GPS在卫星影像控制测量中的应用①

宋庆杰，司传波

（大连65015部队，辽宁 大连116023）

0 引 言

GPS技术应用于卫星影像控制测量，是现代测量技术与空间技术的完美结合。与传统的控制测量方法相比，GPS控制测量具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、布网灵活等特点，在实际工作中，有效地解决了卫星影像控制测量跨度大，基线长，控制网覆盖面积广，地形复杂、施测困难等问题。保证了成果精度，提高了工作效率。

1 GPS全野外控制测量作业方法

1）控制点布设

①3×3型布点。平原地区，在每景卫星影像内均匀布设9个控制点，即沿卫星运行轨道方向和垂直于轨道方向布设3排3列控制点，一般就能满足成图精度要求。但对于山区该方案则很难满足要求。

②3×4型布点。在每景卫星影像内，沿卫星运行轨道方向均匀布设3排，每排4个点，共12个点。这种布点方案，不论对山地还是平原测区，整体精度都能够满足成图需要。

视外业的交通、地形状况，以上两种方案可结合使用。点位的选择要兼顾内外业，既有利于外业的实测又要满足内业影像纠正要求。外业中有些点位可根据实际交通情况适当调整位置，但是每一景影像四角上的点位要尽可能靠近边缘。

2）刺点

作业时必须保证刺点位置准确无误。可采用两人分别刺点的作业方式，这样每个控制点均有两套相互独立的刺点成果，检查验收时两套不同的刺点说明，必须对应实地同一个位置。

3）平面控制

由独立观测基线构成GPS控制网，联测多个已知点，作为平面起算点。平差计算时先进行无约束平差，再采用单个已知点进行单点约束平差，然后固定多个已知点进行约束平差。

4）高程控制

卫星影像控制测量跨度大，控制网覆盖面积广，如果用联测水准点的方法来拟合似大地水准面，外业工作量非常大，而且精度难以保证。解决的办法是在控制网中采用高等级GPS点作为已知点，求得各点大地高，用《似大地水准面模型软件》求解每个GPS点的高程异常，进而得到影像控制点的正常高。同时，联测少量水准点高程，对整个控制网的高程精度进行检核。

2 作业中的精度控制与分析［2－3]

卫星影像控制测量的精度控制与分析主要包括以下几项内容：

1）基线解算的精度控制

实际测量中，由于受到卫星本身、地形状况、太空环境干扰和测量时间等因素的影响，接收的数据很难达到理想的状态，基线解算过程中，必须有相应的精度控制指标，在作业中具体要做到如下几项要求：①基线解算的RMS值应小于仪器的标称精度限差；②固定解（fixed）的比例要大，浮动解（float）比例要小，不能全是float，全是fixed最好；③固定解比率值（Mix fixed ratio）要大于95，100最好；④基线同步环闭合差、异步环闭合差应满足限差公式。

对于基线解算一次不合限的现象，通过禁用质量较差卫星、观测数据在时间轴上进行处理、修改基线解算属性、改变参考星等方法进行处理，达到合限目的。

2）控制网平差

所有同步观测基线彻底解算完后，根据外业测量计划，由独立基线构成控制网，输入已知点，进行平差处理。网的平差计算要达到以下几个平差精度指标：①粗差基线的确定与剔除；②平差计算中的最小二乘VTPV的结果必须满足限差要求；③平差后得到的单位权中误差UWE＝1；④同步环闭合差、异步环闭合差应满足限差公式；⑤基线残差分布应服从高斯正态分布。

3）控制网的精度分析

①闭合环的相对闭合差：衡量GPS网的观测精度指标主要是闭合环的相对闭合差。为了确保作业成果质量，应选取独立基线构成闭合环，闭合环的基线数目要适中。②已知点重合误差。已知点的重合误差主要与已知点间的相对精度、GPS的观测精度、网形控制面积的大小等密切相关。③高程精度分析：采用《似大地水准面模型软件》求取正常高，取分布均匀的GPS点按三等水准进行高程联测，与拟合后的GPS点正常高进行精度比较，其中最大较差、最小较差、平均较差均应在精度要求范围内。

