羅亮

（廣東省國土資源測繪院，廣東廣州 510500）

GPS近景交會定位技術在海島礁測繪上的運用

羅亮

（廣東省國土資源測繪院，廣東廣州 510500）

海島礁測繪工程是國家測繪局“十一五”期間的5個重要項目之一，GPS近景交會定位模塊是衛(wèi)星快速定位信息采集系統(tǒng)的一部分。該技術可完成對海島礁特殊地形的測繪任務，對困難海岸線的測繪提出新方法。

海島礁；近景交會定位；后方交會；前方交會

1 GPS近景交會定位模塊

GPS近景交會定位模塊是GPS衛(wèi)星快速定位信息采集系統(tǒng)的一部分，由GPS定位部分、三維數字羅盤、相機、電源等部分組成，它是高精度衛(wèi)星定位技術、近景大角度交會定位技術以及數字羅盤測角技術的集成與整合，最終實現相片外方位元素的解算以及地物特征點量測。

影像的外方位元素包括攝站點的三維坐標和主光軸的姿態(tài)。主光軸的姿態(tài)由 2種方式提供：一種是三維數字羅盤直接測定，精度約為5‰；另一種是利用3個影像控制點解算（即單片后方交會）。攝站點坐標采用后處理差分動態(tài)定位技術獲取，定位精度10 cm，圖1是其原理圖。

圖1 GPS近景交會定位原理圖

相片的 3個角元素的初始值的確定在解算過程中很重要，3個角元素可由羅盤測得的數據經轉換后確定；但是GPS采集到的數據是以WGS84坐標系為地理約束框架的，目前系統(tǒng)還未建立其與像空間坐標系的旋轉關系，羅盤的作用難以發(fā)揮。通過將WGS84坐標系轉換為站心坐標系，站心坐標系與像空間坐標系之間的 3個角元素的初始值可由羅盤測得的航向、俯仰和橫滾轉換后得到，關系如圖2所示。

圖2 輔助空間坐標系與像空間坐標系的空間關系

采用GPS浮標結合地面控制點通過共線方程反解相機外方位元素（即后方交會技術，共線方程如下式所示：

根據后方交會計算出的相機外方位元素，結合同名像點解算地物特征點的地理坐標（即前方交會技術），原理如圖3所示。

2 近景攝影測量方法

試驗分別在陸地上和海面上進行，選擇不同的攝站點，對準某段海岸線進行拍照。在 2個攝站點對同一范圍拍攝，通過GPS模塊記錄攝站點的坐標，羅盤模塊測得相機的瞬時姿態(tài)參數。

影像的外方位元素包括攝站點的三維坐標和相片3個角元素。

攝站點坐標采用后處理差分動態(tài)定位技術，定位精度10 cm；

相片3個角元素由2種方式提供：一種是三維數字羅盤經外標定模塊改正并換算得到；另一種是利用3個影像控制點解算。

3 GPS近景交會定位作業(yè)試驗

3.1 陸地上相片拍攝

在陸地上分別選擇攝站點1、2、3，從3個不同的角度拍攝3組相片（命名為相片1、相片2、相片3），相片兩兩組成像對。

在拍攝的相片中，應合理布設像控點，以使拍照時，像控點在照片上能均勻分布。每張相片的像控點個數為8個以上，像對上同名像點個數為5個以上，以便于解算結果與觀測值比對。

利用衛(wèi)星快速定位信息采集系統(tǒng)下的影像信息采集模塊，通過掌上電腦控制相機拍照，讀取并保存羅盤數據和GPS數據。

3.2 海上相片拍攝

在海面上離岸約400 m處，在3個攝站點（攝站固定安置在大船上）共拍攝了 3組照片，第一組照片分為6個拍攝區(qū)域，第二、三組照片分為6個拍攝區(qū)域（分布示意圖如圖4所示）。

1）在1號采集點，拍攝第一個區(qū)域。3個GPS浮標按照圖1所示在1號采集點第一個拍攝區(qū)域內安放好后，在 1號采集點進行拍攝。兩細實線之間代表相機的視場及拍攝范圍，2號及3號浮標的位置決定了拍攝范圍，3個實心三角形代表GPS浮標，實心正方形代表大船位置。

