POS輔助數(shù)碼航空攝影測量在數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)中的應(yīng)用

汪本榮

（安徽省第三測繪院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

數(shù)字城市平臺(tái)作為一種城市運(yùn)行、建設(shè)情況虛擬化呈現(xiàn)的重要方式，依托于計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)等，在定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)的支持下，從多個(gè)維度展現(xiàn)出城市范圍內(nèi)人與人、人與環(huán)境之間的相互關(guān)系，是城市整體規(guī)劃、日常管理的主要手段。為提升數(shù)字城市平臺(tái)信息獲取的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，文章嘗試通過POS輔助數(shù)碼航空攝影測量的方式，實(shí)現(xiàn)城市信息的快速捕捉，為數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)提供信息源。

1 POS輔助數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)概述

為充分發(fā)揮POS技術(shù)的輔助作用，不斷提升數(shù)碼航空攝影測量的精確度，觀測人員在優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用方案之前，有必要著眼于實(shí)際，對(duì)POS技術(shù)原理、數(shù)碼航空攝影測量進(jìn)行全面分析，形成系統(tǒng)的認(rèn)知，為后續(xù)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用活動(dòng)的開展提供方向性引導(dǎo)。

1.1 數(shù)碼航空攝影技術(shù)特性分析

數(shù)碼航空攝影技術(shù)以飛機(jī)作為主要載體，通過航攝相機(jī)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)性攝影獲取圖片數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上通過對(duì)地面控制點(diǎn)、立體測繪工作的聯(lián)動(dòng)形成區(qū)域性地形圖。數(shù)碼航空攝影獲取的數(shù)據(jù)境地較高，受環(huán)境因素影響較小，是目前我國主流的一種地理信息觀測手段，被廣泛應(yīng)用于災(zāi)害預(yù)警、資源開發(fā)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域[1]。隨著技術(shù)手段的不斷豐富與成熟，數(shù)碼航空攝影技術(shù)將GPS導(dǎo)航系統(tǒng)納入自身框架內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了空中三角測量，使得數(shù)碼航空攝影技術(shù)的測量精度穩(wěn)步提升。但是，從技術(shù)層面來看，GPS技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼航空攝影的動(dòng)態(tài)化管控，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)性影像資料獲取。基于這種實(shí)際，相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)在數(shù)碼航空攝影技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)嘗試引入POS技術(shù)，期望借助POS技術(shù)的定位導(dǎo)航能力，輔助數(shù)碼航空攝影技術(shù)開展監(jiān)測活動(dòng)。

1.2 POS技術(shù)原理分析

POS作為一種新型定向定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了GPS導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的有效銜接，彌補(bǔ)了過往數(shù)碼航空攝影技術(shù)在信息獲取連續(xù)性等方面的不足，完善了整個(gè)攝影流程。同時(shí)，POS技術(shù)的參與，使得數(shù)碼航空攝影對(duì)于地面控制點(diǎn)的依賴性大幅度降低，無形之中縮小了操作難度，提升了實(shí)用性，降低了技術(shù)使用成本。此外，在相關(guān)技術(shù)的支持下，POS使得數(shù)碼航空攝影不需要空中三角測量，也能夠快速實(shí)現(xiàn)圖像信息的定點(diǎn)傳輸。這些技術(shù)優(yōu)勢，使得POS輔助數(shù)碼航空攝影成為一種可能。從技術(shù)層面看，POS技術(shù)將GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)融合起來，從而使得POS具有一定的獨(dú)立性，能夠在不依靠外界控制設(shè)備、控制指令的情況下進(jìn)行自主導(dǎo)航，并在導(dǎo)航過程中提供空間方位、運(yùn)動(dòng)時(shí)刻以及水平基準(zhǔn)等基本信息。由于合理使用GPS技術(shù)，POS技術(shù)的測量精度進(jìn)一步提升，使其具有極強(qiáng)的續(xù)航能力，滿足大范圍數(shù)碼航空攝影技術(shù)的使用需求。這種技術(shù)特性使得POS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了GPS定位、慣性導(dǎo)航的優(yōu)化組合，不斷增強(qiáng)觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性，減少外部環(huán)境對(duì)整個(gè)技術(shù)活動(dòng)的干擾，避免觀測過程中出現(xiàn)信號(hào)丟失或者跳轉(zhuǎn)的情況，從而有效控制觀測誤差，提升了整個(gè)觀測的準(zhǔn)確性[2]。POS技術(shù)對(duì)于慣性導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用，使得其在內(nèi)部形成獨(dú)立單位，有效規(guī)避外部環(huán)境對(duì)觀測定位工作的影響，從而在復(fù)雜的環(huán)境下順利完成導(dǎo)航定位工作，實(shí)現(xiàn)高頻率的定位信息發(fā)送與獲取。正是由于POS技術(shù)的優(yōu)勢，越來越多的數(shù)字航空攝影技術(shù)人員在定位技術(shù)選擇過程中將POS作為首選，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的升級(jí)，強(qiáng)化影像數(shù)據(jù)的傳輸能力，為后續(xù)相關(guān)數(shù)據(jù)開發(fā)、應(yīng)用工作的開展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)基本要求

