郭鵬飛

(河南省測繪工程院，河南 鄭州 450002)

1 引言

隨著我國測繪地理信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，數(shù)字城市建設(shè)的步伐不斷加快，快速高效地獲取影像資料以及影像數(shù)據(jù)的快速處理是實現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)及時更新的保證。傳統(tǒng)航測技術(shù)(基于單模型測圖)雖然解決了部分需求，但是仍然需要較繁重的航測外業(yè)工作(包括像控和調(diào)繪)。隨著ADS80數(shù)碼航空攝影系統(tǒng)的出現(xiàn)以及數(shù)碼攝影測量技術(shù)的日漸成熟，這些問題得到了根本性的解決，本文結(jié)合生產(chǎn)實際就ADS80技術(shù)體系在“數(shù)字城市”基礎(chǔ)測繪中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

2 ADS80系統(tǒng)特點

ADS80數(shù)字航攝儀是目前國際上最先進(jìn)的推掃式數(shù)字航攝系統(tǒng)之一。它是基于航天傳感器線陣掃描(CCD)和全球定位系統(tǒng)(GPS)、高精度的慣性導(dǎo)航定向系統(tǒng)(IMU)的集成。利用航天傳感器12 000像元三線陣掃描原理，一次飛行就可以同時獲得前視，底視和后視具有100%三度重疊、連續(xù)無縫的地面立體影像，可為數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)、遙感圖像處理系統(tǒng)提供高分辨率的全色、真彩色、近紅外數(shù)字影像。同時，該系統(tǒng)綜合使用POS、GPS精確導(dǎo)航定位，大大減少了外業(yè)地面控制的工作量。

3 ADS80在“數(shù)字商城”中的應(yīng)用

3.1 任務(wù)概況

為了發(fā)展地理空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，形成唯一，統(tǒng)一和權(quán)威的地理公共服務(wù)平臺，實現(xiàn)空間信息資源的開發(fā)利用和共建共享，加快數(shù)字城市的建設(shè)，“數(shù)字商城”建設(shè)成功啟動。測區(qū)涉及縣城規(guī)劃區(qū)和發(fā)展區(qū)面積約為200 km2的范圍。地形涉及平地，丘陵地和山地三種地形類別。

3.2 生產(chǎn)技術(shù)流程(如圖1)

圖1 生產(chǎn)技術(shù)流程圖

3.3 ADS80航空攝影

商城位于河南省東南部，從氣候條件、空域條件、地形地貌條件等綜合分析，測區(qū)航空攝影困難等級屬于三類區(qū)域，攝區(qū)航線基本屬于南北航向，測區(qū)飛行面積約200 km2。利用ADS80航攝儀相配套的FPES設(shè)計軟件進(jìn)行了航線設(shè)計，測區(qū)共設(shè)計飛行航線為13條。根據(jù)飛行要求和天氣，飛行了2個架次完成航攝任務(wù)，地面分辨率0.09 m。

此次航攝采用有地面基準(zhǔn)站配合的作業(yè)方式，基準(zhǔn)站架設(shè)在測區(qū)中部范圍內(nèi)，選取了2個已知D級GPS控制點，采用2臺天寶5700雙頻GPS接受機(jī)架設(shè)在點上，基準(zhǔn)點位距離測區(qū)的邊緣不超過30 km，基站位于開闊處，附近無電波干擾。觀測條件和技術(shù)參數(shù)滿足各項技術(shù)規(guī)程。在2個架次13條飛行航線的過程中，空中地面各項儀器指標(biāo)正常，飛行情況符合要求。

3.4 像控點布設(shè)及測量

(1)布設(shè)

本測區(qū)像控點按四角和中心布設(shè)方案，測區(qū)200 km2共設(shè)計布設(shè)了28個像控點。像控點選定均按照規(guī)范要求和像片條件進(jìn)行了初選，點位的位置均選在各相鄰航線的影像上，影像清晰可見的明顯地物點上，同時像控點選刺應(yīng)同時滿足平面和高程控制點對點位目標(biāo)的要求，并在像片上標(biāo)出概略位置，便于外業(yè)工作引導(dǎo)。

