关键词： 三角测量
空中三角测量（精选八篇）
空中三角测量 篇1
空中三角测量 (aerotriangulation) 是利用航摄像片与所摄目标之间的空间几何关系, 根据少量像片控制点, 计算待求点的平面位置、高程和像片外方位元素的测量方法。主要有三种作业方法:解析空中三角测量、GPS辅助空中三角测量、POS辅助空中三角测量。
二、主要作业方法
1、解析空中三角测量。
解析空中三角测量指的是用摄影测量解析法确定区域内所有摄影的外方位元素及待定点的地面坐标。根据平差中所采用的数学模型解析空中三角三角测量可分为航带法、独立模型法和光束法;根据平差范围的大小, 又可分为单模型法、单航带法和区域网法。
a.航带法空中三角测量。航带法空中三角测量处理的对象是一条航带的模型, 即首先要把许多立体像对所构成的单个模型连接成航带模型, 然后把一个航带模型进行解析处理。航带模型经绝对定向以后还需要作模型的非线性改正, 才能得到较为满意的结果。
b.独立模型法空中三角测量。独立模型法空中三角测量是把一个单元模型视为刚体, 利用各单元模型彼此间的公共点练成一个区域, 在连接过程中, 每个单元模型只做平移、旋转和缩放, 这一过程是通过单元模型的空间相似变换来完成的。
c.光束法空中三角测量。光束法空中三角测量是以一幅影像所组成的一束光线作为平差的基本单元, 以中心投影的共线方程作为平差基础方程。通过各个光线束在空间的旋转和平移, 使模型之间公共点的光线实现最佳地交会, 并使整个区域最佳地纳入到已知的控制点坐标系统中。光束法解析空中三角测量是最严密的一种解法, 误差方程式直接对原始观测值列出, 能最方便地顾及影像系统误差的影响, 最便于引入非摄影测量附加观测值, 如导航数据和地面测量观测值。它还可以严密地处理非常规摄影以及非量测相机的影像数据。
2. GPS辅助空中三角测量
GPS辅助空中三角测量的作业过程大体上可分为一下四个阶段:
a.现行航空摄影系统改造及偏心测定。对现行的航空摄影飞机进行改造, 安装GPS接收机天线, 并进行GPS接收机天线相位中心到摄影机中心的测定偏心。
b.带GPS信号接收机的航空摄影。在航空摄影过程中, 以0.5～1.0s的数据更新率, 用至少两台分别设在地面基准站和飞机上的GPS接收机同时而连续地观测GPS卫星信号。以获取GPS载波相位观测量和航摄仪曝光时刻。
c.解求GPS摄站坐标。对GPS载波相位观测量进行离线数据后处理, 解求航摄仪曝光时刻机载GPS天线相位中心的三维坐标 (Xa、Ya、Za) , 即GPS摄站坐标及其方差-协方差矩阵。
d.GPS摄站坐标与摄影测量数据的联合平差。将GPS摄站坐标及其带权观测值与摄影测量数据进行联合区域网平差, 以确定待求地面点的位置并评价其质量。
3. POS辅助空中三角测量。
将POS系统和摄影仪集成在一起, 通过GPS载波相位差分定位获取航摄仪的位置参数及惯性测量装置 (IMU) 测定航摄仪的姿态参数, 经IMU、DGPS数据的联合后处理, 可直接获得测图所需的每张像片的6个外方位元素, 能够大大减少乃至无需地面控制点直接进行航空影像的空间地理定位。
航摄仪、GPS天线和IMU三者之间的空间坐标系可以通过坐标变换来统一。为了保证获取航摄仪曝光瞬间摄影中心的空间位置和姿态信息, 航摄仪应该提供或加装曝光传感器及脉冲输出装置。除安装在飞机上的设备外, 还应在测区内或周边地区设定至少一个基准站, 并安装静态GPS信号接收机, 要求地面GPS接收机的数据更新频率不低于机载接收机的更新频率, 以相对GPS动态定位方式来同步观测GPS卫星信号。最后利用后处理软件结算每张影像在曝光瞬间的外方位元素。
三、进行空中三角测量的意义
1. 不触及被量测目标即可测定其位置和几不触及被量测目标即可测定其位置和几何形状;
2. 可快速地在大范围内同时进行点位测定可快速地在大范围内同时进行点位测定, 以节省野外测量工作量;
3. 不受通视条件限制不受通视条件限制;
4. 摄影测量平差时, 区域内部精度均匀, 摄影测量平差时, 区域内部精度均匀, 且不受区域大小限制。
四、小结
由于近些年摄影测量与遥感技术的飞速发展与结合, 对于DEM与DOM成果质量的要求也越来越高, 这样也使得空中三角测量成果的精密与准确性成了关键。而多种空中三角测量方法的出现, 相信应该能够解决空中三角测量的解算问题了。
参考文献
[1]宁津生, 陈俊勇, 李德仁, 等.2008.测绘学概论[M].第二版.武汉:武汉大学出版社.
