張建霞

(閩江學(xué)院地理科學(xué)系，福建 福州 350108)

基于國(guó)產(chǎn)SWDC航攝儀的稀少控制航測(cè)應(yīng)用

張建霞

(閩江學(xué)院地理科學(xué)系，福建 福州 350108)

稀少控制航測(cè)可以大大減少外業(yè)測(cè)繪的工作量，隨著GPS輔助航測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使稀少控制測(cè)繪成為可能。本文以國(guó)產(chǎn)SWDC航攝儀為研究基礎(chǔ)，闡述了GPS輔助數(shù)碼空中三角測(cè)量的原理、技術(shù)流程及具體測(cè)區(qū)稀少控制的典型航測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，SWDC航攝儀的航測(cè)精度滿足1∶1萬地形測(cè)繪需求，驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)SWDC實(shí)施稀少控制航測(cè)的應(yīng)用可行性。

數(shù)字航攝儀; 稀少控制; 攝影測(cè)量; SWDC; 空中三角測(cè)量

隨著數(shù)字航攝儀的研究、應(yīng)用與發(fā)展，當(dāng)前我國(guó)已進(jìn)入數(shù)字航測(cè)時(shí)代，實(shí)現(xiàn)稀少控制(甚至是無控制)航測(cè)一直是攝影測(cè)量領(lǐng)域追求的目標(biāo)之一[1]。當(dāng)前我國(guó)航測(cè)領(lǐng)域主要使用的數(shù)字航攝儀有進(jìn)口的DMC、UCX和ADS三大系列，以及劉先林院士研發(fā)的國(guó)產(chǎn)SWDC系列。經(jīng)過近10年的航測(cè)生產(chǎn)及應(yīng)用研究，國(guó)產(chǎn)SWDC數(shù)字航攝儀在我國(guó)航測(cè)中具有適合我國(guó)測(cè)繪現(xiàn)狀的特點(diǎn)。本文以國(guó)產(chǎn)SWDC數(shù)字航攝儀為基礎(chǔ)，探討在GPS輔助數(shù)碼空中三角測(cè)量條件下的稀少控制航測(cè)[2-3]。

1 SWDC數(shù)字航攝儀

國(guó)產(chǎn)SWDC數(shù)字航攝儀主體由4個(gè)高檔民用相機(jī)(單機(jī)像素?cái)?shù)為3900萬或2200萬，像元大小6.8 μm或9 μm)經(jīng)外視場(chǎng)拼接而成(如圖1和圖2所示)，SWDC的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。SWDC的關(guān)鍵技術(shù)是多相機(jī)高精度影像拼接，即虛擬影像生成技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)空中無攝影員的精確GPS定點(diǎn)曝光[4]。

圖1 SWDC航攝儀

圖2 拼接四鏡頭

表1 SWDC主要技術(shù)參數(shù)

為了大幅度地減少地面控制點(diǎn)的數(shù)量，進(jìn)而減少航測(cè)外業(yè)工作量，在SWDC硬件系統(tǒng)中集成了GPS，配置的GPS為高精度測(cè)量型，其采樣頻率為10 Hz，靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的標(biāo)稱精度為5 mm+1×10-6D(RTK或后處理動(dòng)態(tài)差分的標(biāo)稱精度為20 mm+1×10-6D)。在攝站GPS數(shù)據(jù)的后處理中，采用了基于精密星歷(IGS組織提供)的精密單點(diǎn)定位技術(shù)(precise point positioning，PPP)，地面無需架設(shè)地面GPS差分，即SWDC數(shù)字航攝儀采用了GPS輔助攝影測(cè)量技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)稀少控制航測(cè)奠定了基礎(chǔ)。基于SWDC的GPS輔助數(shù)碼航測(cè)生產(chǎn)作業(yè)流程如圖3所示。