(2)聯(lián)測

28個像控點均進(jìn)行了實地選點刺點。像控點WGS－84坐標(biāo)的聯(lián)測采用HNCORS系統(tǒng)進(jìn)行了測設(shè)，每個像控點目標(biāo)均測設(shè)了3次，確保各項誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，取3次平均值為像控點成果值。每個像控點的刺點，整飾和說明嚴(yán)格按技術(shù)要求刺在電子文檔上。第二人按要求進(jìn)行了實地獨立檢查。像控點聯(lián)測如圖2所示。

圖2 像控點聯(lián)測示意圖

3.5 ADS80數(shù)據(jù)預(yù)處理

ADS80是一臺基于三線陣推掃式航攝相機(jī)，其中集成了POS系統(tǒng)，可以在航攝的同時獨立記錄GPS相位中心的精確位置和高頻記錄IMU的姿態(tài)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行GPS和IMU數(shù)據(jù)聯(lián)合處理后可以得到航攝過程中航攝儀高頻精確的空間位置和姿態(tài)信息。通過內(nèi)插可以得到每一個掃描線曝光瞬間的投影中心的空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。因此通過ADS80獲取到的地面掃描影像是一條條直接具有外方位元素的掃描線。

(1)外方位元素求解

ADS80內(nèi)業(yè)解算主要是基于GPro、IPAS、APM和Orima軟件進(jìn)行計算，在航飛結(jié)束后，利用同步基站GPS觀測數(shù)據(jù)，聯(lián)合機(jī)載GPS和IMU數(shù)據(jù)以及航攝時間記錄進(jìn)行解算，獲得投影中心精確的空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。

(2)空中三角測量

空中三角測量的目的是獲得高精度的數(shù)字?jǐn)z影測量內(nèi)業(yè)所需的像片內(nèi)外方位元素和數(shù)字影像糾正點等元素數(shù)據(jù)。本項目使用ORIMA自動空中三角測量系統(tǒng)進(jìn)行加密，測區(qū)劃分為一個加密單元。采用IMU/DGPS輔助空三技術(shù)手段，用地面基站加外業(yè)像控點處理數(shù)據(jù)。在引入外業(yè)像控點大地坐標(biāo)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)的聯(lián)合平差計算時，像控制點的量測采用人工觀測。加入IMU/DGPS輔助航空攝影得到的6個外方位元素初值作為帶權(quán)觀測值參與平差，用加密成果進(jìn)行定向。無約束平差和約束平差空中三角測量數(shù)據(jù)處理精度及各種限差均滿足技術(shù)要求?？杖讲罴用艹晒?jīng)外業(yè)檢測點驗證時符合精度要求。

空三完成后，輸出L1級影像，Odf文件(影像定向文件);SUP文件(頭文件)

Cam文件夾(相機(jī)文件);ads文件(影像頭文件，內(nèi)含程序要讀入的影像名稱成果)。

3.6 立體測圖

空中三角測量完成后，空三加密成果是在WGS－84坐標(biāo)系統(tǒng)下所做的平差處理，要實現(xiàn)測繪項目“4D”產(chǎn)品的具體實施，就需要進(jìn)行平面坐標(biāo)和高程系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換。

(1)平面坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

通常采用七參數(shù)法，在進(jìn)行七參數(shù)計算時，一定要搞清楚原GPS成果坐標(biāo)系框架。ADS數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)獲取的是WGS－84坐標(biāo)系，如采用地面基站差分GPS處理聯(lián)合計算，所得到的GPS成果就和地面基站坐標(biāo)框架一致。如采用PPP無基站單點定位計算，得到的是WGS－84瞬時坐標(biāo)系，則需要進(jìn)行歸化改正?！皵?shù)字商城”空三成果是聯(lián)合地面基站計算，保證了空三成果和測區(qū)D級GPS控制點WGS－84坐標(biāo)系統(tǒng)是一致的。故只需把測區(qū)范圍內(nèi)分布均勻的D級GPS點按布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型轉(zhuǎn)換即可。其中WGS－84作為原坐標(biāo)系Ⅰ，CGCS2000坐標(biāo)系作為目的坐標(biāo)系Ⅱ。模型公式為:

其中:△x、△y、△z為平移參數(shù)，以m為單位;

εx、εy、εz為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，以弧度為單位;