空中三角测量 篇2
通过具体测区的生产应用,介绍了直接使用非量测数码影像在InterGraph SSK系统中进行空中三角测量的方法和工作流程,并分析了其精度情况.
作 者：阮传华 郑福海 初光 王铁军 RUAN Chuan-hua ZHENG Fu-hai CHU Guang WANG Tie-jun 作者单位：阮传华,RUAN Chuan-hua(新疆维吾尔自治区第一测绘院,新疆,昌吉,831100)郑福海,初光,王铁军,ZHENG Fu-hai,CHU Guang,WANG Tie-jun(黑龙江地理信息工程院,黑龙江,哈尔滨,150086)
刊 名：测绘与空间地理信息 英文刊名：GEOMATICS & SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGY 年，卷(期)：2009 32(3) 分类号：P231.4 关键词：InterGraph SSK系统 非量测 数码影像 空中三角测量★ 浅谈隧道监控量测论文
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空中三角测量 篇3
关键词：不规则区域；空中三角测量；像控点布设；高程精度
1 引言
空中三角测量是通过对影像点的量测和同名光线的交会计算每张像片的外方位元素，还原像片航摄时的几何位置和姿态。它经历了模拟法、解析法、全数字三个阶段。随着航空摄影测量技术的的快速发展，采取摄影测量方式测制复杂地形区域大比例尺地形图已成为一种常用方法。通过多次航空摄影测量项目的实施，笔者认为通过合理布设像控点来提高复杂地形区域空中三角测量高程精度是切实可行的。
2 像控点布设方案
像控点测量即航外控制测量。在布设像控点之前，先需要了解测区的地形地貌并进行空三分区。如在某项目中其航摄区域为不规则形状：
测区西北角和西南角为高山区，其他地方地势较平坦，主要为丘陵，采用常规空三分区，可将测区划分为两个长方形区域。但势必增加像控点数量，同时需要进行空三接边，增加空三工作难度。因此，测区只划分为一个不规则的空三区域。
方案一布点方式为：按照同一航线相隔36条基线布设一个像控点，相邻航线按照每隔4条航线布设一个像控点的方法进行。
方案二布点方式为下：布点方式参照“五点法”原则，按照在每四个点构成的矩形区域中央补充一个平高点。
3 区域网平差
（1）采用方案一，计算结果如下：
（2）采用方案二，计算结果如下：
通过野外实测检查点，对两种布点方案做精度对比：
通过比较上述两个方案，采用方案一，其高程较差精度不能达到要求；而采用方案二，其高程较差精度能达到要求。因此采用方案二的布点方式能有效地提高高程精度，其结果均能符合要求。
4 结束语
随着IMU/DGPS系统的引入，像控点布设大幅度减少，但对于不规则复杂地形空三区域仍需尽可能合理布设控制点，才能使高程控制达到较理想值。
参考文献
[1] 黄世德. 航空摄影测量学[M].北京： 测绘出版社， 1986.
[2] 张剑清. 潘励，王树根.摄影测量学[M].武汉： 武汉大学出版社，2009.
[3] 乔瑞亭，孙和利，李欣. 摄影与空中摄影学[M]. 武汉：武汉大学出版社，2008.
[4]国家测绘局. GB/T 6962—2005 1∶500 1∶1 000 1∶2000地形图航空摄影规范[S]. 北京： 标准出版社，2005.
