特殊地區(qū)地形圖測繪中控制基礎(chǔ)的確立

郭群長，徐 峰，劉 立，汪菲菲

(68011部隊(duì)，甘肅 蘭州730020)

在信息化時代，會涉及境外地形圖測繪問題，而境外地區(qū)(包括淺縱深地區(qū)和縱深地區(qū))人員難以進(jìn)入進(jìn)行實(shí)地測量;在我國西部的沙漠、沼澤和高原高寒地區(qū)，人員也難以進(jìn)入進(jìn)行實(shí)地測量。控制測量是地形圖測繪的第一道工序，是確保測圖工作正常進(jìn)行和成圖質(zhì)量的重要基礎(chǔ)，也是解決人員難以進(jìn)入地區(qū)地形圖測繪技術(shù)問題的關(guān)鍵。本文圍繞1∶5萬比例尺地形圖測繪的要求，結(jié)合近年的探索與實(shí)踐，對3類人員難以進(jìn)入地區(qū)的控制基礎(chǔ)確立問題進(jìn)行總結(jié)和探討。

一、境內(nèi)難以進(jìn)入地區(qū)

我國西部沙漠、沼澤和高海拔地域分布廣泛，一些地區(qū)人員難以進(jìn)入進(jìn)行實(shí)地測量。長期以來，由于受技術(shù)條件限制，我國西部幾千幅1∶5萬比例尺地形圖空白區(qū)，直到“十一五”結(jié)束才得以消滅。2004年，我部承擔(dān)了西部某測區(qū)192幅1∶5萬比例尺地形圖測繪任務(wù)，當(dāng)時只有航空影像資料。該地區(qū)沼澤分布廣泛，大部分區(qū)域人員難以進(jìn)入，如采用傳統(tǒng)航空攝影測量方法，需實(shí)地測量大量控制點(diǎn)，即使不惜生命代價，也難以在如此惡劣條件下完成大規(guī)模的野外測量任務(wù)。當(dāng)時，正值我國尖兵系列遙感衛(wèi)星發(fā)射之際，因此決定采用尖兵系列進(jìn)行野外控制測量、內(nèi)業(yè)加密，基于航空影像進(jìn)行內(nèi)業(yè)測圖的方法。

該方法的思路是：基于衛(wèi)星影像首先進(jìn)行野外控制測量，利用尖兵系列衛(wèi)星影像星像片姿態(tài)角計(jì)算出衛(wèi)星軌道攝站角元素，然后量測衛(wèi)星影像的格網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)、激光反射點(diǎn)坐標(biāo)作為控制測量基礎(chǔ)，結(jié)合外業(yè)實(shí)測控制點(diǎn)進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差，求出各像片的外方位元素和加密點(diǎn)地面坐標(biāo)。計(jì)算公式為

式中，X、Y、Z為以攝站點(diǎn)為原點(diǎn)的地面點(diǎn)坐標(biāo);Xs、Ys、Zs為攝站點(diǎn)的地面坐標(biāo)。

之后，將野外實(shí)測控制點(diǎn)和解算出的加密點(diǎn)轉(zhuǎn)刺到航片上，作為控制基礎(chǔ)構(gòu)網(wǎng)平差，解算出航片外方位元素進(jìn)行測圖，如圖1所示。

圖1 基于航天影像+航空影像的作業(yè)方法

但由于尖兵系列衛(wèi)星影像只能滿足測繪1∶5萬～1∶10萬比例尺地形圖的精度要求，根據(jù)該地區(qū)地物稀少的特點(diǎn)和成圖應(yīng)用的實(shí)際，我們又提出“按1∶10萬精度測繪、1∶5萬內(nèi)容表示”的方案。這一方案得到批準(zhǔn)后，我們用GPS測量方法實(shí)測控制點(diǎn)26組、72個點(diǎn)，使該任務(wù)得以順利完成。

這一方法充分利用了衛(wèi)星影像覆蓋面積大、所需控制點(diǎn)少的特點(diǎn)，解決了人員難以進(jìn)入地區(qū)外業(yè)控制測量難題，又發(fā)揮了航空影像分辨率高、利于內(nèi)業(yè)測圖的優(yōu)勢，保證了測圖任務(wù)的正常完成。但由于受衛(wèi)星影像分辨率限制，其精度不能完全滿足1∶5萬比例尺地形圖的要求，這在當(dāng)時技術(shù)條件下是不得已的選擇。

隨著我國“天繪”、“資源三號”遙感衛(wèi)星的成功發(fā)射，我們已具有自主獲取高分辨率衛(wèi)星影像的能力，同時也可通過商業(yè)途徑獲取高分辨率影像，采用衛(wèi)星影像空三加密方法，可更好地解決境內(nèi)人員難以進(jìn)入地區(qū)地形圖測繪中的控制基礎(chǔ)問題。

二、境外淺縱深地區(qū)

