GPS在航空摄影辅助空中三角测量中的应用研究

杨海锋

摘 要：人们对太空的探索不断加深，科学家利用航空摄影向地球传输太空照片，然而传统的航空摄影通常需要在地面设立野外控制点，通过这些控制点来获得摄影照片，并且应用空三加密技术来获得外方位元素。这种传统的方法对测量的要求较高，尤其是在野外的工作量较大，耗费较高的人力及资源成本，并且使航拍的难度增大。然而，全球定位系统（GPS）的发展与成熟，极大的降低了航空摄影的难度，有效的解决了野外控制点的制约和限制，不仅提高了航空摄影的质量，同时还在很大程度上降低了航空摄影的成本。

关键词：GPS 航空摄影 三角测量 航空摄影测量

中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0042-02

对于全球定位系统人们并不陌生，并将其成为GPS。全球定位系统已经广泛被应用到人们的日常生活当中，最为常见的就是汽车导航系统，在给人们提供便利的同时，也极大的降低了人们的生活成本。GPS能够对地理位置进行快速而准确的定位，这使其能够被应用到三角测量中，以解决航空摄影的控制点确定问题。同时，利用DPS能够在地面上通过设备实现更为简单的监控，其具体的步骤是现在飞机上利用架设多台GPS接收机，然后将地面受点发出的信号进行记录并连接，利用动态载波DPS实现精准的动态定位，获取离线数据后对这些数据进行处理，进而确定航空摄影机的曝光时间，太空摄影站点在接收到地面发出的信号后，在测定的WGS-84坐标系中确定三维坐标，将摄影测量区域网平差的定义引入后，能够计算出相对应的大地坐标。

利用GPS技术的最大优势在于能够根据GPS测得的数据尽可能少的设立地面接收点，在人们的不断的努力与实践过程中，已经确立了GPS技术在航空摄影中的技术优势。由于所设立的部分地面接收点处于深山老林中，人工测绘的工作难度非常大，危险系数也非常高，更重要的是所测得的数据也并不是非常精确，这对下一步工作的开展造成很大影响。利用GPS技术来辅助和强化空三测量技术，可以很好的解决这个问题，不仅在数据测绘方面更加准确，同时也节省了大量的人力与设备成本。这里结合重庆江源工程勘察设计有限公司在某地的具体测量情况对GPS在空中三角测量中的应用进行分析。

1 项目需求与工作要求

在地面工作的航空摄影测量人员首先要明确航空摄影分区的数量，并确定加密分区的数量，获得构架航线的数量，以此来准备符合实际要求的设备。在本项目中，技术人员设定了4个航空摄影分区以及8个加密分区，起构架航线的数量为10条。为了保证顺利的完成地面三角测量工作，在地面设有2个基准站、23个地标点以及20个检测点，其技术标准符合1985国家高程基准，确保GPS辅助航空摄影空中三角测量的顺利实施。

2 项目勘踏地标点

由于项目监控点是距离市区较远的山区地带，人们生活水平相对落后，交通非常不便，这对项目的开展造成很大阻力。根据项目本身的需求与测量点的实际情况，需要结合当地地形的实际情况，在山顶、平原、空旷地带、农田、高层建筑上分别架设地标点，这些地标点多数是在山顶及其建筑物的顶端，测量人员所架设的测量点符合航空拍照的标准，在设计上也要符合测量的要求。

3 项目布置地标点

利用GPS辅助空中三角测量要对地标点采取不同的标志进行区分，利用不同的颜色来进行标记。地标点要与航空拍摄的路线重合，这些地标点要覆盖航空拍摄的范围，以保证控制满幅，在相邻标准点的设置上，其距离要不大于1 km，在基准站点的设置上，要根据实际情况进行布设，利用不锈钢强制对中中心标志。此外，所有的23个地标点在标志的设置上采用一定的图形，通常为Y形、T形以及方形，在标志点的用料方面多采用白油漆和黑油漆，如要粉末标注地则采用黑碳粉和白石灰粉，同时也有应用薄膜的情况，并且这些薄膜已经被油漆刷上所需要的颜色。

4 项目观测

4.1 地面基准站联测

在地面检测站方面，设备上采用天宝5700型双频GPS接收机，在观测时段上为2小时，数据采样时间间隔为30s，观测卫星数目不小于2颗，卫星截止高度角为5°，这样能够尽量减少其他因素的干扰，确保地面基站的实际应用效果，使航空拍摄能够顺利进行。地面上所架设的2个基准站的相关设备和仪器部署到位，观测次数分为24h和8h两次，并将两次所获得的数据进行收集，同时还要对GPS中的数据进行校正，利用相关设备进行格式转换，以确保数据的客观性，进行格式转换所应用的软件是TEQC数据预处理工具软件，以此来对测量获得的数据进行分析，当测量数据与目标数据吻合后，应用GPS来协助完成航空摄影空中三角测量。据监测发现，利用GPS辅助航空摄影的空中三角测量数据利用率高达100%，基础要求为数据利用率要在85%以上，多路径效应的最大值为0.3，基础要求为小于0.5，这表明利用GPS协助空中三角测量所获得的数据符合标准，所得数据具有极强的可靠性。