4）控制点坐标中误差统计

利用控制点对卫星影像进行内业定向纠正后，要对整个测区影像控制点的定向纠正中误差进行统计分析，以评定作业质量。

3 应注意的问题

1）设置合理的精度指标

通过精度分析可以看出，GPS控制点的野外测量计算精度远远高于刺点精度，而在GPS测量进行各项计算时，软件默认的精度指标对于1：5万比例尺测图要求过高，此时计算不合限时软件自动提示重测或者不计算。实际测量中可以适当放宽计算软件中设置的精度指标，使最终计算结果精度与内业定向纠正的精度相匹配，降低外业返工率，提高工作效率。

2）充分收集利用各种资料

目前国家各个相关部门分别测量了多套GPS成果（如国家GPS A、B级网，全国GPS一、二级网和小国地壳运动观测网络工程网点等等），利用好这些资料可以大幅度地提高工作效率。很多高等级的点位同时具有1954北京坐标系、1980年西安坐标系和 WGS－84坐标系的坐标，以及三等以上精度的水准成果。利用这些点作为已知点，一是可以计算出达到要求的大地坐标系平面坐标；二是有大地高的成果，可以进行拟合计算；三是新埋设的点位，完全满足GPS的观测条件；四是带有水准高程，利于拟合后的精度检测。

3）增加过渡点

卫星影像控制测量基线较长，而山区的影像控制点经常出现卫星信号被遮挡的情况，此时可以采用增加过渡点、缩短基线长度的方法来处理。

4）困难点位补救

实际外业中受到地形、交通状况等因素影响，某些标准点位区域无法进行GPS测量，如山谷、陡崖、丛林等地域卫星信号差；或标准点位区域影像无明显特征，无法准确刺点。在这些情况下，可以在标准点位附近区域、GPS接收信号较好的地方加测两个以上GPS点，再使用常规仪器，如全站仪、经纬仪等，进行交会或导线测量，得到标准点位的地面坐标。

5）采用双频GPS接收机

卫星影像GPS控制测量基线长，施测GPS控制网时，要尽量选用双频GPS接收机。因为双频GPS接收机可以有效削弱电离层折射影响，同时能有效探测和修复周跳，可以说100km以下的基线能够做到测一条合限一条，避免了返工、重测和增测过渡点，减少了外业工作量，提高了成果质量。

4 实际应用实例和精度分析

2010年对某地区1：5万比例尺地形图进行了更新。控制布点按轨道运行方向，采用3×4型布点。在每景卫星影像内，沿卫星运行轨道方向均匀布设3排，每排4个点，共12个点，并尽可能的覆盖整景影像，避免出现控制盲区，影像四角点尽可能靠近边缘布设。同时输出所布控制点点位附近的影像，用于野外刺点。以符合国家等级的三角点、GPS网点作为平面和高程的起算点，采用附合导线的方法进行GPS测量。

在成果验收时，对部分图幅地物的平面精度进行了检测。野外检测点在图幅内均匀分布，每幅实做控制点10个。GPS接收机采样间隔设为5s，采用附合导线的方法，以静态快速测量的作业模式实施测量。根据测量成果，对实测坐标值与图上坐标值进行比对，求取中误差。经检查符合1：5万地形图的精度要求，如表1所示。

表1 精度检测误差统计表

5 结 论

实践表明：利用GPS测量技术对卫星影像进行控制测量，成图精度较高，能满足中小比例尺地形图更新的需求。对于作业过程中遇到的特殊情况，比如标准点位处有云层遮盖或有大面积水域等，可以通过增加过渡点、缩短基线长度等方法来补救；控制刺点的精度可以通过双人刺点检查的方法，确保刺点位置准确无误。值得注意的是，图像分辨率的高低也是影响成图精度的重要因素，因此，在地形图更新时，要尽量选用分辨率较高的卫星影像。总之，GPS在卫星影像控制测量中的应用，解决了传统控制测量中布设点位多、外业工作量大、数据更新慢的弊端，提高了作业效率，地形图的更新更加快捷，现势行更强。

［1]孔祥元，郭际明.控制测量学［M].武汉：武汉大学出版社，2006年.

［2]李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理［M].武汉：武汉大学出版社，2005年.

［3]贺英魁.GPS测量技术［M].重庆：重庆大学出版社，2010年.