GPS浮標法在海上地物測繪中的應用研究

方書山，章傳銀，秘金鐘

(1.山東科技大學，山東青島266510;2.中國測繪科學研究院，北京100830)

GPS浮標法在海上地物測繪中的應用研究

方書山1，2，章傳銀2，秘金鐘2

(1.山東科技大學，山東青島266510;2.中國測繪科學研究院，北京100830)

在近景攝影測量中，需要若干個像控點解算像片的外方位元素。由于海上條件的特殊性，一些地物無法到達或在地物上找不到特征點，因此很難對海上地物進行GPS像控點測量。提出一種在海上放置GPS浮標作為像控點的方法，并結合海上動態試驗，驗證該方法的可行性。

GPS浮標;外方位元素;動態;像控點

一、引 言

在陸地近景攝影測量作業中，像控點的選取相對容易，對于沒有明顯特征點的地物可以人工標記特征作為像控點。但是在海上，對于一些特殊地物的測量，如燈塔、礁石等，人一般難以或無法攀沿上去，即使能攀沿上去也是危險性極高。因此，在地物附近海域放置GPS浮標作為像控點不僅提高了工作效率，降低了工作危險性，也解決了海上地物不易測量的難題。

二、GPS浮標的布控流程與原理

1.硬件支持

進行海上近景攝影測量時，需要獲取的數據包括測區的影像資料、影像上面的像控點及其精確三維坐標。其中，測區影像，是用中國測繪科學研究院研發的GPS近景信息采集系統來完成數據采集的。GPS近景信息采集系統由GPS_OEM板、GPS天線(定位)、數字羅盤(定姿)、相機(影像采集)等部分組成，其系統主要硬件如圖1所示。對于像控點，筆者采用GPS浮標作為像控點。GPS浮標的功能有兩個：一是自身可以作為像控特征點;二是能夠給自身定位(得到像控點的精確三維坐標)。GPS浮標其實就是一個GPS接收機加上一個能在海面浮起GPS接收機的載體(如船等)。

2.GPS浮標的布控流程

GPS浮標作為像控點，其布控流程如下。

如圖2所示，海中的一塊礁石，即為需要測量的區域，在礁石上布控像控點很困難且很危險，因此在圖中圓點所示放置GPS浮標(如浮標G1、G2、G3)，這個GPS浮標即作為像控點。圖2中方形點表示測站(如測站C1和測站C2)，測站上放置GPS近景信息采集系統，可按射線夾角方向進行島礁的影像獲取。

圖1 GPS近景信息采集系統主要硬件實物圖

圖2 GPS浮標布控圖

具體流程為：首先將采集系統移至測站C1處，3個GPS浮標分別放置于圖2中所示的浮標G1、浮標G2、浮標G3處;然后拍攝采集，讓3個GPS浮標和島礁在同一張影像內;最后移動采集系統到測站C2處，3個GPS浮標盡量保存不動(由于海水的流動，浮標會有一些位置移動)，拍攝采集同一島礁區域，同樣讓3個GPS浮標和島礁在同一張影像內。這樣就獲取完畢所需的數據資料。作業過程中，GPS浮標需不斷跟蹤衛星采集GPS原始數據，便于后處理解算定位GPS浮標位置。

在作業過程需要注意的是：GPS浮標要求在相機鏡頭的視野中，且盡量均勻分布在相片中;浮標位置相對海面高度不一，為了更好地對像控點進行縱深控制，高差應控制在3 m左右;浮標應位置明顯，便于影像圖片后期處理判讀。

3.GPS浮標作為像控點的原理

GPS浮標不斷采集GPS數據，并且通過后處理解算即可獲得GPS浮標在不同時刻的空間三維位置，也就能獲得影像像控點在不同時刻的三維坐標。

相機曝光時刻的攝影中心坐標可由GPS數據后處理解算得到，也就是說外方位直線元素為已知值。利用后方交會方法求像片外方位角元素時，外方位角元素的初始值由相機曝光時刻的羅盤數據(磁方位角、俯仰角、橫滾角)轉換得到。由于外方位直線元素已知，解算外方位角元素的像點坐標觀測值誤差方程式為

