GPS在航空攝影測(cè)量中的應(yīng)用

　　基于GPS 導(dǎo)航定位技術(shù)的航空攝影輔助空三測(cè)量技術(shù)，是利用GPS手段只需少量的地面控制點(diǎn)就能內(nèi)業(yè)成圖的一種新的測(cè)量方法。該技術(shù)可以極大地減少地面控制點(diǎn)的數(shù)目，縮短成圖周期，降低成本。

　　1 常規(guī)空中的三角測(cè)量

　　空中三角測(cè)量是航空攝影測(cè)量室內(nèi)加密的典型方法。空中三角測(cè)量按加密區(qū)域分為單航帶法和區(qū)域網(wǎng)法；按加密方法可分為航帶模型法、獨(dú)立模型法和光束法。以光束法為例，光束法以每張像片所建立的光線束為平差單元，所以像點(diǎn)的像空間直角坐標(biāo)z，Y，-f為光束法空中三角測(cè)量的觀測(cè)值。整體平差要求：

　?、俑魍队肮馐懈魍饩€相交于一點(diǎn)；

　?、诳刂泣c(diǎn)的同名光線的交點(diǎn)應(yīng)與地面點(diǎn)重合。

　　共線條件方程：

　　是光束法平差的理論基礎(chǔ)。

　　上式中x3，y3，z3，是攝站點(diǎn)在地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系G—XYZ中的坐標(biāo)。x，y，z是加密點(diǎn)或地面控制點(diǎn)在G—XYZ坐標(biāo)系的坐標(biāo)。x，Y，-f是像點(diǎn)的像空間直角坐標(biāo)。a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，C2，C3是三個(gè)外方位元素φ，ω，k的函數(shù)。像點(diǎn)坐標(biāo)可以從像片上量測(cè)得到，因而從上式可知，光束法空中三角測(cè)量的待求值有兩組，一組是每張像片的六個(gè)外方位元素(用t表示)，另一組是加密點(diǎn)的地面攝測(cè)坐標(biāo)值(用x表示)。其誤差方程形式如下：

　　方程形式為：

　　解求法方程式時(shí)，可消去一組未知數(shù)，解求另一組未知數(shù)。常規(guī)的方法是消去像片外方位元素這一組，直接解求加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)值。

　　2 GPS用于空中三角測(cè)量的可行性

　　從以上三式中可以得知，方程中含有像片的六個(gè)外方位元素，GPS用于空中三角測(cè)量的實(shí)質(zhì)在于利用機(jī)載GPS測(cè)定的天線相位中心位置間接地確定攝站坐標(biāo)(亦即外方位直線元素)。GPS用于空中三角測(cè)量需要機(jī)載GPS天線相位中心位置達(dá)到什么樣的精度呢?計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果表明，GPS攝影機(jī)位置的坐標(biāo)在區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差中十分有效，使具中等精度的GPS能滿足航攝測(cè)圖的規(guī)范要求(見(jiàn)下表)。

　　上表所要求的GPS定位精度是完全可以達(dá)到的，而且由于GPS確定的每個(gè)攝站位置均相當(dāng)于一個(gè)控制點(diǎn)，因而可以減少地面控制至最低限度，直至完全取消地面控制。由于攝站坐標(biāo)的加入，大大增強(qiáng)了圖形強(qiáng)度，使空中三角測(cè)量加密的精度有所提高。

　　3 應(yīng)用實(shí)例及結(jié)果分析

　　3.1 工程基本情況

　　某航測(cè)工程有9個(gè)架次的飛行，測(cè)區(qū)面積約為28.2km2。采用運(yùn)-5型飛機(jī)作為航攝飛行平臺(tái)，航攝儀采取雙拼相機(jī)的方式以獲取更大的單幅影像覆蓋面積，航攝儀上安置了一臺(tái)Trimble5700型GPS接收機(jī)，用來(lái)記錄相機(jī)曝光時(shí)刻的時(shí)間，同時(shí)還安裝有電動(dòng)數(shù)字羅盤用來(lái)控制飛行旋偏角。地面布設(shè)了一個(gè)GPS基準(zhǔn)站（點(diǎn)號(hào)為jz01），其坐標(biāo)由某測(cè)繪局提供。

