基于 S WDC的青藏高原大比例尺航空攝影研究

李 峰

(中國測繪科學研究院,北京 100039)

基于 S WDC的青藏高原大比例尺航空攝影研究

李 峰

(中國測繪科學研究院,北京 100039)

通過用輕型小飛機搭載國產 S WDC系列相機在青藏高原上進行航空攝影的研究,采用 GPS輔助空三、地面布設稀少控制點的方法,證明在青藏高原可以進行大比例尺航空攝影任務,從而解決了在高海拔地區采用常規方式測圖任務繁重的難題。它可以作為我國西部測圖工作的參考。

S WDC;精密單點定位;GPS輔助空三;稀少控制點

一、前 言

我國測繪行業近十幾年來發展迅猛,但仍不能滿足各行業對空間信息數據的需求,而對地觀測技術因其作業方式落后,自動化、智能化程度低等原因嚴重制約著我國航空航天測繪生產力的發展,因此航空攝影測量這一新一代的測繪技術應運而生[1]。隨著電子科技和數碼科技的發展,數碼相機因其快速高效的特點越來越受到航空攝影測量工作者的青睞,針對數碼航空攝影測量的儀器也就應運而生,美國的UCD、UCX,英國的DMC、ADS40是國外數字航攝儀的代表,而 S WDC(Siwei digital camera)則成為國產航空數碼相機的代表產品,它具有高分辨率、高幾何精度、體積小、重量輕等特點,其獨特的鏡頭具有視場角大、基高比大、高程精度高、真彩色、鏡頭可更換等優勢,更區別于進口產品,近幾年在國內業界得到廣泛重視,其應用迅速得到拓展。

我國青藏高原海拔高、氧氣稀薄、氣候惡劣、交通不便、人煙稀少,這對常規測圖是極大的挑戰,我國很大一部分無圖區就位于這里,這也給國家的土地調查帶來了很大的困難。為了克服常規測圖所面對的困難,本文用航空攝影測量、GPS輔助空三的方法進行了大比例尺成圖的試驗。

GPS輔助空中三角測量從 20世紀 70年代開始研究,至今已有近 40年的發展歷程,其可大量減少地面控制點,縮短航測成圖周期,降低生產成本,已被廣泛應用于大區域、中小比例尺、困難地區的航空攝影測量地形測圖中,產生了明顯的社會和經濟效益[2]。但是,以前的 GPS輔助空三需要地面安置基站,即必須同時要有 2臺 GPS接收機進行工作,這種作業方式不但提高了航空攝影的成本,而且在困難地區的應用受到一定的限制。隨著 GPS技術的發展,全球連續運行跟蹤站日益增多,IGS可提供精度優于 ±5 cm的精密星歷,衛星鐘差改正數可達到0.1～0.2 ns,GPS接收機的性能也不斷得到改善,大氣延遲模型越來越精確,削弱對流層和電離層延遲誤差的方法亦不斷得到完善,非差分單機實現高精度定位成為可能[3]。Zumberge等提出了利用 GPS精密星歷、衛星鐘差和雙頻載波相位觀測量,采用非差分模式進行精密單點定位的方法,并且在處理單機靜態觀測數據時取得了厘米級的定位結果[4-5]。隨后,Muellerschoen等提出了利用非差分雙頻載波相位觀測值,在初始化后進行單歷元精密單點定位方法,以實現全球范圍內的實時動態定位[6-7]。目前,該方法用于動態航空測量已達到厘米級的精度[8]。

二、SWDC介紹

S WDC系列數碼航空相機是基于瑞典 Hasselblad H系列數碼相機,分辨率為 4 000像素 ×5 000像素,集成了重力二維穩定平臺、數字羅盤、κ電動調節、空管 PC104嵌入式計算機和 GPS定位、記錄等的系統。S WDC采用外視場拼接技術,現有的有兩拼和四拼兩種。它體積小、重量輕,因此可以用蜜蜂飛機作為其搭載平臺。