我國陸地邊境線長達(dá)2．1萬km，與周邊14個國家接壤。開展境內(nèi)地形圖測繪與更新，不可避免地涉及邊境地區(qū)(包括境外淺縱深地區(qū))測繪問題。通過近年的探索與實(shí)踐，我們認(rèn)為基于利用少量控制點(diǎn)外推定位的方法，可滿足境外淺縱深地區(qū)1∶5萬比例尺地形圖測繪精度要求。

目前，國內(nèi)外通常采用的外推模型建立在衛(wèi)星軌道動力學(xué)的基礎(chǔ)之上，通過對軌道外推、姿態(tài)精化和測試角糾正等方法實(shí)現(xiàn)外推。但這種方法不僅需要已知完備的軌道參數(shù)，而且由于衛(wèi)星在空中運(yùn)行中受攝動影響較為復(fù)雜，不利于普及與實(shí)際應(yīng)用。因此基于SPOT-5衛(wèi)星影像，參照傳統(tǒng)空三區(qū)域網(wǎng)平差的原理，提出基于少量地面控制點(diǎn)和相鄰SPOT-5 HRS立體像對間公共連接點(diǎn)的外推對地定位方法，避開了衛(wèi)星軌道動力學(xué)的復(fù)雜理論。

該方法的思路是：當(dāng)多個相鄰(同軌或異軌)的SPOT-5 HRS立體像對構(gòu)成一個測區(qū)時，與傳統(tǒng)空三類似，首先需要建立整個測區(qū)的連接，即在相鄰的SPOT-5 HRS立體像對的重疊區(qū)內(nèi)量測連接點(diǎn)(如圖2所示)，通過這些立體像對間的連接點(diǎn)將整個測區(qū)內(nèi)所有的HRS立體像對連接成一個整體。對于有控條件下的SPOT-5衛(wèi)星影像，其定位采用無控定位模型附加像方仿射變換的方法進(jìn)行精確定位。對于圖2所示的SPOT-5影像的外推定位過程，實(shí)際上就是利用少量地面控制點(diǎn)(位于部分SPOT-5 HRS立體像對中)求解測區(qū)內(nèi)所有SPOT-5影像像方仿射變換參數(shù)的過程，式(2)。其計(jì)算過程見圖3。

圖2 SPOT 5影像測區(qū)的連接

式中，(xc，yc)為控制點(diǎn)在影像上的量測坐標(biāo);(xt，yt)為利用SPOT5無控定位模型將控制點(diǎn)投影到影像上的投影坐標(biāo)。

按照上述方法，基于SPOT 5衛(wèi)星影像進(jìn)行了外推定位試驗(yàn)。結(jié)果表明：最大外推距離508 km，控制點(diǎn)的位置、分布和數(shù)量對外推定位精度的影響不明顯，采用單個控制點(diǎn)外推定位即可滿足1∶5萬比例尺地形圖測繪的精度要求。采用這一方法，我們完成了國家西部1∶5萬比例尺地形圖空白區(qū)測圖工程中部分邊境地區(qū)的測圖任務(wù)。

圖3 SPOT 5測區(qū)的外推對地定位的計(jì)算流程

三、境外縱深地區(qū)

對于境外縱深地區(qū)1∶5萬比例尺地形圖測繪，人員不可能進(jìn)入進(jìn)行實(shí)地測量，也不能采用外推定位方法。目前，解決這一問題主要有兩種方案：一種是采用無控定位方法，若精度可靠，可直接進(jìn)行測圖;另一種是獲取境外測圖區(qū)域已有相應(yīng)比例尺或更大比例尺地形圖，選取已有地形圖和衛(wèi)星影像相同的地面特征點(diǎn)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行控制測圖。

第1種方案，首先需要對獲得的衛(wèi)星遙感影像的定位絕對精度進(jìn)行檢驗(yàn)。若檢測定位精度可靠，則可直接進(jìn)行控制測圖。但境外縱深地區(qū)人員無法進(jìn)入進(jìn)行實(shí)測檢驗(yàn)，可行的檢驗(yàn)方法尚需研究。

第2種方案，首先要對所獲得的已有地形圖的可靠性進(jìn)行評估。若所獲得的地形圖精度可靠，選取已有地形圖和衛(wèi)星影像相同的若干地面特征點(diǎn)，然后利用布爾莎模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即

將這些點(diǎn)的坐標(biāo)換算至2000國家大地坐標(biāo)系，檢驗(yàn)用于測圖的衛(wèi)星遙感影像的定位精度，并控制測圖(如圖4所示)。我們采用這一方法，基于我國天繪衛(wèi)星影像，利用所獲得的已有1∶5萬地形圖，對中亞某地區(qū)進(jìn)行了測圖試驗(yàn)。結(jié)果表明，基本可以滿足1∶5萬比例尺地形圖測圖要求。

圖4 基于獲得境外縱深地區(qū)地形圖資料的作業(yè)方法

以上依據(jù)工作實(shí)踐，對3類特殊地區(qū)1∶5萬比例尺地形圖測繪中控制基礎(chǔ)的確立問題，進(jìn)行了初步的歸納和探討，所得結(jié)論僅供參考。相關(guān)問題仍需作進(jìn)一步探討和驗(yàn)證。