　　整個(gè)飛行作業(yè)從早上8點(diǎn)20分開(kāi)始至中午12點(diǎn)20結(jié)束，其中純飛行時(shí)段從8點(diǎn)55分開(kāi)始至中午12點(diǎn)結(jié)束，共計(jì)進(jìn)行3h。分別按照1∶1000和1∶2000攝影比例尺進(jìn)行了飛行，其中1∶1000飛行10條航線，1∶2000飛行了4 條航線，航向重疊度約為65%，旁向重疊度約為35%。飛行期間，單臺(tái)相機(jī)共曝光578次。地面基站GPS提前開(kāi)機(jī)近半小時(shí)進(jìn)行初始化，機(jī)載GPS在起飛前10min開(kāi)始觀測(cè)，數(shù)據(jù)采樣率為0.2s，共計(jì)觀測(cè)約3h，可以看出飛行過(guò)程中有少部分衛(wèi)星出現(xiàn)了中斷比較嚴(yán)重現(xiàn)象，比如1、6、25、29號(hào)衛(wèi)星，大部分時(shí)段還是有相當(dāng)數(shù)量的衛(wèi)星可用，因而GPS數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量不錯(cuò)?？梢钥闯稣麄€(gè)飛行階段衛(wèi)星的DOP值都小于4，而且絕大部分飛行時(shí)段衛(wèi)星的DOP值都在3以下，最大值為3.8，這說(shuō)明觀測(cè)期間衛(wèi)星的幾何圖形強(qiáng)度相對(duì)不錯(cuò)。

　　3.2 航測(cè)內(nèi)業(yè)處理流程

　　內(nèi)業(yè)具體處理流程為：①原始影像航攝漏洞檢查（主要檢查航攝空白區(qū)用以判斷是否進(jìn)行航攝補(bǔ)拍）；②影像畸變糾正處理（消除影像的畸變差和主點(diǎn)偏移量）；③影像勻光勻色處理（消除成像條件對(duì)數(shù)字影像的各類影響）；④雙拼虛擬影像生成(主要包括糾正為水平影像、影像子像元相關(guān)、速成小空三、虛擬影像生成等)；⑤攝站坐標(biāo)的解算（應(yīng)用雙差或PPP 方法進(jìn)行解算）；⑥GPS輔助空三；7)DEM、DLG等的制作。其中在GPS輔助空中三角測(cè)量過(guò)程中需要攝站GPS坐標(biāo)的支持，能否解算出精度相對(duì)比較高的機(jī)載GPS數(shù)據(jù)是GPS輔助空中三角測(cè)量能否取得預(yù)期結(jié)果的決定性因素。

　　3.3 PPP處理結(jié)果質(zhì)量分析

　　在PPP方法中，通常使用觀測(cè)值的驗(yàn)后殘差及由殘差所計(jì)算的RMS值的大小來(lái)評(píng)價(jià)參數(shù)估計(jì)的內(nèi)符合精度或模型精度。驗(yàn)后殘差越小，其對(duì)應(yīng)的RMS值越小，其理論上的定位精度越高。每個(gè)歷元根據(jù)驗(yàn)后殘差計(jì)算得到的三維RMS 值?？梢钥闯鼋^大多數(shù)歷元的驗(yàn)后三維RMS 值都在2cm以內(nèi)，最大值為2.1cm，最小值為0.2cm，由此可以說(shuō)明PPP在動(dòng)態(tài)定位中的理論精度可以達(dá)到幾個(gè)cm級(jí)的水平。

