GPS在航空攝影輔助空中三角測量中的應用研究

楊海鋒

摘 要：人們對太空的探索不斷加深，科學家利用航空攝影向地球傳輸太空照片，然而傳統的航空攝影通常需要在地面設立野外控制點，通過這些控制點來獲得攝影照片，并且應用空三加密技術來獲得外方位元素。這種傳統的方法對測量的要求較高，尤其是在野外的工作量較大，耗費較高的人力及資源成本，并且使航拍的難度增大。然而，全球定位系統（GPS）的發展與成熟，極大的降低了航空攝影的難度，有效的解決了野外控制點的制約和限制，不僅提高了航空攝影的質量，同時還在很大程度上降低了航空攝影的成本。

關鍵詞：GPS 航空攝影 三角測量 航空攝影測量

中圖分類號：P228.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0042-02

對于全球定位系統人們并不陌生，并將其成為GPS。全球定位系統已經廣泛被應用到人們的日常生活當中，最為常見的就是汽車導航系統，在給人們提供便利的同時，也極大的降低了人們的生活成本。GPS能夠對地理位置進行快速而準確的定位，這使其能夠被應用到三角測量中，以解決航空攝影的控制點確定問題。同時，利用DPS能夠在地面上通過設備實現更為簡單的監控，其具體的步驟是現在飛機上利用架設多臺GPS接收機，然后將地面受點發出的信號進行記錄并連接，利用動態載波DPS實現精準的動態定位，獲取離線數據后對這些數據進行處理，進而確定航空攝影機的曝光時間，太空攝影站點在接收到地面發出的信號后，在測定的WGS-84坐標系中確定三維坐標，將攝影測量區域網平差的定義引入后，能夠計算出相對應的大地坐標。

利用GPS技術的最大優勢在于能夠根據GPS測得的數據盡可能少的設立地面接收點，在人們的不斷的努力與實踐過程中，已經確立了GPS技術在航空攝影中的技術優勢。由于所設立的部分地面接收點處于深山老林中，人工測繪的工作難度非常大，危險系數也非常高，更重要的是所測得的數據也并不是非常精確，這對下一步工作的開展造成很大影響。利用GPS技術來輔助和強化空三測量技術，可以很好的解決這個問題，不僅在數據測繪方面更加準確，同時也節省了大量的人力與設備成本。這里結合重慶江源工程勘察設計有限公司在某地的具體測量情況對GPS在空中三角測量中的應用進行分析。

1 項目需求與工作要求

在地面工作的航空攝影測量人員首先要明確航空攝影分區的數量，并確定加密分區的數量，獲得構架航線的數量，以此來準備符合實際要求的設備。在本項目中，技術人員設定了4個航空攝影分區以及8個加密分區，起構架航線的數量為10條。為了保證順利的完成地面三角測量工作，在地面設有2個基準站、23個地標點以及20個檢測點，其技術標準符合1985國家高程基準，確保GPS輔助航空攝影空中三角測量的順利實施。

2 項目勘踏地標點

由于項目監控點是距離市區較遠的山區地帶，人們生活水平相對落后，交通非常不便，這對項目的開展造成很大阻力。根據項目本身的需求與測量點的實際情況，需要結合當地地形的實際情況，在山頂、平原、空曠地帶、農田、高層建筑上分別架設地標點，這些地標點多數是在山頂及其建筑物的頂端，測量人員所架設的測量點符合航空拍照的標準，在設計上也要符合測量的要求。

3 項目布置地標點

利用GPS輔助空中三角測量要對地標點采取不同的標志進行區分，利用不同的顏色來進行標記。地標點要與航空拍攝的路線重合，這些地標點要覆蓋航空拍攝的范圍，以保證控制滿幅，在相鄰標準點的設置上，其距離要不大于1 km，在基準站點的設置上，要根據實際情況進行布設，利用不銹鋼強制對中中心標志。此外，所有的23個地標點在標志的設置上采用一定的圖形，通常為Y形、T形以及方形，在標志點的用料方面多采用白油漆和黑油漆，如要粉末標注地則采用黑碳粉和白石灰粉，同時也有應用薄膜的情況，并且這些薄膜已經被油漆刷上所需要的顏色。

4 項目觀測

4.1 地面基準站聯測

在地面檢測站方面，設備上采用天寶5700型雙頻GPS接收機，在觀測時段上為2小時，數據采樣時間間隔為30s，觀測衛星數目不小于2顆，衛星截止高度角為5°，這樣能夠盡量減少其他因素的干擾，確保地面基站的實際應用效果，使航空拍攝能夠順利進行。地面上所架設的2個基準站的相關設備和儀器部署到位，觀測次數分為24h和8h兩次，并將兩次所獲得的數據進行收集，同時還要對GPS中的數據進行校正，利用相關設備進行格式轉換，以確保數據的客觀性，進行格式轉換所應用的軟件是TEQC數據預處理工具軟件，以此來對測量獲得的數據進行分析，當測量數據與目標數據吻合后，應用GPS來協助完成航空攝影空中三角測量。據監測發現，利用GPS輔助航空攝影的空中三角測量數據利用率高達100%，基礎要求為數據利用率要在85%以上，多路徑效應的最大值為0.3，基礎要求為小于0.5，這表明利用GPS協助空中三角測量所獲得的數據符合標準，所得數據具有極強的可靠性。

