基于PPP的无地面控制 GPS辅助空中三角测量研究

王宏涛,郭增长,2

(1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院,河南 焦作 454003;2.矿山空间信息技术国家测绘局重点实验室,河南 焦作454003)

基于PPP的无地面控制 GPS辅助空中三角测量研究

王宏涛1,郭增长1,2

(1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院,河南 焦作 454003;2.矿山空间信息技术国家测绘局重点实验室,河南 焦作454003)

介绍在无地面控制的情况下,采用将精密单点定位技术获取的摄站点坐标作为控制点进行光束法区域网平差的方法。并在SWDC数码航测系统支持下,结合桂林地区的航摄资料进行相关试验,试验结果表明,无地面控制的 GPS辅助空中三角测量可以满足中小比例尺成图的加密要求。

精密单点定位;GPS辅助光束法区域网平差;无地面控制;误差模型;差分定位

为了减少常规空中三角测量作业时所需要进行的大量野外像控测量工作,从20世纪80年代开始,测绘领域的相关学者开始了将 GPS定位技术应用于空中三角测量的研究工作,并在随后的20多年时间里取得了许多研究成果[1-3],这些成果在提高作业效率 ,降低航测的劳动强度以及提高测量精度等方面都发挥了巨大的作用,但是在实际应用过程当中,为了得到满足要求的摄站点坐标,通常需要在地面架设基准站,并且对航空摄影也提出了较高的技术要求,这在某些人员无法到达的测图困难地区通常是难以实现的。而随着非差相位精密单点定位(Precise Point Positioning,简称 PPP)的出现 ,为克服这些实际困难提供了解决方案。利用这种方法进行航空作业时,不需要在地面架设基准站,节省了大量的人力和物力[4]。本文将采用精密单点定位技术来获取摄影时刻 GPS天线相位中心的三维坐标,并着重探讨在此基础上实现的无地面控制的 GPS辅助空中三角测量的应用可行性。

1 基于精密单点定位技术的摄站点坐标的获取

在 GPS辅助空中三角测量中,如何准确地获取摄影时刻摄站点的三维坐标是非常重要的,长期以来,GPS摄站点坐标的获取主要依靠差分定位的方法,这种定位方法要求在飞行的同时在地面布设一定数量的 GPS基准站,与机载 GPS天线进行同步观测,同时要求飞机在飞行过程当中 GPS信号尽量不失锁,对飞行也提出了较高的要求[5-6]。鉴于以上常规 GPS辅助空中三角测量所存在的一些问题,本文提出了利用精密单点定位技术来获取摄站点三维坐标的方法。

精密单点定位技术与差分定位不同,其主要是利用国际GPS服务机构(IGS)提供的精密卫星星历和精密钟差,结合单台含双频伪距及载波相位观测量的GPS接收机就可以实现在全球范围内的高精度定位[7]。采用精密单点定位技术来获取摄影时刻摄站点的三维坐标主要涉及到如下几项关键技术,如图1所示。

图1 基于PPP的摄站点坐标获取流程

1)摄影时刻时标的获取。为了能够在航空摄影的同时用精密单点定位的方法来确定摄站点的空间位置,必须准确地获取摄影时刻的 GPS时间,因此,应通过机载 GPS信号接收机上的外部事件输入装置(Event M arker接口),将航摄仪曝光时刻精确地写入机载GPS信号接收机的时标上。

2)GPS和飞行控制系统共同作用下的定点曝光。本文实验采用的飞行航摄系统是中国测绘科学研究院刘先林院士最新研制开发的SWDC飞行控制系统,其在飞行过程中采用了定点曝光的方法。其主要技术原理是:将 GPS实时获取的伪距坐标与设计曝光坐标进行对比,取一定的航向和旁向容差,若在容差范围之内,则飞行控制系统启动曝光传感器发出曝光信号驱动相机曝光,然后相机返回曝光M ark信号,并通过外部事件输入端口传入 GPS接收机[8]。

3)观测数据的下载及触发事件分离。GPS外业数据下载后,要将下载出的DA T观测数据进行格式转换(RINEX格式),并从原始数据中分离出曝光触发事件 TXT文件。

4)采用 PPP解算飞机的飞行轨迹。采用 IGS提供的精密轨道参数和精密钟差,结合下载的 GPS原始观测数据,采用精密单点定位的方法解算飞机的飞行轨迹,得到每个 GPS历元时刻摄站点的三维坐标[9]。