圖3 SWDC航測(cè)作業(yè)流程

2 GPS輔助區(qū)域網(wǎng)平差數(shù)學(xué)模型

GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差就是利用GPS確定的精確攝站坐標(biāo)作為輔助數(shù)據(jù)參加攝影測(cè)量與非攝影測(cè)量觀測(cè)值的聯(lián)合平差，以達(dá)到用GPS攝站作為空中控制來取代地面控制的目的，從而使地面控制大大減少，使之少到只利用其來解決數(shù)據(jù)基準(zhǔn)和消除GPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差的程度。其聯(lián)合平差的數(shù)學(xué)模型表達(dá)如下[5-6]

(1)

式中，VX為像點(diǎn)坐標(biāo)；VC為地面控制點(diǎn)坐標(biāo)；VS為虛擬自檢校參數(shù)；VG為GPS攝站坐標(biāo)觀測(cè)值改正數(shù)向量，該方程即是將GPS攝站坐標(biāo)引入攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差時(shí)新增的誤差方程式；x為加密點(diǎn)坐標(biāo)未知數(shù)增量向量；t為外方位元素未知數(shù)增量向量；c為自檢校參數(shù)向量；r為偏心分量未知數(shù)增量向量；d為漂移誤差改正參數(shù)向量；A、B為相應(yīng)于t、x未知數(shù)的系數(shù)矩陣；C為相應(yīng)于c未知數(shù)的系數(shù)矩陣，隨選用像點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)誤差改正模型的不同而變化。

3 稀少控制航測(cè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概述

試驗(yàn)測(cè)區(qū)為湖南省邵陽(yáng)地區(qū)，屬于特困難地區(qū)(以丘陵、山地為主)，測(cè)區(qū)總面積約3500 km2，本試驗(yàn)為國(guó)家1∶1萬基礎(chǔ)測(cè)繪生產(chǎn)性項(xiàng)目。航攝平臺(tái)為運(yùn)-5飛機(jī)，使用的航攝儀為SWDC-4型，測(cè)區(qū)地面點(diǎn)設(shè)計(jì)為四角控制點(diǎn)、區(qū)內(nèi)檢查點(diǎn)的方式，為實(shí)現(xiàn)稀少控制，航線設(shè)計(jì)中加飛構(gòu)架航線。具體的航攝設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，獲取的影像示例如圖4所示。

表2 航攝參數(shù)

圖4 航攝影像

3.2 地面控制

地面控制采用測(cè)區(qū)四角控制點(diǎn)、區(qū)內(nèi)檢查點(diǎn)的方案，所有點(diǎn)均采用航測(cè)影像刺點(diǎn)的方式。測(cè)區(qū)內(nèi)共計(jì)布設(shè)了4個(gè)測(cè)區(qū)控制點(diǎn)，130個(gè)檢查點(diǎn)，具體的點(diǎn)分布情況如圖5所示。地面點(diǎn)的平面坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000，高程采用的是1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

3.3 GPS輔助數(shù)碼空三加密

空三加密采用GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的方法，即地面四角控制點(diǎn)作為測(cè)區(qū)的大地定向點(diǎn)，并引入攝站GPS空間坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合平差。平差的平面坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000，高程系統(tǒng)為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，按1∶1萬內(nèi)業(yè)空三加密限差要求執(zhí)行：定向點(diǎn)平面限差3 m，高程限差0.8 m；檢查點(diǎn)平面限差3.5 m，高程限差1.0 m[7-9]。

圖5 地面布點(diǎn)示意圖

本次光束法區(qū)域網(wǎng)平差采用PBBA軟件(中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研發(fā))，平差區(qū)域涉及基本航線14條，構(gòu)架航線2條，航向基線跨度為50根(51幀影像)，加密區(qū)域的總影像數(shù)為802幀，區(qū)域的航向長(zhǎng)度約70 km，旁向長(zhǎng)度約50 km，對(duì)應(yīng)的地面總面積約3500 km2。區(qū)域網(wǎng)平差時(shí)，相關(guān)的參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 空三加密參數(shù)設(shè)置