[5] 国家测绘局. GB/T 7930—2008 1∶500 1∶1 000 1∶2000地形图航空摄影测量内业规范[S]. 北京：北京出版社，2008
[6] 国家测绘局. CH/T 9008.2-2010基础地理信息数字成果1∶500 1∶1 000 1∶2000 数字高程模型[S].北京：测绘出版社，2010
※基金项目：湖南省国土资源厅软科学研究计划项目；项目编号：2011-27。
航测空中三角测量新思路研究 篇4
IMU/DGPS系统硬件主要包括:I M U、机载双频GPS接收机及高性能机载GPS天线、地面GPS接收机、机载计算机以及存储设备。软件包括DGPS数据差分处理软件、IMU/DGPS滤波处理软件以及空三加密、检校计算软件等。
目前国际市场上常用于航空摄影测量的IMU/DGPS系统具有代表性的主要有两套, 即德国IGI公司的AEROControl以及加拿大Applanix公司的POS/AV系统。IMU/DGPS辅助航空摄影测量是指利用装在飞机上的GPS接收机和设在地面上的一个或多个基站上的GPS接收机同步而连续地观测GPS卫星信号, 通过GPS载波相位测量差分定位技术获取航摄仪的位置参数, 应用与航摄仪紧密固连的高精度惯性测量单元 (IMU, Inertial Measurement Unit) 直接测定航摄仪的姿态参数, 通过IMU, DGPS数据的联合后处理技术获得测图所需的每张像片高精度外方位元素的航空摄影测量理论、技术和方法。IMU/DGPS辅助航空摄影测量方法主要包括:直接定向法和I M U/DGPS辅助空中三角测量方法。
1.1 直接定向法
利用高精度差分GPS和惯性测量单元 (IM U) (通称POS系统) , 获取航空摄影曝光时刻影像的空间方位 (即用GPS确定摄站的空间位置, 用IMU惯性测量装置获取影像的姿态角) , 通过对系统误差的校正, 进而得到每张像片的高精度外方位元素。这种方法称直接定向法 (国际上称Direct Georeferen cing, 简称DG) 。
1.2 IMU/DGPS辅助空中三角测量方法
将基于IMU/DGPS技术直接获取的每张像片的外方位元素, 作为带权观测值参与摄影测量区域网平差, 获得更高精度的像片外方位元素成果。这种方法即IMU/DGPS辅助空中三角测量方法 (国际上称Integrated Sensor Orientation, 简称ISO) 。
2 工程概况
摄区地理位置:重庆测区。任务是:基准站的布设和测量、检校场中检校点地面标志布设和测量 (这些作地面标志的点以下也可简称地标点) , 检校场附带点的选定和测量, 精度验证区外业检测点影像实地测量, 详细任务见表1。
3 IMU/DGPS技术方案
3.1 基站
IMU/DGPS辅助航空摄影测量的核心是获取高精度的外方位元素, 包括3个线元素和3个角元素。
其中线元素的获取主要是通过差分GPS (DGPS) 测量手段来获取, 这就需要在测区内或测区附近布设一定数量的具有作为整个测区首级控制点精度、用于与飞机上机载高精度GPS信号接收机同步进行观测的GPS地面观测站, 简称GPS基站。通常情况下, 移动站与基站间距离越大, 用差分GPS方法得到的位置精度越低。因此根据航测项目所需的精度来确定布设了2个基站。
2个基准站别选在重庆万县附近。摄区基准站点名取其所在地名拼音4个字母作为唯一点名表示, 基准站点名及其所在地见表2所示。
基准站建立后应拍摄基准站的数码像片和基准站的景观数码像片。
3.2 检校
由于IMU/DGPS系统测定的位置和姿态是惯性坐标系下的直接测量数据, 即位置数据 (X, Y, Z) 以及姿态数据 (pitch, roll, yaw) , 而在实际生产中需要采用的是摄影测量坐标系下的精确外方位元素位置数据 (X′, Y′, Z′) 和姿态数据 (φ, ω, κ) 。为实现惯性坐标系到摄影测量坐标系下的转换, 通用的做法是采用飞行检校场的方法来进行。因此, 为确定姿态测量单元IMU与航摄仪之间的角度系统差 (即偏心角) 以及线元素分量偏移值, 必须设立检校场。即在一个有足够数量精度较高控制点的试验区进行检校飞行, 采用空三方法计算出每张像片的外方位元素, 含投影中心的位置和姿态角 (φ, ω, κ) 。然后通过与IMU/DGPS测量获得的位置和姿态数据 (φ, θ, ψ) 进行计算来求得偏心角及线元素分量偏移值的最佳估计, 然后对整个摄区范围加入偏心角系统差改正和线元素分量偏移值改正, 得到无系统误差的外方位元素成果。这样只需在检校场范围内进行空三加密和外业控制测量, 获得系统误差值得改正量, 就可以实现在整个摄区的无 (或少) 地面控制的航空摄影测量。