2）在1號采集點，拍攝第二個區(qū)域。大船位置不動，將 1、2、3號浮標移動到第二個拍攝區(qū)域，完成第二個區(qū)域的拍攝。

3）依次類推，直到1號采集點完成第六個區(qū)域拍攝，保證6次拍攝覆蓋整個目標區(qū)域。

在1號攝站點拍攝完成后，分別移動到2、3號攝站點按上述步驟進行拍攝完畢。

圖4 攝站點分布及GPS浮標布設位置圖

3.3 檢核點測量

根據獲取的相片，選擇一些明顯的地物特征點（如房角等），作為檢核點，用于解算值與觀測值的比對。

4 近景攝影測量數據處理與分析

4.1 內業(yè)數據處理

1)GPS數據精密處理。用GPS接收機測得的靜態(tài)數據需經過其他軟件處理，動態(tài)數據需經過ROVER等軟件處理（如圖5所示)。

圖5 ROVER軟件處理示意圖

2)GPS及羅盤數據的提取。通過查找并判斷GPS、羅盤每條信息的時間與相機曝光時間來提取相機曝光時刻的GPS、羅盤數據。

3)天線歸心及羅盤數據轉換。將與相機固定在一起的天線的坐標歸算出相機鏡頭中心的坐標；將羅盤的3個角度轉換為相片的3個外方位角元素。

4)進入“海島礁衛(wèi)星快速定位信息采集系統(tǒng)”的“后方交會子模塊”，輸入已知參數，計算外方位元素，并保存文件（見圖6）。

5)進入“前方交會子模塊”，打開后方交會計算的結果文件，輸入已知參數，解算待定地物點的坐標。

4.2 陸地上試驗精度統(tǒng)計

相片兩兩構成一個像對，后方交會用六參數解算，每張照片選用 3點計算，將前方交會解算結果與實測的檢核點進行比對統(tǒng)計（見表1）。

圖6 海島礁衛(wèi)星快速定位信息采集系統(tǒng)示意圖

表1 解算結果與實測的檢核點比對/m

4.3 海上試驗精度統(tǒng)計分析

以第一拍攝區(qū)為例，第 1、2、3攝站上對第一區(qū)攝影的相片分別命名為S11、S21和S31（其他拍攝區(qū)以此類推），將前方交會解算結果與實測的檢核點分別進行比對，精度統(tǒng)計分別見表2、表3、表4。

1）相片S11與S21上解算結果與實測的檢核點比對統(tǒng)計（見表2）。

表2 解算結果與實測的檢核點比對/m

2)相片S21與S31上解算結果與實測的檢核點比對統(tǒng)計（詳見表3）。

表3 解算結果與實測的檢核點比對/m

3）相片S11與S31上解算結果與實測的檢核點比對統(tǒng)計（見表4）。

表4 解算結果與實測的檢核點比對/m

通過像對 S11-S21、S21-S31的解算結果的分析，離相機鏡頭近的“第 1浮標”，對解算結果影響很大；離鏡頭近時，控制點目標在相片上顯示較大，其中心位置不易判斷，在相片上刺點時，容易偏離控制點的實際位置，導致解算結果精度下降。

通過對像對S11-S31的解算結果的分析，用島上的靜態(tài)測量點作為控制點進行近景交會定位點坐標的解算要比用海上的動態(tài)測量點作為控制點進點坐標解算的結果要好；說明GPS接收機采樣率或動態(tài)GPS數據處理得到的瞬時坐標精度對近景交會定位的坐標解算影響很大。

5 結 語

近景交會定位解算未知點絕對精度基本優(yōu)于1m。用海上的GPS浮標作為控制點，控制點精度與GPS數據的后處理精度相關，近景交會定位解算未知點絕對精度可達到1m。

地物點的三維定位采用像對前方交會實現，定位精度指標通過實地衛(wèi)星定位比對確定。

拍攝用于前方交會計算的照片時，遵循的幾個原則：

1)攝站點距控制點的平均距離大約為兩攝站點間基線距離1.5～3倍。

2)拍攝像對時，兩位置上相機視準軸的夾角為15°～75°，可通過數字羅盤的航向讀數判斷。

3)像控點在相片上要分布均勻，盡量避免像控點分布在相片的邊緣。

4)海面3個GPS浮標天線高差不小于3m，浮標三角形夾角不小于30°。

用于后方交會的控制點在相片上分布均勻，避免在一條直線上；用于后方交會計算的控制點精度越高越好；拍攝像對時的交會角盡量大一些。當攝站點坐標精度高時，可作為已知值，后方交會時只解算外方位角元素：當攝站點坐標精度低時，可作為初始值，后方交會時解算6個外方位元素。

利用GPS近景交會定位方法，可應用于海島礁岸線測量。用于岸線測量時，需考慮海面上船只的遮擋情況、光線強度及方向、拍攝距離等因素，使獲得的像片上岸線清晰。

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Application of GPSClose-range Photogrammetry Crossing Location Technique in Surveying and Mapping on Island and Reef

by LUO Liang

Surveying and mapping engineering on island and reef is one of five important items during 11th five-year planning in State Bureau of Surveying and Mapping.GPS close-range photogrammetry crossing location module is part of the quickly positioning information collection system.This technology can be completed on island and reef of the special terrain mapping mission.Particularly it can provide anew method to map difficulties coastline.

island and reef,close-range photogrammetry crossing location,resection,forward intersection （Page:81）

P228.42

B

1672-4623(2011)02-0081-03

2010-12-27

羅亮，工程師，主要從事工程測量、攝影測量和海洋測繪工作。