GPS在衛星影像控制測量中的應用①

宋慶杰，司傳波

（大連65015部隊，遼寧 大連116023）

0 引 言

GPS技術應用于衛星影像控制測量，是現代測量技術與空間技術的完美結合。與傳統的控制測量方法相比，GPS控制測量具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、布網靈活等特點，在實際工作中，有效地解決了衛星影像控制測量跨度大，基線長，控制網覆蓋面積廣，地形復雜、施測困難等問題。保證了成果精度，提高了工作效率。

1 GPS全野外控制測量作業方法

1）控制點布設

①3×3型布點。平原地區，在每景衛星影像內均勻布設9個控制點，即沿衛星運行軌道方向和垂直于軌道方向布設3排3列控制點，一般就能滿足成圖精度要求。但對于山區該方案則很難滿足要求。

②3×4型布點。在每景衛星影像內，沿衛星運行軌道方向均勻布設3排，每排4個點，共12個點。這種布點方案，不論對山地還是平原測區，整體精度都能夠滿足成圖需要。

視外業的交通、地形狀況，以上兩種方案可結合使用。點位的選擇要兼顧內外業，既有利于外業的實測又要滿足內業影像糾正要求。外業中有些點位可根據實際交通情況適當調整位置，但是每一景影像四角上的點位要盡可能靠近邊緣。

2）刺點

作業時必須保證刺點位置準確無誤。可采用兩人分別刺點的作業方式，這樣每個控制點均有兩套相互獨立的刺點成果，檢查驗收時兩套不同的刺點說明，必須對應實地同一個位置。

3）平面控制

由獨立觀測基線構成GPS控制網，聯測多個已知點，作為平面起算點。平差計算時先進行無約束平差，再采用單個已知點進行單點約束平差，然后固定多個已知點進行約束平差。

4）高程控制

衛星影像控制測量跨度大，控制網覆蓋面積廣，如果用聯測水準點的方法來擬合似大地水準面，外業工作量非常大，而且精度難以保證。解決的辦法是在控制網中采用高等級GPS點作為已知點，求得各點大地高，用《似大地水準面模型軟件》求解每個GPS點的高程異常，進而得到影像控制點的正常高。同時，聯測少量水準點高程，對整個控制網的高程精度進行檢核。

2 作業中的精度控制與分析［2－3]

衛星影像控制測量的精度控制與分析主要包括以下幾項內容：

1）基線解算的精度控制

實際測量中，由于受到衛星本身、地形狀況、太空環境干擾和測量時間等因素的影響，接收的數據很難達到理想的狀態，基線解算過程中，必須有相應的精度控制指標，在作業中具體要做到如下幾項要求：①基線解算的RMS值應小于儀器的標稱精度限差；②固定解（fixed）的比例要大，浮動解（float）比例要小，不能全是float，全是fixed最好；③固定解比率值（Mix fixed ratio）要大于95，100最好；④基線同步環閉合差、異步環閉合差應滿足限差公式。

對于基線解算一次不合限的現象，通過禁用質量較差衛星、觀測數據在時間軸上進行處理、修改基線解算屬性、改變參考星等方法進行處理，達到合限目的。

2）控制網平差

所有同步觀測基線徹底解算完后，根據外業測量計劃，由獨立基線構成控制網，輸入已知點，進行平差處理。網的平差計算要達到以下幾個平差精度指標：①粗差基線的確定與剔除；②平差計算中的最小二乘VTPV的結果必須滿足限差要求；③平差后得到的單位權中誤差UWE＝1；④同步環閉合差、異步環閉合差應滿足限差公式；⑤基線殘差分布應服從高斯正態分布。

3）控制網的精度分析

①閉合環的相對閉合差：衡量GPS網的觀測精度指標主要是閉合環的相對閉合差。為了確保作業成果質量，應選取獨立基線構成閉合環，閉合環的基線數目要適中。②已知點重合誤差。已知點的重合誤差主要與已知點間的相對精度、GPS的觀測精度、網形控制面積的大小等密切相關。③高程精度分析：采用《似大地水準面模型軟件》求取正常高，取分布均勻的GPS點按三等水準進行高程聯測，與擬合后的GPS點正常高進行精度比較，其中最大較差、最小較差、平均較差均應在精度要求范圍內。