3.4 精度統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差所得到的精度情況包括地面定向點(diǎn)的精度統(tǒng)計(jì)及區(qū)域內(nèi)檢查點(diǎn)的精度統(tǒng)計(jì)，見表4和表5。

表4 地面定向點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì) m

表5 檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì) m

由表4、表5可知，4個(gè)區(qū)域定向點(diǎn)的X、Y和高程3個(gè)方向的較差(真誤差)均小于30 cm；測(cè)區(qū)內(nèi)130個(gè)檢查點(diǎn)的平面精度優(yōu)于80 cm，高程精度優(yōu)于40 cm?？梢娫贕SD為40 cm、測(cè)區(qū)四角4個(gè)控制點(diǎn)的情況下，GPS輔助空三加密的平面精度優(yōu)于2個(gè)GSD，高精度精度優(yōu)于1個(gè)GSD。

采用SWDC數(shù)字航攝儀，在地面分辨率(GSD)40 cm、航向50根基線跨度、旁向14條航線跨度、區(qū)域兩端2條構(gòu)架航線、802張影像、航向重疊度65%、旁向重疊度35%、測(cè)區(qū)4個(gè)角點(diǎn)參與空三區(qū)域定向(測(cè)區(qū)面積約3500 km2)的情況下，130個(gè)檢查點(diǎn)的平面精度為76.1 cm，高程精度為39.4 cm，完全滿足1∶1萬的地形測(cè)繪生產(chǎn)[9-10]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次湖南邵陽(yáng)測(cè)區(qū)試驗(yàn)是一次生產(chǎn)性試驗(yàn)(國(guó)家1∶1萬基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目)，首次實(shí)施基于SWDC航攝儀的大面積稀少控制航測(cè)。試驗(yàn)區(qū)檢查點(diǎn)的數(shù)量較多(130個(gè)，由湖南省測(cè)繪三院外業(yè)施測(cè))，并采用刺點(diǎn)方式，對(duì)SWDC航測(cè)生產(chǎn)在航攝設(shè)計(jì)和外業(yè)控制點(diǎn)設(shè)計(jì)等方面有重要的參考價(jià)值和借鑒意義。本次試驗(yàn)可在無GPS地面差分基站、無IMU、有GPS攝站、有構(gòu)架航線的條件下，在測(cè)區(qū)四角刺點(diǎn)的情況下，實(shí)現(xiàn)地形困難地區(qū)的稀少控制航測(cè)，對(duì)于我國(guó)地形復(fù)雜困難測(cè)區(qū)的測(cè)繪生產(chǎn)有較大的意義。

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ApplicationofAirSurveyintheSurveyingRegionwithSparseGCPSBasedonDomesticSWDCAerialCamera

ZHANG Jianxia
(The Department of Geography, Min-Jiang University，F(xiàn)uzhou 350108，China)

The field surveying workload is sharply reduced with sparse control photogrammetry. It is possible for the realization of sparse control photogrammetry with the development of GPS aided by air survey. This paper dwells on the theory, the technology flow of GPS-aided triangulation, and classical photogrammetry test in the surveying region with sparse GCPS based on SWDC digital aerial camera. The test result shows that the surveying precision of SWDC meets the demand of the topographic survey with the scale of 1∶10 000. Furthermore, it is testified that the domestic SWDC is able to the application in the surveying region with sparse GCPS.

digital aerial camera; sparse control surveying region; photogrammetry; si wei digital camera; aerial triangulation

張建霞.基于國(guó)產(chǎn)SWDC航攝儀的稀少控制航測(cè)應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(10)：140-142.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0333.

2017-02-06

福建省自然科學(xué)基金(2017J01663)；福建省教育廳項(xiàng)目(JAT160397)

張建霞(1975—)，男，博士，副教授，主要從事數(shù)字航空攝影測(cè)量的教學(xué)與科研工作。E-mail：hpujszjx@163.com

P241

A

0494-0911(2017)10-0140-03