S WDC除具有一般數碼航空相機特性外,最大的特點是鏡頭可更換,分別有 35 mm、50 mm、80 mm三種焦距。其視場角大,基高比大,可以提高高程測量精度;GPS的聯合使用不僅實現了空中定點曝光,而且 GPS輔助空三使航攝外業控制的工作量大大減少;完備的處理軟件使影像數據的接口更加通用化,制作的 4D產品質量更高。因此,它滿足從1∶500～1∶10 000比例尺的常規航空攝影。另外,采用單點定位技術的 GPS輔助空三大大減少了野外工作量,這在我國的東部地區得到了廣泛的應用。2007年底,S WDC在拉薩地區完成了 1∶1萬成圖的航飛任務,取得了滿意成果。但是青藏高原上的大比例尺地形圖都是通過常規測量方式得到的,能否采用航空攝影的方式來獲得高原大比例尺地形圖呢?2008年下半年,在西藏的兩個地區作了用航攝的方法獲取高原大比例尺地形圖的試驗。

三、試驗介紹

1.攝影儀介紹

本次試驗采用蜜蜂-3型飛機作為搭載平臺。由于高原缺氧,導致飛機的動力不如東部平原,為了減少重量,采用 S WDC系列的兩拼航攝儀,即帶有兩個單鏡頭的航攝儀。

主要技術指標如下：

1)焦距：35.7mm;

2)像素尺寸：6.8μm;

3)像素個數：11 000×6 800;

4)視場角：94°/67°;

5)鏡頭畸變：＜2μm。

單鏡頭參數如表 1所示。

表1 單鏡頭參數

2.試驗介紹

選擇在西藏的那曲縣和安多縣進行 1∶1 000成圖試驗。那曲縣位于西藏自治區北部,地處唐古拉山脈與念青唐古拉山脈之間,海拔均在 4 450 m以上,境內多山,屬高原丘陵地形;安多縣地處西藏北部,著名的唐古拉山脈南北兩側,縣城所在地位于109國道 3 420～3 430 km處。該縣地形屬高原山川類型,平均海拔在 4 700 m以上。這兩個縣區的氣候條件相似,全年可進行航空攝影的晴天數一般,較適合進行大比例尺航空攝影的晴天數較多。其中,那曲測區東西寬約 5 km,南北長約 4.5 km,面積約 23 km2,區域范圍：經度 92°02′00″～92°05′45″,緯度 31°27′10″～31°30′10″;安多測區東西寬約6 km,南北長約 4.5 km,面積約 27 km2,區域范圍：經度 91°38′45″～91°42′30″,緯度 32°14′～32°17′。兩測區區域圖如圖 1、圖 2所示。

圖1 那曲測區范圍

圖2 安多測區范圍

為了減少空中作業量,本次試驗采用窄像對式飛行設計：地面分辨率為 10 cm,飛行相對高度為525m,航向重疊為 65%,旁向重疊為 35%。

由于在 GPS輔助航空攝影測量中,可以無須布設地面基準站,通過采用區域四角布設平高地面控制點,利用 GPS精密單點定位所獲取的攝站坐標進行 GPS輔助光束法區域網平差就可以達到和差分GPS定位后的攝站坐標平差后基本一致的精度,完全可以滿足我國現行航空攝影測量規范要求[9]。所以,這里采用構架航線加四角布設平高點控制、中間布設檢查點的方式。由于擔心地面控制點遭到破壞,在每個控制點的位置布設了控制點對,即在控制點位置附近同時布設相距不遠的兩個點。航線和控制點示意圖如圖 3所示。

