GPS輔助空三測量的應用案例分析

郭燕平++王永秋

摘 要：GPS輔助空中三角測量是目前國內在中、小比例尺及困難地區成圖航空攝影測量一般采用的模式。該文結合湖北航空攝影項目，對GPS輔助空中三角測量在技術方案、飛行實施、外方位元素解算以及精度評定幾個方面作闡述和分析。

關鍵詞：GPS輔助空中三角測量 攝影測量 區域網平差 精度

中圖分類號：P23 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0053-02

GPS輔助空中三角測量即是基于載波相位差分GPS動態定位技術或精密單點定位技術獲取航攝儀曝光時刻攝影中心的三維坐標，將其作為觀測值參與攝影測量區域網平差，采用統一的數學模型和算法整體解算物方點位和像片外方位元素，并對其精度進行評定的技術和方法。

經過20多年的理論研究、實際試驗和大量的生產實踐，我國建立了較為完整的GPS輔助空中三角測量理論，從機載GPS相位中心與航攝儀投影中心的幾何關系出發，建立了GPS攝站坐標觀測方程，將其引入攝影測量區域網平差，構建了GPS輔助光束法區域網平差的完整數學模型；自行研制了兩套具有GPS輔助光束法區域網平差功能的攝影測量加密軟件WuCAPS（Wuhan Combined Adjustment Program System）和Geolord-AT；建立了比較完整的GPS輔助空中三角測量技術框架，制定了相應的國家測繪行業標準，用于指導我國的航空攝影測量生產。這些已經極大的簡化了航空攝影測量作業工序，形成了具有中國特色的GPS航空攝影測量實用生產技術體系。

1 技術方案及飛行實施

GPS輔助空中三角測量前期生產過程包含航攝設計、地面控制、航攝飛行、航后GPS數據檢核及預處理等幾個方面，后期內業處理主要是帶GPS數據的區域網平差過程（如圖1）。下面筆者以本部執行的湖北航攝項目為實例對GPS輔助空中三角測量從技術設計以及飛行過程進行闡述。

1.1 地面控制方案

GPS輔助空中三角測量地面控制的方案常見的有兩種，見圖2。地面控制部分按照GB/T 18314-2001《全球定位系統（GPS）測量規范》除需要進行地面基站的測設外，還要進行航攝期間基站的同步觀測和平高點、檢測點、水準點測量期間基準站的連續觀測、加密分區四角平高點的布設和測量、精度驗證區檢測點的選測以及水準點的GPS測量，并繪制點之記。

對空地標點采用四角布點法，按照《GPS輔助航空攝影技術規定》點位布設在構架航線與加密分區首末測圖航線重疊處，位于測區自由圖邊處的地標點位應盡量布設在圖廓線外。為了檢驗GPS輔助空中三角測量的精度，航攝像片提供后在檢測樣區內選刺30個點進行檢測，所選檢測點除滿足GPS觀測要求外，還選擇在像片上影像清楚的明顯地物點上，并均勻分布于平地、丘陵和山地，使野外檢測點有較強的地形類別代表性。對于上述所有點位，都要做GPS測量取得其WGS-84坐標下的精確坐標。

1.2 航攝技術設計

按照GB/T 19294-2003《航空攝影技術設計規范》以及GB/T 15661《1：5000 1：10000 1：25000 1：50000 1：100000地形圖航空攝影規范》，該研究者充分考慮地形因素將該攝區分成了若干個加密分區，并通過加密分區四角平高控制點加構架航線的地面控制方案來改正GPS攝站的坐標系統漂移誤差控制精度。構架航線垂直于測圖航線，設計的基本要求是比測圖航線的比例尺小20%左右，航向重疊不小于80%，并且延長出航攝區域4到6條基線，控制航線交叉或銜接處要有不少于四條基線的重疊。

四角平高點位置及時報予地面控制方案執行部門并納入其地面測量技術設計中，也是在實際飛行中能夠觀察到的對空地標點。

1.3 航空攝影飛行實施安排

在實際飛行實施過程中，保證地面基準站與機載GPS同步觀測。每個架次準備飛行前，通知地面基準站開機，這樣就保證了起飛前機載GPS接收機靜態觀測有正常的基站數據參考。起飛前進行GPS接收機的初始化測量，采用GB/T 18314-2001中規定的GPS靜態定位測量方法，其間，應嚴格防止各種原因遮擋機載GPS天線造成的GPS信號失鎖。記錄好GPS接收機的初始化時間以及靜態觀測起止時間。