5)摄影时刻机载天线位置的内插。由于摄影时刻通常与 GPS历元时刻不重合,因而,摄影时刻机载天线位置需在 GPS历元间内插,内插方法可采用线性内插或多项式内插。

6)摄站点坐标的坐标变换。由于采用精密单点定位得到的是 WGS-84系下的坐标,而实际所需成果往往是属于某一国家坐标系或者地方坐标系,因而必须解决定位成果的坐标转换问题。本文主要通过7参数变换的方法将WGS-84系下的摄站坐标转换到国家或者地方坐标系中,并采用一定的高程拟合方法将 GPS测定的大地高转换为正常高。

2 GPS辅助光束法区域网平差的误差模型

GPS辅助光束法区域网平差是将由差分定位或者精密单点定位技术所获取的 GPS摄站点坐标视为带权观测值引入光束法区域网平差中,经采用统一的数学模型和算法来整体确定加密点位置并对其质量进行评定的理论、技术和方法[1]。

在 GPS辅助光束法区域网平差当中有两类原始观测值:像点坐标和 GPS摄站点坐标。由于镜头畸变、影像数字化以及影像自动匹配的影响,像点坐标观测值会存在系统误差,这种误差可表示为像点坐标的函数,由于这种函数关系很难得知,在1972—1980年期间,各国学者曾研究过不同的附加参数选择方案,主要包括带3个附加参数的Bauer模型、带12个附加参数的 Ebner模型和带18个附加参数的 Brow n模型[9]。另外,根据Ackermann等人的研究,当一条航线的连续飞行时间不超过15 min时,基于载波相位观测量的 GPS动态定位会产生随航摄飞行时间 t成线性关系的系统误差[10]。因此,GPS辅助光束法区域网平差的数学模型是在自检校光束法区域网平差的基础上顾及 GPS摄站点坐标与航摄仪投影中心坐标间的几何关系并考虑各种系统误差的改正模型后所获得的一个基础误差方程[5],其矩阵形式可表示为

其中各参数表示意义可参考文献[5]和文献[11]。

3 PPP在 GPS辅助空中三角测量中的应用试验

3.1 测区概况

2008-11,与桂林市测绘研究院合作进行了桂林地区约829 km2的航摄工作,摄区地处桂林市区东经 109°58′37″至 110°26′37″,北纬 24°58′13″至 25°25′12″,东至竹江码头,西至临桂五通镇、两江镇和永福苏桥镇,南至临桂六塘镇、雁山区大埠乡,北至灵川县城。本文主要基于桂林的部分航摄资料进行了相关试验,试验区的相关技术资料如表1所示。

3.2 PPP与差分定位在 GPS辅助光束法区域网平差中的结果对比

基于差分定位的 GPS辅助空中三角测量通过大量实践表明,其可以满足各种比例尺成图的精度要求,目前已经广泛应用到了航空摄影测量的作业过程当中。为了验证精密单点定位技术在 GPS辅助空中三角测量中应用的可行性,将其与差分定位的结果进行了对比,对比结果如表2所示。

表1 桂林试验区航摄资料的相关技术参数

表2 精密单点定位与差分定位的GPS辅助空中三角测量的精度对比

需要说明的是,上述两种 GPS辅助光束法区域网平差的地面控制条件是相同的,都是在测区的两端采用RTK技术测量了两排平高点。通过表2数据可以看出,在相同的地面控制的条件下,两种GPS辅助空中三角测量控制点的残差都很小,且检查点的不符值非常接近。这充分说明,基于PPP的GPS辅助空中三角测量的定位精度能够达到与差分定位支持下的 GPS辅助空中三角测量几乎相同的精度。

3.3 在不同坐标系下的区域网平差结果对比

为了探讨坐标系转换误差对平差结果的影响,本文将精密单点定位技术所获取的摄站点坐标通过三维坐标变换的方法转换到桂林地方坐标系,GPS大地高向正常高的转化采用高程拟合的方法。并将两个坐标系下光束法区域网平差的结果进行对比,结果如表3所示。m

表3 不同坐标系下的GPS辅助光束法区域网平差结果对比

从表3可以看出,分别利用 PPP获取的摄站WGS-84坐标和利用经变换后的桂林地方坐标系下的摄站坐标进行 GPS辅助光束法区域网平差时,加密点的平面精度前者略好于后者,而高程精度前者略低于后者。这主要是由于精密单点定位技术获取的是摄站点的 WGS-84坐标,若地面点也在 WGS-84坐标下,则 GPS光束法区域网平差能够达到较高的精度。但是,如果在地方坐标系下,由于存在坐标转换的误差,会使平面精度略有降低,但由于GPS大地高向正常高的转化采用了高程拟合的方法,使得地方坐标系下平差的高程精度有所提高。