S為尺度比變化參數(shù)，無名數(shù)，ppm。

(2)高程系統(tǒng)改正

高程的計算，現(xiàn)在一般采用兩種方法改正:一是采用省內(nèi)2'×2'大地水準(zhǔn)面精化成果對大地高進(jìn)行高程異常改正計算，如:*.bin(高程異常修正文件)。二是采用測區(qū)分布均勻的GPS控制點用水準(zhǔn)擬合法求得。同樣，在轉(zhuǎn)換時也要注意WGS－84和大地水準(zhǔn)面精化成果間坐標(biāo)系統(tǒng)關(guān)系。由于商城測區(qū)布設(shè)了高密度的GPS水準(zhǔn)點，故高程異常值的求得是在范圍內(nèi)選取一定數(shù)量的D級GPS點按二次曲面擬合公式而得。

3.7 精度檢測

ADS80系統(tǒng)在“數(shù)字商城”工程測繪應(yīng)用中，通過信息反饋，工作效率高，社會反響較好，數(shù)據(jù)成果也有較高的數(shù)學(xué)精度。下面是筆者參與“數(shù)字商城”1∶1 000比例尺地形圖精度檢測情況。

(1)平面精度檢測

隨機(jī)在作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)選定26幅內(nèi)業(yè)采集的數(shù)據(jù)符號圖作為平面檢測樣圖，儀器選用拓?fù)淇等緝x，在已知一級和圖根控制點上架設(shè)，在圖幅均勻范圍內(nèi)選取30個～40個內(nèi)業(yè)采集數(shù)據(jù)目標(biāo)點為樣本點進(jìn)行統(tǒng)計。目標(biāo)點選取為沒檐的房子，花池角等明顯地物點上。以內(nèi)業(yè)采集坐標(biāo)數(shù)據(jù)和野外實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，統(tǒng)計精度如表1所示。

平面檢測精度統(tǒng)計表 表1

(2)高程精度檢測

隨機(jī)在作業(yè)區(qū)選定27幅內(nèi)業(yè)采集的數(shù)據(jù)符號圖作為高程檢測樣圖，儀器選用拓?fù)淇等緝x和GPS Trimble 5700檢測，在圖幅均勻范圍內(nèi)選取35個內(nèi)業(yè)采集數(shù)據(jù)目標(biāo)點為樣本點進(jìn)行統(tǒng)計，目標(biāo)點選取在硬化路面，易判繪的地面和非鋪狀地面上，精度統(tǒng)計如表2所示。

高程檢測精度統(tǒng)計表 表2

(3)檢測結(jié)論

通過野外檢測，內(nèi)業(yè)計算分析比較統(tǒng)計，ADS80數(shù)字航空攝影測量系統(tǒng)生產(chǎn)的大比例尺地形圖產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，平面和內(nèi)業(yè)測設(shè)高程成果符合城市大比例尺測繪地形圖精度要求，達(dá)到技術(shù)規(guī)范指標(biāo)。

4 結(jié)論

從ADS80數(shù)碼航空攝影系統(tǒng)在“數(shù)字商城”中成功應(yīng)用表明:ADS80系統(tǒng)最大限度地減少外業(yè)像片控制測量任務(wù)，縮短了項目工期和成本;三線陣攝影技術(shù)，影像信息量豐富，前視，下視和后視三個條帶數(shù)據(jù)可以配成3個彩色立體像對測圖，通過像對間數(shù)據(jù)補充，大大減少遮擋范圍，減輕了外業(yè)補測工作量，在DLG立體測圖，DEM提取，DOM制作過程中采用整條帶作業(yè)模式，減少了圖幅拼接，影像處理等數(shù)據(jù)處理工作;橫向重疊度大，提高模型點連接精度，空三和測圖結(jié)果可靠性增強;同時通過檢測ADS80解決了航空攝影測量大比例尺地形圖內(nèi)業(yè)測設(shè)高程精度問題，從而減輕了野外高程點測設(shè)任務(wù);ADS80數(shù)據(jù)通用性較強，如:LPS、PixeFactory、Infho、Ssk、JX4、Virtuozo、Mapmatrix 等國內(nèi)外通用軟件均可以兼容。這一系列的優(yōu)勢將極大地推動基礎(chǔ)地理信息獲取技術(shù)及“數(shù)字城市”的發(fā)展。

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