圖3 航線和控制點示意圖

在本次試驗中,那曲測區布設控制點和檢查點共 18個,其中 2個遭到破壞,16個可用,獲得影像323張;安多測區布設控制點和檢查點 12個,其中 2

圖4 那曲歷元中誤差

2.GPS輔助空中三角測量

高原地區空氣稀少,野外工作困難重重。為了減少外業工作量,采用 GPS輔助空三的方法進行加密,個遭到破壞,10個可用,獲得影像 340張。

四、數據處理

1.空中 GPS數據解算

空中攝站坐標采用武漢大學研制的動態 GPS精密單點定位軟件 Trip進行精密單點定位獲取,這種軟件解算數據的內符合精度可以達幾個厘米的水平,可以實現亞分米級的飛機動態定位,能在不需要地面基準站的條件下達到雙差固定解相當的精度水平[10]。解算后攝站點坐標中誤差那曲測區為 ±0.12m,安多測區為 ±0.14m。圖4、圖5為兩測區的歷元中誤差。解算軟件采用中國測繪科學研究院編寫的軟件Map-AT,解算結果如表 2所示。解算結果限差取值按地形圖航空攝影測量內業規范規定的值,如表3所示。

圖5 安多歷元中誤差

表2 帶四角控制的 GPS輔助光束法區域網平差精度

表 3 內業規范規定限差(山地)

由表 2可以看出：①那曲測區的多余控制點不符值最大為平面 0.31m,小于 0.7 m;高程不符值最大 0.29 m,小于 0.6 m。完全符合我國規范對于1∶1 000比例尺山地地形測圖航測內業的規定。②安多測區的多余控制點不符值最大為0.29m,小于 0.7m;高程不符值最大0.3m,小于0.6m。完全符合我國規范對于 1∶1 000比例尺山地地形測圖航測內業的規定。③這兩個測區檢查點的中誤差值基本相近,說明數據有很好的可靠性。

五、結束語

通過上述結果可以看出,那曲和安多這兩個測區的結果完全可以滿足 1∶1 000比例尺地形圖的需要。這說明 S WDC在西藏高海拔地區通過 GPS輔助空三的手段進行大比例尺航空攝影測圖取得了成功。它無須地面基站,通過飛行構架航線布設少量地面控制點即可滿足大比例尺成圖的需要,這在西部地區,特別是海拔高、作業困難的地區可以大大減少外業的工作量,減少作業成本。本次高海拔、大比例尺成圖試驗的成功可以作為我國西部作業困難區域地形圖更新的借鑒。

[1] 朱肇光,孫護,崔炳光.攝影測量學[M].北京：測繪出版社,1995.

[2] 袁修孝.GPS輔助空中三角測量原理及應用[M].北京：測繪出版社,2001.

[3] 袁修孝,付建紅,樓益棟.基于精密單點定位技術的GPS輔助空中三角測量 [J].測繪學報,2008,36(3)：251-255.

[4] ZUMBERGE J F,HEFL IN M B,IEFFERSON D C,et a1. Precise Point Positioning for the Efficient and Robust A-nalysis of GPS Data from Large Networks[J].Journal of Geophysical Research,1997,102(B3)：5005-5017.

[5] ZUMBERGE J F,WATK INSM M,WEBB F H.Characteristics and Application of Precise GPS Clock Solution Every 30 Seconds Navigation[J].Navigation,1998,44 (4)：449-456.

[6] 劉智敏,林文介.GPS非差相位精密單點定位技術的發展[J].桂林工學院學報,2004,24(3)：340-344.

[7] 劉經南,葉世榕.GPS非差相位精密單點定位技術探討[J].武漢大學學報：信息科學版,2002,27(3)：234-240.

[8] 張小紅,劉經南,FORSBERG R.基于精密單點定位技術的航空測量應用實踐[J].武漢大學學報：信息科學版,2006,31(1)：19-22.

[9] 袁修孝.當代航空攝影測量加密的幾種方法[J].武漢大學學報：信息科學版,2007,32(11)：1001-1006.

[10] 張小紅.動態精度單點定位 (PPP)的精度分析[J].全球定位系統,2006(1)：7-11;22.

Study of Large-scale Map Aerial Photogrammetry in Qingha i-Tibet Plateau Based on SWDC

L I Feng

0494-0911(2010)07-0009-03

P23

B

2009-09-09

科技部支撐項目(2008BAK491302-1);國家高科技研究發展 863計劃項目(2008AA121300)

李 峰(1981—),男,山東臨沂人,助理工程師,主要從事航空攝影測量方面的工作。