4）控制點坐標中誤差統計

利用控制點對衛星影像進行內業定向糾正后，要對整個測區影像控制點的定向糾正中誤差進行統計分析，以評定作業質量。

3 應注意的問題

1）設置合理的精度指標

通過精度分析可以看出，GPS控制點的野外測量計算精度遠遠高于刺點精度，而在GPS測量進行各項計算時，軟件默認的精度指標對于1：5萬比例尺測圖要求過高，此時計算不合限時軟件自動提示重測或者不計算。實際測量中可以適當放寬計算軟件中設置的精度指標，使最終計算結果精度與內業定向糾正的精度相匹配，降低外業返工率，提高工作效率。

2）充分收集利用各種資料

目前國家各個相關部門分別測量了多套GPS成果（如國家GPS A、B級網，全國GPS一、二級網和小國地殼運動觀測網絡工程網點等等），利用好這些資料可以大幅度地提高工作效率。很多高等級的點位同時具有1954北京坐標系、1980年西安坐標系和 WGS－84坐標系的坐標，以及三等以上精度的水準成果。利用這些點作為已知點，一是可以計算出達到要求的大地坐標系平面坐標；二是有大地高的成果，可以進行擬合計算；三是新埋設的點位，完全滿足GPS的觀測條件；四是帶有水準高程，利于擬合后的精度檢測。

3）增加過渡點

衛星影像控制測量基線較長，而山區的影像控制點經常出現衛星信號被遮擋的情況，此時可以采用增加過渡點、縮短基線長度的方法來處理。

4）困難點位補救

實際外業中受到地形、交通狀況等因素影響，某些標準點位區域無法進行GPS測量，如山谷、陡崖、叢林等地域衛星信號差；或標準點位區域影像無明顯特征，無法準確刺點。在這些情況下，可以在標準點位附近區域、GPS接收信號較好的地方加測兩個以上GPS點，再使用常規儀器，如全站儀、經緯儀等，進行交會或導線測量，得到標準點位的地面坐標。

5）采用雙頻GPS接收機

衛星影像GPS控制測量基線長，施測GPS控制網時，要盡量選用雙頻GPS接收機。因為雙頻GPS接收機可以有效削弱電離層折射影響，同時能有效探測和修復周跳，可以說100km以下的基線能夠做到測一條合限一條，避免了返工、重測和增測過渡點，減少了外業工作量，提高了成果質量。

4 實際應用實例和精度分析

2010年對某地區1：5萬比例尺地形圖進行了更新。控制布點按軌道運行方向，采用3×4型布點。在每景衛星影像內，沿衛星運行軌道方向均勻布設3排，每排4個點，共12個點，并盡可能的覆蓋整景影像，避免出現控制盲區，影像四角點盡可能靠近邊緣布設。同時輸出所布控制點點位附近的影像，用于野外刺點。以符合國家等級的三角點、GPS網點作為平面和高程的起算點，采用附合導線的方法進行GPS測量。

在成果驗收時，對部分圖幅地物的平面精度進行了檢測。野外檢測點在圖幅內均勻分布，每幅實做控制點10個。GPS接收機采樣間隔設為5s，采用附合導線的方法，以靜態快速測量的作業模式實施測量。根據測量成果，對實測坐標值與圖上坐標值進行比對，求取中誤差。經檢查符合1：5萬地形圖的精度要求，如表1所示。

表1 精度檢測誤差統計表

5 結 論

實踐表明：利用GPS測量技術對衛星影像進行控制測量，成圖精度較高，能滿足中小比例尺地形圖更新的需求。對于作業過程中遇到的特殊情況，比如標準點位處有云層遮蓋或有大面積水域等，可以通過增加過渡點、縮短基線長度等方法來補救；控制刺點的精度可以通過雙人刺點檢查的方法，確保刺點位置準確無誤。值得注意的是，圖像分辨率的高低也是影響成圖精度的重要因素，因此，在地形圖更新時，要盡量選用分辨率較高的衛星影像。總之，GPS在衛星影像控制測量中的應用，解決了傳統控制測量中布設點位多、外業工作量大、數據更新慢的弊端，提高了作業效率，地形圖的更新更加快捷，現勢行更強。

［1]孔祥元，郭際明.控制測量學［M].武漢：武漢大學出版社，2006年.

［2]李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理［M].武漢：武漢大學出版社，2005年.

［3]賀英魁.GPS測量技術［M].重慶：重慶大學出版社，2010年.