（b）为四角平高控制点+两条垂直构架航线。一旦这些控制点可从已有的高等级国家大地测量控制网点中找到，就相当于取消了航测外业中艰苦的像片野外控制联测工作。这对于缩短航测成图周期、减少或免除在困难地区或人员不可能到达地区的航测外业工作具有及其重要的意义。而且，推广使用后，将会改变航测生产的产业结构，明显提高生产效率。图1研究表明，GPS摄站坐标能明显地稳定区域网平差的精度和可靠性。事实上，当代的全数字化摄影测量系统均具有GPS辅助光束法区域网平差的功能。3GPS辅助空三加密在实际生产中的应用以百色测区1：10000GPS辅助空三加密项目为例，使用了PBBA光束法自动空中三角测量系统GEOLORD_AT（JX4）进行空三加密。本测区属于山区丘陵地带。覆盖1：1万地形图共1056幅，约31114平方公里。共划分为4个航摄分区，8个加密分区，计划布设10条构架航线。以百色测区2区为例，该区域有18条航线，其中2条垂直构架航线。每条航线像片数一般50张左右，航线像片数最多为57张，在空三加密区域4个角上分别布设4个外业控制点作为加密定向点（如布点略图2），同时在加密区域东边把原按常规加密布设邻加密区域的15个外业控制点放入该测区当检查点来检验加密精度。图2百色2区测区光束法整体平差精度检测报告：附加参数个数：3总像点数：323950总像片数：863总模型点数：109834地面定向点的权P=10.000000输入空间GPS定向点的平面、高程权：5.0000001.000000地面定向点误差（m）：4.0001.500No.DX（m）DY（m）DZ（m）PS05-0.1110.0010.033PS150.0230.3460.038PS04-0.383-0.837-0.087PS140.095-0.0740.034地面检查点的误差（m）：5.0002.000No.DX（m）DY（m）DZ（m）P001-0.2160.002-0.802G005-0.0900.499-0.334P013-1.079-0.452-0.763G0210.1360.906-0.158P029-0.286-0.0860.111G0390.7030.758-0.484P048-0.3630.161-0.488G0560.701-0.049-0.786G064-0.3861.018-0.734P072-0.0600.582-0.104G0810.780-0.040-0.078G090-0.6670.531-0.462P0990.4920.1480.723G108-0.1470.8621.021P118-0.4200.0540.633检查点中误差（m）：Mjx=0.522Mjy=0.536Mjz=0.589Mjs=0.748最大误差（m）：Maxjs=1.170Maxjz=1.021系统误差（m）：-0.06000.3261-0.1800定向点中误差（m）：Mkx=0.205Mky=0.455Mkz=0.053Mks=0.499最大误差（m）：Maxks=0.921Maxkz=0.087系统误差（m）：-0.094-0.1410.004本次加密跟常规加密有所不同在：建立测区信息、控制信息数据文件，当测区有构架航线时，在输入测区信息时要注意构架航线的旋转方向。旋转的目的是将构架航线的影像旋转到与基本航线一致，便于人工选点。本软件只适合垂直方向的构架航线，其他方向的构架航线要不要旋转，可根据实际情况而定。“旋转信息”有三种选择：“不旋”（旋转标志为0）：适合基本航线和其他方向的构架航线；“左旋90度”（旋转标志为-1）、“右旋90度”（旋转标志为1）：适合垂直方向的构架航线。构架航线的像片排列顺序必须与基本航线的排列顺序（“从上到下”或“从下到上”）一致。建立控制信息：（1）把本测区所有的摄站GPS坐标先放在一个txt文件中。格式为：1150（片号）xyzφ1ω1κ1t1（time）.没有的参数输0。（2）导入摄站GPS坐标。（3）在光束法平差时，把gd文件中的第一行第三个数0改为1。表示摄站GPS坐标参与计算。地标点布设在构架航线与加密分区首末测图航线重叠处，地标点采用T形，Y形和形三种标志，所以解决了山区航测控制布点、刺点、观测困难等问题，大大减轻了外业工作劳动强度，降低生产成本，缩短成图周期，提高1：10000地形图数字化的生产能力。4总结在山区丘陵地区通过构架航线实施GPS辅助光束法区域网平差可以明显减少地面控制点，其精度满足1∶10000比例尺地形图测绘、地图更新和一般航空遥感调查的精度要求。特别是在山区、高山区、人员难以到达地区的测图具有非常大的优越性。【参考文献】[1]袁修孝.《GPS辅助空中三角测量原理及应用》.测绘出版社（北京），2001.8[2]郭大海.《IMU/DGPS辅助航空摄影新技术的应用》.国土资源遥感，第67期