數(shù)字城市平臺(tái)在建設(shè)、運(yùn)行過程中涉及多種硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)的參與?；谶@種認(rèn)知，為了理順數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)的基本流程，確保POS輔助數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)的應(yīng)用效果，觀測人員有必要分析數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)的基本訴求，確保POS輔助數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)應(yīng)用的有效性。

數(shù)字城市平臺(tái)在建設(shè)過程中，需要自然資源、社會(huì)資源和基礎(chǔ)設(shè)施等空間信息的參與。為實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的科學(xué)高效使用，在數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)環(huán)節(jié)需要技術(shù)人員做好相應(yīng)的技術(shù)處理與應(yīng)對(duì)，提升數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)、交互和處理的有效性。數(shù)字城市平臺(tái)的這種技術(shù)特性，要求在平臺(tái)建設(shè)過程中做好城市相關(guān)數(shù)據(jù)信息的收集、匯總、處理以及調(diào)用工作，確保數(shù)字城市平臺(tái)相關(guān)信息呈現(xiàn)的完整度和有效性，幫助用戶在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確掌握相關(guān)區(qū)域的自然環(huán)境和人文風(fēng)俗?？紤]到我國城市化進(jìn)程較快，數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)對(duì)于空間信息的時(shí)效性有著較為嚴(yán)格的要求。通過實(shí)時(shí)更新信息數(shù)據(jù)，能夠在短時(shí)間內(nèi)快速獲取各類信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的快速更新，真實(shí)、完整地呈現(xiàn)出城市的變化情況[3]?；谏鲜鲂枨?，數(shù)字城市平臺(tái)在實(shí)際構(gòu)建環(huán)節(jié)需要借助必要的技術(shù)手段，保證空間數(shù)據(jù)信息獲取的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，從而為用戶提供整體性的城市規(guī)劃和管理信息。

3 POS輔助數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)在數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)中的應(yīng)用方法

POS輔助數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)在數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)中的應(yīng)用涉及多個(gè)層面的內(nèi)容。為推動(dòng)平臺(tái)建設(shè)的有序開展，增強(qiáng)測量技術(shù)應(yīng)用效果，觀測人員應(yīng)當(dāng)在科學(xué)性原則、實(shí)用性原則的引導(dǎo)下，結(jié)合相關(guān)技術(shù)原理與技術(shù)特性，轉(zhuǎn)變技術(shù)應(yīng)用思路，采取更有效的手段，促進(jìn)POS輔助數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)在數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)中的應(yīng)用。

3.1 做好控制點(diǎn)布設(shè)工作

為有效發(fā)揮POS的輔助能力，在使用數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)的過程中，觀測人員需要根據(jù)區(qū)域地理特性做好控制點(diǎn)的布設(shè)工作。具體來看，在布設(shè)工作之初，觀測人員應(yīng)當(dāng)依據(jù)《POS系統(tǒng)應(yīng)用航空攝影試飛方案》等技術(shù)規(guī)范，結(jié)合觀測要求，有針對(duì)性地做好控制點(diǎn)的布設(shè)工作。通過必要的控制點(diǎn)布局，進(jìn)一步提升整個(gè)POS技術(shù)的輔助能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)在攝影環(huán)節(jié)的高效應(yīng)用，使得觀測人員能夠根據(jù)測量需求方便靈活地開展數(shù)碼影像的獲取工作[4]。

3.2 科學(xué)規(guī)劃地面站布局

在數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)應(yīng)用過程中，為了進(jìn)一步發(fā)揮POS技術(shù)的輔助作用，除了進(jìn)行必要的控制點(diǎn)布設(shè)工作之外，還要在測量區(qū)域內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的基準(zhǔn)站。但是，考慮到基準(zhǔn)站觀測數(shù)量與數(shù)碼航空攝影精度之間的關(guān)系，觀測人員根據(jù)GB/T18314與GJB2228-1994等技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，結(jié)合過往相關(guān)實(shí)踐工作的有益經(jīng)驗(yàn)，需做好POS技術(shù)中GPS基準(zhǔn)站的選址工作。

3.3 開展POS外方元素解算

在使用POS對(duì)數(shù)碼航空攝影進(jìn)行輔助性定位、導(dǎo)航的過程中，考慮到觀測環(huán)境的復(fù)雜性，觀測人員在實(shí)際操作環(huán)節(jié)需要借助于相關(guān)軟件做好POS外方元素解算工作。具體操作環(huán)節(jié)，觀測人員使用偏心角解算的方式，在獲取校場空三加密數(shù)據(jù)后，依托POS原始數(shù)據(jù)和相關(guān)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，利用PosPac等軟件對(duì)數(shù)碼航空攝影過程中偏心角進(jìn)行必要的計(jì)算，細(xì)化觀測對(duì)象不同的觀測角度，增強(qiáng)整個(gè)數(shù)碼航空攝影技術(shù)對(duì)于目標(biāo)觀測對(duì)象數(shù)據(jù)資料獲取的有效性。