检校场布设在测区内和测区附近能够实施野外像控测量的区域, 按照摄区航摄比例尺设置两条相邻的平行航线, 每条航线不少于10个像对;航向重叠和旁向重叠均按60%设计;每个固定检校场周边布设了6个平面、高程控制点, 控制点点位与像片边缘不小于1.5cm。
在进行检校场控制点测量的同时, 在检校场范围内明显地物处布设了至少2个检查点, 以便检校场空三结果的检核。检校点布设后应拍摄检校点的数码像片和检校点的景观数码像片。为了检核检校区域的精度, 在检校场范围内选择成像清晰明显的地物作为检校场附带点。每个检校场选2个, 共4个, 按检校点的要求进行观测。在高于自然地面上布设标志 (如在建筑物顶布标) , 应量比高至0.1m并记录在点之记中。附带点布设后应拍摄附带点的数码像片和附带点的景观数码像片。
3.3 GPS测量
每时段结束后要立即下载数据, 进行转换、检查、备份。观测时要认真量取GPS天线高, 填写观测手簿。地面GPS应与航摄飞机上的GPS接收机同型号, 采用双频静态同步观测, 观测时采样间隔设为1s, 观测时间从飞机滑行前20分钟到降落静止后20min, 一般长4h~6h, GPS设定截至高度角为5°~10°。测前、测中、测后分别记录观测手簿, 三次量测仪器高至毫米级, 较差不大于2mm。
每个检校场应单独联测成一个GPS网, 网中含检校场附带点及国家大地点。该网和就近的1个基准站联测。基准站应和GPS网内与基准站相近的2个点同步联测。航摄开始前完成所有检校点和检校场附带点的布设, 其观测可在航摄前后进行。
4 建议
(1) IMU/DGPS航空摄影中, 平面精度容易达到要求, 高程方面由于地形变化, 而需要根据具体情况布设像控点, 否则高程精度达不到要求。 (2) 加密区大小的选择。加密区的选择要适当, 跨度不宜过大, 一般选取航线为4~6条, 每条航线13~20片左右作为一个加密分区, 每区应布设适量的检查点。 (3) 像控点的布设。IMU/DGPS辅助空中三角测量对丘陵地和山地而言, 仅采用四角点布设平高控制点即可满足航测成图精度要求;平坦地区以加密区为单位, 采用加密区域四角点+两排高程点方案可满足航测成图精度要求;不规则区域须在其周边增设像片控制点, 山地和丘陵地一般在转折处布设平高地面控制点, 平地和凸转折处布设平高地面控制点, 凹转折处1条基线时布设高程地面控制点。 (4) IMU/DGPS辅助航空摄影测量的特点除减少像控点的布设外, 还有一个突出特点在于获取的每张像片外方位元素的平面精度完全满足航测成图精度, 可直接建立模型进行室内定位判调, 然后到实地进行定性检查, 在很大程度上提高了调绘效率。 (5) DGPS计算精度与基站与飞机间距离有关系, 距离越小, 精度越高。 (6) 采用直接定向法时, 必须每架次飞行检校场, 检校场必须与摄区同高度。而采用IMU/DGPS辅助空三时, 由于基于少量几个地面控制点 (一般多于4个) 进行加密后, 可消除角度系统误差和线元素分量偏移值带来的影响, 不必每架次飞行检校场。 (7) 检校场可以设置在离摄区较远的地方 (200km~300km) , 也可以用摄区中任取两条航线 (需足够数量的地面控制点, 一般多于6个) 来代替。
摘要：本文基于笔者多年从事航空摄影测量的相关工作经验, 以航测空中三角测量新思维为研究对象, 论文结合笔者参与的航测工程案例, 给出了具体的IMU/DGPS辅助空中三角测量的方法, 全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词：IMU/DGPS,航空摄影测量,GPS测量
参考文献
[1]李德仁.GPS用于摄影测量与遥感[M].北京:测绘出版社, 1996.