4.2 对空地标点观测

对空地标点的观测同样采用天宝5700型双频GPS接收机，依托基准站对数据进行全天候监测，而地标点的监测时间为2 h。若对空地标点基准站的距离在100 km以上时，地标点的最佳监测时长（UTC）为2 h～4 h，这样做的目的是为了提高对空地标点的测量精度。与地面基准站联测数据相类似，在软件上同样采用TEQC数据预处理工具队数据进行分析和检测，确保监测数据的准确性满足设计要求。

4.3 基准站高程联测

在基准站高程联测方面，本项目启于沙田95、沙田96两个水准点。在具体的基准站高程联测方面的具体步骤为：在建筑物的附近采用四等水准精度确立固定点，然后采用电磁波高程导线的方法来进行测量，最终获得基准站高程，并对所获得的数据进行监测和分析，获得处理结果，最终在基准站高程联测方面中所测量的各项数据均达到设计标准。endprint

4.4 GPS辅助空三角测量数据采集

由于存在地面与空中的数据交换，同时存在大量数据的传送，在进行GPS辅助空三角测量数据采集时需要注意以下几个方面的问题：首先，要确保地面基准站的设备运转正常，保证接受数据的精度；其次，基准站与地标点的架设方面要注意在地势的选择上，要尽量选择地势平坦的地方，或者是植被覆盖良好的山顶，这有利于地面与空中的“对话”，是动态接收机能够更加容易的捕捉并接收信号；其次，在设计要求上要根据卫星组合图形来确定摄影期间基准站的数据采样时间，其最佳时间间隔为1 s；最后，在观测时段长度（UTC）要符合设计要求，在进行航空摄影时，2个地面基准站要同时开启并进行监测，在数据收集方面在飞机起飞前的20 min开始，直至飞机落地不动后20 min为止，这期间都要保持GPS接收机的正常工作，进而获得同步的GPS数据，并对所测量的数据进行检测，确保检测结果符合设计要求。

4.5 机载GPS天线偏心分量测定

从航空摄影的角度来进行分析，采用GPS动态定位时刻时，与摄影机上的时刻并不同步。GPS动态位解算后，可以得出一套连续的坐标序列，为了使摄站的位置更为精确，需要将偏心矢量的因素考虑在内，根据坐标序列中内插摄影机在进行摄影的瞬间所有用的中心位置，也就是摄影机在进行拍摄时的站位置。航空摄影在进行拍摄的瞬间，利用天线来对相位中心进行推算，进而计算出推算的值。这个结果与GPS采样的时间间隔由很大关系，因而必须要关注曝光瞬间时间内插的精度，确保航空摄影的准确性。在高精度GPS测量中，通常会内置内插器（CET），利用内插器来将曝光时间插入。航空飞机在工作的过程中，摄影机在进行拍摄的同时将会放出一个同步脉冲，在利用计算机对脉冲数据进行处理后，即可将曝光时间归化为GPS时间，进而获得某一曝光瞬间摄影站的空间位置。

5 检查

5.1 检测点的观测

在航空摄影传输回摄影航拍像片后，为了检验整合项目的质量和水准，可在第5加密区选择2个地物点作为地标点；在第8加密区选择4个地物点作为地标点，并辅以20个检测点同时对GPS数据进行观测。在点位分布中，大部分点位于基准站之间的距离都在100 km以上，基准站、地标点、检测点之间的联测时间不小于3 h，采样时间间隔为15 s，卫星数不小于4颗，卫星截止高度角为15°。数据分析与检测采用TEQC进行，所得数据符合设计标准。

5.2 检测区等外水准联测

为了对高程进行检验，以1985国家高程基准为标准，在3个地标点与26个检测点实施水准联测，并对4个检测点和3个地标点进行四等水准精度的电磁波高程导线联测，所测数据精度指标符合设计标准。

6 结论

本项目需要技术人员根据实际地形来设立地标点，并且根据地标点明确测量点的位置，并对潜在的干扰因素进行排查。在数据的准确度方面，运用计算机软件进行核查，确保数据精度符合标准在进行下一环节的工作。本项目成功测量向我们展示出GPS在空中三角测量的实际应用，指明了运用GPS进行动态定位所具有的优势，不仅降低了人工作业的难度和强度，提高工人的工作效率，还节省了测量项目的成本。本次测量项目的成功展示出GPS在航空摄影辅助空中三角测量中的应用，表明这项技术拥有较为广阔的发展空间，应用到测量技术方面能够为测量工作带来极大便利。

参考文献

[1] 赵俊羽.GPS辅助空中三角测量在大比例尺航空摄影测量中的实验研究[M].昆明理工大学，2010（11）.

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[3] 李丑荣，李兴梅.GPS辅助空中三角测量在酒泉、敦煌测区的应用[C]//中国测绘学会九届三次理事会暨2007年“信息化测绘论坛”学术年会论文集，2007（11）.endprint