　　下面從靜態(tài)數(shù)據(jù)模擬動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的角度來(lái)進(jìn)一步探討PPP的理論定位精度。利用PPP將工程中所布的基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)采用動(dòng)態(tài)的方式進(jìn)行解算，其解算結(jié)果中的每個(gè)歷元三維RMS值（由于靜態(tài)觀測(cè)的數(shù)據(jù)量比較大，這里只截取了中間時(shí)段的歷元，所以其橫坐標(biāo)GPS 時(shí)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)不同）?？梢钥闯鏊袣v元的RMS值都小于1.2cm，同比之下比實(shí)際動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)解算的RMS 值要小，這是因?yàn)殪o態(tài)數(shù)據(jù)的質(zhì)量往往要比動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的質(zhì)量好，衛(wèi)星出現(xiàn)周跳的次數(shù)較少，而且多路徑誤差也小的多。

　　3.4 PPP同雙差解和已知坐標(biāo)的比較分析

　　首先通過(guò)Trip軟件對(duì)地面基站的數(shù)據(jù)采用靜態(tài)的方式進(jìn)行解算，用以保證兩種方法處理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)歷元的一致性。然后分別應(yīng)用兩種方法對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其中PPP方法采用Trip軟件，雙差方法采用GrafNav7.60軟件。首先將PPP的處理結(jié)果同雙差的處理結(jié)果進(jìn)行差值計(jì)算，并轉(zhuǎn)化為N、E、U三個(gè)方向上的分量，然后將三個(gè)方向的互差數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，三個(gè)分量中還分別存在著一定的系統(tǒng)誤差，這種誤差可能主要是由兩種方法的模型差異造成的，部分可能來(lái)自于軌道誤差、衛(wèi)星鐘差以及對(duì)流層濕延遲的估計(jì)誤差等。因?yàn)檫@些因素在雙差模型中都被雙差過(guò)程消除掉了，而PPP采用非差模型，使用IGS提供的衛(wèi)星鐘差和軌道產(chǎn)品，盡管IGS分析中心提供的產(chǎn)品精度已經(jīng)很高，但是對(duì)于幾個(gè)小時(shí)的飛行數(shù)據(jù)處理，定位結(jié)果還是會(huì)受到二者的影響。事實(shí)上，這種比較方式不足以反映PPP的真實(shí)定位精度，不過(guò)由于目前航測(cè)中一般都應(yīng)用雙差方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位，盡管雙差解法也存在誤差，但是其精度是可以滿足航測(cè)規(guī)定要求的，所以將其作為檢驗(yàn)PPP精度的一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)。

　　相比之下，應(yīng)用基準(zhǔn)站靜態(tài)數(shù)據(jù)模擬動(dòng)態(tài)的方法更能體現(xiàn)PPP的實(shí)際動(dòng)態(tài)定位能力或潛在的定位精度，因?yàn)榛鶞?zhǔn)站的坐標(biāo)由四川省測(cè)繪局提供，具有比較高的精度，其參照價(jià)值也更大。其方法是應(yīng)用PPP采用動(dòng)態(tài)的解算方式來(lái)解算基準(zhǔn)站靜態(tài)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，將其解算結(jié)果與已知的坐標(biāo)進(jìn)行差值計(jì)算，并轉(zhuǎn)化為N、E、U方向上的分量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。不過(guò)應(yīng)用這種模擬的方法得到的PPP定位精度顯然要比實(shí)際的動(dòng)態(tài)定位精度高，這是由于靜態(tài)數(shù)據(jù)的質(zhì)量往往都比動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)質(zhì)量好，而且對(duì)于某些參數(shù)的估計(jì)靜態(tài)數(shù)據(jù)要更準(zhǔn)確，比如對(duì)流層參數(shù)估計(jì)等。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　綜上，高精度GPS動(dòng)態(tài)定位的GPS航空攝影測(cè)量技術(shù)已日趨成熟。可以大范圍推廣，而這一技術(shù)的推廣和應(yīng)用，“無(wú)疑會(huì)引出測(cè)繪業(yè)從技術(shù)手段到隊(duì)伍結(jié)構(gòu)的革命性變革”，從而產(chǎn)生重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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