宋小虎　王克宇　錢冬冬

摘 要：根據(jù)“863”課題在舟山東極鎮(zhèn)廟子湖島的現(xiàn)場試驗情況，介紹GPS近景定位系統(tǒng)的組成、工作原理、試驗過程、數(shù)據(jù)處理及試驗結(jié)果，為GPS近景定位系統(tǒng)在島礁測量中的推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：GPS；近景攝影測量；島礁

中圖分類號： P229.2 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）18-163-3

1 概述

在海洋經(jīng)濟飛速發(fā)展的時代，作為海洋大國，我國海岸線長度約18000公里，管理的海洋面積約270550平方公里，分布著大小島嶼約6500個。為了更好地維護國家海洋權(quán)益和保障國家安全，島礁測量和資源普查顯得特別重要。但島礁測量特別是遠離大陸難于到達的島礁測量受制于各種條件的制約需要特殊的設(shè)備和技術(shù)手段，作者根據(jù)“863”課題在舟山東極鎮(zhèn)廟子湖島的現(xiàn)場試驗來介紹GPS近景定位系統(tǒng)在島礁測量中的應(yīng)用。

2 GPS近景定位系統(tǒng)

GPS近景定位系統(tǒng)又稱為衛(wèi)星快速定位信息采集系統(tǒng)，是由中國測繪科學(xué)研究院自助開發(fā)研制的用于海島測量及不易接觸物體（目標(biāo)）的測量與定位。系統(tǒng)軟硬件主要由GPS OEM板和天線、數(shù)碼相機、三維數(shù)字羅盤、掌上電腦和供電系統(tǒng)等硬件，矢量信息采集模塊和交互式作業(yè)界面等實時處理軟件，以及矢量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)精化模塊和近景測量信息采集模塊、數(shù)字羅盤參數(shù)標(biāo)定與設(shè)置模塊等后處理軟件構(gòu)成，系統(tǒng)能實現(xiàn)航空航天測圖影像布控與調(diào)繪一體化功能。

3 近景攝影測量原理與方法

3.1 近景攝影測量基本原理

GPS近景信息采集模塊是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(shù)字羅盤、相機、電源等部分組成，它是高精度衛(wèi)星定位技術(shù)、近景大角度交會定位技術(shù)以及數(shù)字羅盤測角技術(shù)的集成與整合，最終實現(xiàn)像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(biāo)和主光軸的姿態(tài)。主光軸的姿態(tài)由兩種方式提供：一種是三維數(shù)字羅盤直接測定，精度約為5‰；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(biāo)采用后處理差分動態(tài)定位技術(shù)獲取，定位精度10cm。圖1是其原理圖。

像片的三個角元素的初始值的確定在結(jié)算過程中很重要，三個角元素可由羅盤測得的數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后確定，但是，GPS采集到的數(shù)據(jù)是以WGS84坐標(biāo)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(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，羅盤的作用難以發(fā)揮。通過將WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為站心坐標(biāo)系，站心坐標(biāo)系與像空間坐標(biāo)系之間的三個角元素的初始值可由羅盤測得的航向、俯仰和橫滾轉(zhuǎn)換后得到。圖2為輔助空間坐標(biāo)系與像空間坐標(biāo)系的空間關(guān)系。

采用GPS浮標(biāo)結(jié)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(shù)），共線方程如下式所示：

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

3.2 近景攝影測量基本方法

在主試驗區(qū)，選擇攝站點，對準(zhǔn)南碼頭層狀房屋進行拍照，在兩個攝站點對同一范圍拍攝，通過GPS模塊記錄攝站點的坐標(biāo)，羅盤模塊測得相機的瞬時姿態(tài)參數(shù)。

影像的外方位元素包括攝站點的三維坐標(biāo)和像片三個角元素。

攝站點坐標(biāo)采用后處理差分動態(tài)定位技術(shù)，定位精度10cm；

像片三個角元素由兩種方式提供：一種是三維數(shù)字羅盤經(jīng)外標(biāo)定模塊改正并換算得到；一種是利用3個影像控制點解算。

本試驗將分別在島上和海面上進行，此次試驗在島上進行，選取拍攝范圍的三個控制點，參與解算待定點坐標(biāo)；當(dāng)在海上進行試驗，海面靈活布設(shè)3個動態(tài)GPS浮標(biāo)作為影像控制點。