空中三角测量 篇5
经过20多年的理论研究、实际试验和大量的生产实践, 我国建立了较为完整的GPS辅助空中三角测量理论, 从机载GPS相位中心与航摄仪投影中心的几何关系出发, 建立了GPS摄站坐标观测方程, 将其引入摄影测量区域网平差, 构建了GPS辅助光束法区域网平差的完整数学模型;自行研制了两套具有GPS辅助光束法区域网平差功能的摄影测量加密软件WuCAPS (Wuhan Combined Adjustment P rogram System) 和Geolord-AT;建立了比较完整的GPS辅助空中三角测量技术框架, 制定了相应的国家测绘行业标准, 用于指导我国的航空摄影测量生产。这些已经极大的简化了航空摄影测量作业工序, 形成了具有中国特色的GPS航空摄影测量实用生产技术体系。
1 技术方案及飞行实施
GPS辅助空中三角测量前期生产过程包含航摄设计、地面控制、航摄飞行、航后GPS数据检核及预处理等几个方面, 后期内业处理主要是带GPS数据的区域网平差过程 (如图1) 。下面笔者以本部执行的酒泉航摄项目为实例对GPS辅助空中三角测量从技术设计以及飞行过程进行阐述。 (如图1) 1.1地面控制方案
GPS辅助空中三角测量地面控制的方案常见的有两种, 见图2。地面控制部分按照GB/T 18314-2001《全球定位系统 (GPS) 测量规范》除需要进行地面基站的测设外, 还要进行航摄期间基站的同步观测和平高点、检测点、水准点测量期间基准站的连续观测、加密分区四角平高点的布设和测量、精度验证区检测点的选测以及水准点的GPS测量, 并绘制点之记。
对空地标点采用四角布点法, 按照《GPS辅助航空摄影技术规定》点位布设在构架航线与加密分区首末测图航线重叠处, 位于测区自由图边处的地标点位应尽量布设在图廓线外。为了检验GPS辅助空中三角测量的精度, 航摄像片提供后在检测样区内选刺30个点进行检测, 所选检测点除满足GPS观测要求外, 还选择在像片上影像清楚的明显地物点上, 并均匀分布于平地、丘陵和山地, 使野外检测点有较强的地形类别代表性。对于上述所有点位, 都要做GPS测量取得其WGS-84坐标下的精确坐标 (如图2) 。
1.2 航摄技术设计
酒泉摄区位于甘肃省西北部, 摄区北部平地, 为大面积戈壁与沙漠, 植被稀少, 水资源缺乏。南部为高山, 地形比较复杂, 因此该摄区技术设计较常规的航摄设计复杂了一些。
按照GB/T 19294-2003《航空摄影技术设计规范》以及GB/T 15661《1∶5000 1∶10000 1∶25000 1∶50000 1∶100000地形图航空摄影规范》, 我们充分考虑地形因素将该摄区分成了若干个加密分区, 并通过加密分区四角平高控制点加构架航线的地面控制方案来改正GPS摄站的坐标系统漂移误差控制精度。构架航线垂直于测图航线, 设计的基本要求是比测图航线的比例尺小20%左右, 航向重叠不小于80%, 并且延长出航摄区域4到6条基线, 控制航线交叉或衔接处要有不少于四条基线的重叠。
四角平高点位置及时报予地面控制方案执行部门并纳入其地面测量技术设计中, 也是在实际飞行中能够观察到的对空地标点。
1.3 航空摄影飞行实施安排
在实际飞行实施过程中, 保证地面基准站与机载GPS同步观测。每个架次准备飞行前, 通知地面基准站开机, 这样就保证了起飞前机载GPS接收机静态观测有正常的基站数据参考。起飞前进行GPS接收机的初始化测量, 采用GB/T 18314-2001中规定的GPS静态定位测量方法, 其间, 应严格防止各种原因遮挡机载GPS天线造成的GPS信号失锁。记录好GPS接收机的初始化时间以及静态观测起止时间。