航攝飛行作業中采用GB/T 15661對飛行和攝影質量的要求確保GPS接收機正常工作，并按GPS輔助航攝飛行記錄單對地試、前試、每條測線以及后試對應的首末MARK號碼以及航片數做好記錄。在航行過程中，要嚴格按照規范要求執行，根據精度控制的相關理論要求，同一加密分區構架航線與首末測圖航線不能斷開飛行，但是為保證飛行效率，飛行過程中可以靈活調節測圖航線與控制航線的飛行順序；為了保證攝影以及數據采集質量，航行過程中對設備的操作以及飛行方式要充分掌握好，飛機出航線后轉彎坡度不要太大以免造成對GPS天線的遮擋而導致GPS信號失鎖，影響GPS數據采集。

航攝飛行結束落地不動后，進行GPS靜態觀測，觀測時間10分鐘左右。飛行結束后及時下載數據做GPS數據檢核及預處理，檢查機載設備數據記錄的完備性，并備份數據。

關于航攝飛行漏洞的補攝，尤其要注意的就是在敷設構架航線的測區，補攝航線兩端必須超出構架航線外至少一條基線。

2 像片外方位元素的獲取及樣區加密精度驗證

GPS輔助空中三角測量依然遵循傳統的空三加密工序，從投影中心與機載GPS天線相位中心幾何關系出發，將差分GPS獲取的攝站點坐標，作為帶權觀測值引入自檢校光束法區域網平差中進行GPS導航數據與攝影測量觀測值的聯合平差，采用統一的數學模型和算法整體解算像片的外方位元素和加密點坐標，但是具有GPS輔助光束法區域網平差功能的攝影測量加密軟件WuCAPS極大的簡化了操作流程。WuCAPS是在Windows環境下，用面向對象的Visual C++和Fortran語言開發的一個用于攝影測量與遙感高精度點位測定軟件包，它以共線條件方程為核心，融合當代基于統計理論的誤差隨機模型和理論上最為嚴密的自檢校光束法區域網平差函數模型于一體，以程序實現了光束法區域網平差一整套算法。目前，該系統正在測繪生產單位、科研部門、和學校教學中廣泛使用。

為了測定GPS輔助空中三角測量航攝成果的精度，該研究者在樣區內布設了布設30個檢測點（點位分布如圖五所示）。所有點都采用GPS靜態測量方法進行測量，得到WGS84下的大地坐標及其橢球高，并轉換到西安80坐標系和1985國家高程基準下的坐標。利用武漢大學自行研發的WuCAPS軟件進行帶四角高程控制的GPS輔助光束法區域網平差得到樣區全部像片的外方位元素和加密點的地面坐標。利用30個檢測點評定的加密成果精度如表1，由表1顯示來，檢查點精度滿足GB/T 13990-1992《1：5000、1：10000地形圖航空攝影測量內業規范》成圖精度要求，1：5000航測成圖，檢查點不符值：平面<2.5m，高程<2.0m（山區地形）。說明GPS輔助光束法區域網平差得到的外方位元素精度可以滿足后續內業加密和測圖等工序的精度檢查和比較使用。

3 綜述

綜上所述，GPS輔助空中三角測量可以大量減少地面控制點，而且帶地面控制的GPS輔助光束法區域網平差精度能夠滿足1：5000地形圖生產。無論平地區域還是丘陵地、山地區域，采用GPS輔助光束法區域網平差，精度達能到自檢校光束法區域網平差的精度。GPS輔助空中三角測量已經成為一種極為實用、經濟的攝影測量加密方法，其在測繪生產中的應用已經逐漸改變了航空攝影測量一貫遵循的“航空攝影—外業控制聯測—內業測圖”的長周期作業模式。它在縮短航測成圖周期、節省外業控制工作量、減輕勞動強度等方面已經創造出了巨大的經濟和社會效益。

參考文獻

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