3.4 基于PPP的无地面控制的平差结果

为了探讨无地面控制 GPS辅助光束法区域网平差的应用可行性,以及应用当中所存在的各种问题,本文对桂林试验区进行了无地面控制(摄站点坐标作为控制点)以及标准地面控制下(测区两端两排平高点)的光束法区域网平差的试验。平差结束后,在区域内实测了6个明显地物点进行了检查,并将两种平差方法进行了对比,实际对比结果见表4。

需要说明的是,上述两种平差方案均是在桂林地方坐标系下进行了 GPS辅助光束法区域网平差。从表4可以看出,在进行无地面控制的 GPS辅助空中三角测量时,平差结果在飞行方向上含有一个比较明显的系统误差,而在高程方向的残差近似地接近于某一个固定值。而在标准地面控制的情况下,测区两端的地面控制点可以逐条航线的对系统误差进行改正,从而得到了较高的平差结果。

表4 不同地面控制下的 GPS辅助光束法区域网平差结果对比 m

4 结 论

精密单点定位技术是近些年来 GPS定位的一个研究热点,由于其外业作业简单、定位灵活而在测绘领域得到了广泛的应用,而其在 GPS辅助空中三角测量中的应用才刚刚起步,随着中国测绘科学研究院刘先林院士最新研制的数码航测系统的研制成功,在生产实际中也需要大量的实验数据来验证其在GPS辅助空中三角测量中应用的有效性,因此,本文以SWDC数码航测系统作为研究的基础平台,探讨精密单点定位技术在无地面控制 GPS辅助空中三角测量中的应用,得到的相关结论和建议如下:

1)桂林测区的相关试验再一次证实,在具有相同的地面控制的条件下,基于 PPP的 GPS辅助空中三角测量的定位精度能够达到与差分定位支持下的GPS辅助空中三角测量几乎相同的精度。因此,精密单点定位技术在满足现有的航空摄影测量成图规范下,完全可以替代差分 GPS定位技术。

2)不同坐标系下的平差结果表明,分别利用PPP获取的摄站WGS-84坐标和利用经变换后的桂林地方坐标系下的摄站坐标进行 GPS辅助光束法区域网平差时,加密点的平面精度前者略好于后者,但高程精度前者明显低于后者。这是由于WGS-84坐标系平面坐标经转换后精度降低,高程由于采用大地水准面拟合精度有所提高。

3)在无地面控制的情况下,在精密单点定位支持下的 GPS辅助光束法区域网平差中,检查点的平面定位结果在飞行方向上含有一个比较明显的线性误差,这主要是由于在动态定位过程中,GPS定位的坐标变化随飞行时间呈系统性的线性变化,当在区域网平差的过程中逐条航线的改正随时间变化的系统误差的时候,需要在平差区域的四角测定四个平高地面控制点,并在测区的两端施测两排高程点,这样的话,由于 GPS定位误差而对摄影测量定位产生的影响几乎可以消除。

4)采用精密单点定位技术来获取摄站点的三维坐标进行GPS辅助空中三角测量,可以不用在地面布设基准站,并且对作业区域的大小没有要求,大大简化了航摄的外业作业过程,节省了人力、物力和财力。

总之,采用精密单点定位技术进行 GPS辅助空中三角测量不仅降低了航空摄影测量的成本,而且提高了航空摄影的灵活性。无地面控制的 GPS辅助空中三角测量可以满足1∶25 000～1∶100 000中小比例尺地形图测绘、地图更新和一般航空遥感调查的精度要求,这在国家基础资源调查和制图方面必将发挥重要的作用,特别是在西部无图区、人员不能到达的地区以及边界等地方。

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The research on GPS-supported aerotriangulation without ground control based on PPP

WANG Hong-tao1,GUO Zeng-zhang1,2
(1.School of Surveying and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;2.Key Laborato ry of M ine Spatial Information Technologies State Bureau of Surveying and Mapping,Jiaozuo 454003,China)

The papermainly introduces how to acquire 3D coordinatesof Projection center w ith p recise point positioning,and the method of p recise point positioning technologies app lied in GPS-supported bundle block adjustment w ithout ground control.W ith the suppo rt of SWDC digital aerial system and the aerial data of Guilin,we do some relevant tests,and the experimental results show that GPS-suppo rted aerotriangulation w ithout ground control can satisfy the small scale cartography.

p recise point positioning;GPS-suppo rted bundle block adjustment;w ithout ground control;erro r model;differential GPS position

P228.4

A

1006-7949(2010)06-0009-04

2009-11-13

矿山空间信息技术国家测绘局重点实验室开放基金资助项目(KLM 200914)

王宏涛(1979-),男,讲师,硕士.

[责任编辑刘文霞]