地物點的三維定位采用像對前方交會實現(xiàn)，定位精度指標(biāo)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(zhǔn)軸的夾角為15°～75°，可通過數(shù)字羅盤的航向讀數(shù)判斷。

③像控點在像片上要分布均勻，盡量避免像控點分布在像片的邊緣。

④海面3個GPS浮標(biāo)天線高差不小于3米，浮標(biāo)三角形夾角不小于30°。

4 實驗作業(yè)流程

4.1 攝站點選取與影像獲取

在南碼頭沿岸選擇攝站點1在兩個不同的角度拍攝兩張像片，在攝站點2對準(zhǔn)已拍攝的兩張像片所確定的范圍分別拍攝兩張像片，構(gòu)成兩個像對，此兩組像片為近距離攝影。

在攝站點31，32，33對準(zhǔn)同一范圍分別拍攝像片，可構(gòu)成三個像對，此組像片為遠距離攝影。

在拍攝的像片中，合理布設(shè)控制點，以使拍照時，控制點在照片上能均勻分布，每張像片的像控點個數(shù)為8個以上，像對上是控制點的同名像點個數(shù)為5個以上，以便于解算結(jié)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(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)。

4.2 像控點GPS測量

根據(jù)獲取的像片，選擇地物特征點（房角等），共25個點作為像控點，一些點用于控制點，另外一些點作為解算值與觀測值的比對，像控點的分布見圖5。

5 數(shù)據(jù)處理與分析

5.1 像控點數(shù)據(jù)處理

像控點采集完成后，利用GPAS軟件，將廟子湖島的CORS臨時站點作為基準(zhǔn)站，進行解算，解算結(jié)果為ITRF05框架瞬時歷元坐標(biāo)值。攝站點的GPS數(shù)據(jù)包含攝站點緯度、經(jīng)度、高程。

待定地物點的坐標(biāo)利用近景攝影測量軟件解算完成。首先衛(wèi)星快速定位信息采集系統(tǒng)下的后方交會子模塊求出像對中每張像片的外方位元素，然后利用前方交會子模塊打開兩張對應(yīng)的像片，在兩張像片上分別標(biāo)記出待求的地物點，標(biāo)記的過程中，保持兩張像片上的點相對應(yīng)，計算完成，得到待定點在ITRF05框架瞬時歷元坐標(biāo)值。

攝站點的坐標(biāo)為單點定位的結(jié)果，精度不夠，作為后方交會計算時的外方位直線元素的初始值，羅盤數(shù)據(jù)經(jīng)換算后作為外方位角元素的初始值。（表1）

5.2 時間同步數(shù)據(jù)處理

用GPS的時間校正計算機的時間，照片文件以曝光時間命名，曝光時間可以精確到微秒，保存的GPS、羅盤數(shù)據(jù)的每條信息各自包含時間信息，時間精確到毫秒。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(shù)據(jù)。

5.3 地物特征點近景攝影測量數(shù)據(jù)處理

利用像片11、像片12，像片21、像片22，像片31、像片32分別構(gòu)成三個立體像對，每個立體像對選用三個控制點，后方交會用六參數(shù)解算，解算結(jié)果與實測值比對情況分別見圖6、圖7及圖8。

6 實驗結(jié)論

用于后方交會的控制點在像片上分布均勻，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(dāng)攝站點坐標(biāo)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(dāng)攝站點坐標(biāo)精度低時，可作為初始值，后方交會時解算六個外方位元素。

在有明顯地物特征點的南碼頭，近景攝影測量未知點絕對精度可以達到0.2米，能夠滿足1：1000地形圖精度要求，證明GPS定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)島礁測繪中在沒有明顯地物特征點且基本為礁石和草地的北碼頭，近景攝影測量未知點絕對精度基本的地物和岸線的獲取。

參 考 文 獻

[1] 馮文灝.近景攝影測量[M].武漢大學(xué)出版社，2002.

[2] 耿則勛，張保明，范大昭.數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)[M].測繪出版社，2010.