3.4 進(jìn)行必要的空三處理

現(xiàn)階段，部分軟件沒有很好地支持POS空三處理工作要求?；谶@種實(shí)際，觀測人員對(duì)POS進(jìn)行空三處理環(huán)節(jié)使用LPS軟件，建立一定的空間坐標(biāo)系，通過LPS軟件使得數(shù)碼航空攝影測量獲取的各項(xiàng)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行影像的生成、放大、縮小等工作，為數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)提供技術(shù)支持[5]。

4 實(shí)例分析

考慮到目前POS輔助數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累不足，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)存在漏洞。為有效應(yīng)對(duì)上述情況，發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，確保數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)水平，觀測人員有必要立足于實(shí)際，通過分析典型案例總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，理順技術(shù)應(yīng)用流程，為后續(xù)相關(guān)數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)和數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)的應(yīng)用提供借鑒。

以五河縣為例，其地處皖東北淮河中下游，因境內(nèi)淮、澮、漴、潼、沱五水匯聚而得名。它地處東經(jīng)117°26′～ 118°04′，北緯 32°54′～ 33°21′，縣境東西長約56 km，南北寬約45 km，邊界長約230 km，總面積1 580 km2，東接江蘇省泗洪縣，南與明光市、鳳陽縣接壤，西與蚌埠市龍子湖區(qū)、固鎮(zhèn)縣毗鄰，北接泗縣、靈璧縣。它的數(shù)字縣域航攝與測圖范圍如圖1所示。

圖1 為五河縣數(shù)字縣域航攝與測圖范圍

根據(jù)相關(guān)部門的工作要求，對(duì)五河縣城區(qū)約80 km2的范圍進(jìn)行地面分辨率為0.1 m的彩色數(shù)字航空攝影。采用攝影測量方法進(jìn)行數(shù)字正射影像圖（DOM）制作和50 km2的1:1 000比例尺數(shù)字線劃圖（DLG）測繪，并在此基礎(chǔ)上獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，完成該區(qū)域數(shù)字城市平臺(tái)的建設(shè)?；谖搴涌h的觀測需求，觀測人員在使用POS技術(shù)輔助數(shù)碼航空攝影的過程中，在GB/T 15967-2008《1:500 1:1 000 1:2 000地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》等技術(shù)規(guī)范的引導(dǎo)下，進(jìn)一步掌握數(shù)碼航空攝影測量的精度要求，提升POS技術(shù)應(yīng)用的合理性與有效性。在這一思路的指導(dǎo)下，觀測人員提前進(jìn)入觀測區(qū)域，根據(jù)1:2 000的比例尺測量精度要求，合理設(shè)置觀測點(diǎn)。例如，工作人員在100 km2的范圍內(nèi)設(shè)置42個(gè)控制點(diǎn)，在觀測過程中分別使用大理石、木樁等標(biāo)記控制點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上逐步形成完備的控制點(diǎn)布機(jī)制，為后續(xù)數(shù)碼航空攝影工作的開展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在對(duì)五河縣進(jìn)行數(shù)碼航空攝影測量的過程中，觀測人員對(duì)基準(zhǔn)站進(jìn)行了合理設(shè)置，初步完成布局后，組織人員評(píng)估基準(zhǔn)站布局的合理性和科學(xué)性，根據(jù)評(píng)估結(jié)果調(diào)整基準(zhǔn)站設(shè)置空間位置，不斷提升整個(gè)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。五河縣在使用POS輔助數(shù)字航空攝影技術(shù)的過程中，通過像片控制測量、空三加密以及數(shù)字正射影像等手段，確保技術(shù)的有效銜接。例如，觀測人員通過像控點(diǎn)點(diǎn)位布設(shè)合理，數(shù)量滿足空三加密需要，點(diǎn)記清晰、準(zhǔn)確，測量精度符合規(guī)范與技術(shù)設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、相機(jī)參數(shù)正確，匹配連接點(diǎn)組網(wǎng)合理，平差精度符合規(guī)范與設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)方案的完善與優(yōu)化。在完成上述技術(shù)活動(dòng)中，為增強(qiáng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的直觀性，觀測人員需要做好數(shù)字高程模型制作工作，保證數(shù)據(jù)接邊完好，內(nèi)插生成的高程表達(dá)正確，地形反映清晰明了，無明顯錯(cuò)點(diǎn)數(shù)據(jù)，高程精度符合規(guī)范與設(shè)計(jì)要求。

表1 性能測試結(jié)果

5 結(jié) 論

POS輔助數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)有效提升了數(shù)碼航空攝影的可操控性、信息采集的實(shí)時(shí)性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，充分滿足數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)的相關(guān)技術(shù)要求。文章立足于實(shí)際，從多個(gè)層面出發(fā)，采取針對(duì)性的技術(shù)應(yīng)用手段發(fā)揮POS技術(shù)作用，促進(jìn)了數(shù)碼航空攝影技術(shù)水平的提升，確保該項(xiàng)技術(shù)手段在數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)中能夠合理高效使用。