一個像點及對應的地物點可列出一組方程，要解算3個未知數，要求至少有2個像控點，而根據最小二乘原理，經過迭代計算，可求出外方位角元素。這樣，外方位元素可全部獲知。

根據像片外方位元素，結合同名像點，利用像對前方交會可解算出待定地物點的地理坐標。像點坐標觀測值的誤差方程式為

每一張像片，均可列出式(2)的一組方程，要解算3個未知數，要求至少有兩張像片。根據最小二乘原理，經過迭代計算，可求出待定地物點的三維坐標。

式(1)、式(2)中，(x，y)表示像點坐標;((x)，(y))為像點坐標的近似值;vx、vy為像點坐標觀測值的改正數;Δφ、Δω、Δk為3個外方位角元素的改正數;ΔX、ΔY、ΔZ為待定點坐標的改正數。

三、GPS浮標海上動態試驗算例分析

1.海上浮標動態試驗數據分析

在已驗證GPS浮標自身定位的精度能保證在±20 cm內的前提下，試驗海上GPS浮標作為像控點的可行性。以GPS浮標作為像控點時，要求通過對影像前方交會解算出來的地物特征點的精度要在合理的范圍內。

2010年8月下旬，筆者在我國某一小島上進行了GPS浮標法近景攝影測量海上動態試驗，并按照第2章第2節中的流程獲取試驗數據。特征點(如圖3中十字符號所示部分)的真值可由GPS RTK測量的方法獲得。根據第2章第3節中介紹的GPS浮標作為像控點的原理，利用式(1)解算出3個外方位元素的角元素。接著找出像片上同名點(如圖3中十字符號所示)，利用式(2)前方交會法解算出地物目標點的坐標。海上作業示意圖及處理軟件界面如圖3所示。

圖3 海上作業示意圖及處理軟件界面

交會定位出的地物目標點的坐標與真值比較如表1所示。

表1 地物特征點北、東、天方向真值與交會值比較

續表1 地物特征點北、東、天方向真值與交會值比較

根據表1上的數值，可以得出如圖4所示的分析圖。

圖4 地物特征點北、東、天方向偏差圖

由表1及圖4可以看出，用GPS浮標作為像控點解算交會出來的地物目標點的坐標與真值之間偏差最大接近1 m(如圖3中9號目標點)，其主要原因是9號點位于影像的邊緣部分。在影像非邊緣部分的目標點，偏差在60 cm內。

四、結 論

本文對GPS浮標法海上地物測繪研究應用進行了詳細介紹，并結合海上動態試驗，進行了目標點定位精度分析，得到如下結論：

1)GPS浮標海上動態定位自身精度優于±20 cm，滿足攝影大比例尺測圖像控點精度的要求。

2)GPS浮標作為像控點，用GPS近景信息采集系統，采用近景交會定位解算出地物目標點在北、東、天方向真值與交會值比較，影像邊緣部分，偏差最大接近1 m;其他部分，偏差在60cm內。

3)如改進GPS近景信息采集系統軟硬件、數據處理方式及作業模式(如GPS浮標位置的不同布控)，交會定位精度還有很大的提高余地。

在海上測量惡劣環境中，利用GPS浮標作為像控點進行近景攝影測量，方法完全可行。

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The Applications Research of Ocean Surface Features Mapping by GPS Buoy Method

FANG Shushan，ZHANG Chuanyin，BEI Jinzhong

0494-0911(2012)09-0041-03

P229.2

B

2011-10-01

國家863項目(2011AA120503863);中國測繪科學研究院基本科研業務費項目

方書山(1983—)，男，湖北通山人，博士生，主要研究方向為衛星鐘差完備性監測與數據處理。