4.2 對空地標點觀測

對空地標點的觀測同樣采用天寶5700型雙頻GPS接收機，依托基準站對數據進行全天候監測，而地標點的監測時間為2 h。若對空地標點基準站的距離在100 km以上時，地標點的最佳監測時長（UTC）為2 h～4 h，這樣做的目的是為了提高對空地標點的測量精度。與地面基準站聯測數據相類似，在軟件上同樣采用TEQC數據預處理工具隊數據進行分析和檢測，確保監測數據的準確性滿足設計要求。

4.3 基準站高程聯測

在基準站高程聯測方面，本項目啟于沙田95、沙田96兩個水準點。在具體的基準站高程聯測方面的具體步驟為：在建筑物的附近采用四等水準精度確立固定點，然后采用電磁波高程導線的方法來進行測量，最終獲得基準站高程，并對所獲得的數據進行監測和分析，獲得處理結果，最終在基準站高程聯測方面中所測量的各項數據均達到設計標準。endprint

4.4 GPS輔助空三角測量數據采集

由于存在地面與空中的數據交換，同時存在大量數據的傳送，在進行GPS輔助空三角測量數據采集時需要注意以下幾個方面的問題：首先，要確保地面基準站的設備運轉正常，保證接受數據的精度；其次，基準站與地標點的架設方面要注意在地勢的選擇上，要盡量選擇地勢平坦的地方，或者是植被覆蓋良好的山頂，這有利于地面與空中的“對話”，是動態接收機能夠更加容易的捕捉并接收信號；其次，在設計要求上要根據衛星組合圖形來確定攝影期間基準站的數據采樣時間，其最佳時間間隔為1 s；最后，在觀測時段長度（UTC）要符合設計要求，在進行航空攝影時，2個地面基準站要同時開啟并進行監測，在數據收集方面在飛機起飛前的20 min開始，直至飛機落地不動后20 min為止，這期間都要保持GPS接收機的正常工作，進而獲得同步的GPS數據，并對所測量的數據進行檢測，確保檢測結果符合設計要求。

4.5 機載GPS天線偏心分量測定

從航空攝影的角度來進行分析，采用GPS動態定位時刻時，與攝影機上的時刻并不同步。GPS動態位解算后，可以得出一套連續的坐標序列，為了使攝站的位置更為精確，需要將偏心矢量的因素考慮在內，根據坐標序列中內插攝影機在進行攝影的瞬間所有用的中心位置，也就是攝影機在進行拍攝時的站位置。航空攝影在進行拍攝的瞬間，利用天線來對相位中心進行推算，進而計算出推算的值。這個結果與GPS采樣的時間間隔由很大關系，因而必須要關注曝光瞬間時間內插的精度，確保航空攝影的準確性。在高精度GPS測量中，通常會內置內插器（CET），利用內插器來將曝光時間插入。航空飛機在工作的過程中，攝影機在進行拍攝的同時將會放出一個同步脈沖，在利用計算機對脈沖數據進行處理后，即可將曝光時間歸化為GPS時間，進而獲得某一曝光瞬間攝影站的空間位置。

5 檢查

5.1 檢測點的觀測

在航空攝影傳輸回攝影航拍像片后，為了檢驗整合項目的質量和水準，可在第5加密區選擇2個地物點作為地標點；在第8加密區選擇4個地物點作為地標點，并輔以20個檢測點同時對GPS數據進行觀測。在點位分布中，大部分點位于基準站之間的距離都在100 km以上，基準站、地標點、檢測點之間的聯測時間不小于3 h，采樣時間間隔為15 s，衛星數不小于4顆，衛星截止高度角為15°。數據分析與檢測采用TEQC進行，所得數據符合設計標準。

5.2 檢測區等外水準聯測

為了對高程進行檢驗，以1985國家高程基準為標準，在3個地標點與26個檢測點實施水準聯測，并對4個檢測點和3個地標點進行四等水準精度的電磁波高程導線聯測，所測數據精度指標符合設計標準。

6 結論

本項目需要技術人員根據實際地形來設立地標點，并且根據地標點明確測量點的位置，并對潛在的干擾因素進行排查。在數據的準確度方面，運用計算機軟件進行核查，確保數據精度符合標準在進行下一環節的工作。本項目成功測量向我們展示出GPS在空中三角測量的實際應用，指明了運用GPS進行動態定位所具有的優勢，不僅降低了人工作業的難度和強度，提高工人的工作效率，還節省了測量項目的成本。本次測量項目的成功展示出GPS在航空攝影輔助空中三角測量中的應用，表明這項技術擁有較為廣闊的發展空間，應用到測量技術方面能夠為測量工作帶來極大便利。

參考文獻

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