航摄飞行作业中采用GB/T 15661对飞行和摄影质量的要求确保GPS接收机正常工作, 并按GPS辅助航摄飞行记录单对地试、前试、每条测线以及后试对应的首末MARK号码以及航片数做好记录。在航行过程中, 要严格按照规范要求执行, 根据精度控制的相关理论要求, 同一加密分区构架航线与首末测图航线不能断开飞行, 但是为保证飞行效率, 飞行过程中可以灵活调节测图航线与控制航线的飞行顺序;为了保证摄影以及数据采集质量, 航行过程中对设备的操作以及飞行方式要充分掌握好, 飞机出航线后转弯坡度不要太大以免造成对GPS天线的遮挡而导致GPS信号失锁, 影响GPS数据采集。
航摄飞行结束落地不动后, 进行GPS静态观测, 观测时间10分钟左右。飞行结束后及时下载数据做GPS数据检核及预处理, 检查机载设备数据记录的完备性, 并备份数据。
关于航摄飞行漏洞的补摄, 尤其要注意的就是在敷设构架航线的测区, 补摄航线两端必须超出构架航线外至少一条基线。
2 像片外方位元素的获取及样区加密精度验证
GPS辅助空中三角测量依然遵循传统的空三加密工序, 从投影中心与机载GPS天线相位中心几何关系出发, 将差分GPS获取的摄站点坐标, 作为带权观测值引入自检校光束法区域网平差中进行GPS导航数据与摄影测量观测值的联合平差, 采用统一的数学模型和算法整体解算像片的外方位元素和加密点坐标, 但是具有GPS辅助光束法区域网平差功能的摄影测量加密软件WuCAPS极大的简化了操作流程。WuCAPS是在Windows环境下, 用面向对象的Visual C++和Fortran语言开发的一个用于摄影测量与遥感高精度点位测定软件包, 它以共线条件方程为核心, 融合当代基于统计理论的误差随机模型和理论上最为严密的自检校光束法区域网平差函数模型于一体, 以程序实现了光束法区域网平差一整套算法。目前, 该系统正在测绘生产单位、科研部门、和学校教学中广泛使用。
为了测定GPS辅助空中三角测量航摄成果的精度, 我们在样区内布设了布设30个检测点 (点位分布如图五所示) 。所有点都采用GPS静态测量方法进行测量, 得到WGS84下的大地坐标及其椭球高, 并转换到西安80坐标系和1985国家高程基准下的坐标。利用武汉大学自行研发的WuCAPS软件进行带四角高程控制的GPS辅助光束法区域网平差得到样区全部像片的外方位元素和加密点的地面坐标。利用30个检测点评定的加密成果精度如表1, 由表1显示来, 检查点精度满足GB/T 13990-1992《1∶5000、1∶10000地形图航空摄影测量内业规范》成图精度要求, 1∶5000航测成图, 检查点不符值:平面<2.5m, 高程<2.0m (山区地形) 。说明GPS辅助光束法区域网平差得到的外方位元素精度可以满足后续内业加密和测图等工序的精度检查和比较使用 (如表1) 。
3 综述
综上所述, GPS辅助空中三角测量可以大量减少地面控制点, 而且带地面控制的GPS辅助光束法区域网平差精度能够满足1∶5000地形图生产。无论平地区域还是丘陵地、山地区域, 采用GPS辅助光束法区域网平差, 精度达能到自检校光束法区域网平差的精度。
GPS辅助空中三角测量已经成为一种极为实用、经济的摄影测量加密方法, 其在测绘生产中的应用已经逐渐改变了航空摄影测量一贯遵循的“航空摄影—外业控制联测—内业测图”的长周期作业模式。它在缩短航测成图周期、节省外业控制工作量、减轻劳动强度等方面已经创造出了巨大的经济和社会效益。
摘要：GPS辅助空中三角测量是目前国内在中、小比例尺及困难地区成图航空摄影测量一般采用的模式。本文结合酒泉航空摄影项目, 对GPS辅助空中三角测量在技术方案、飞行实施、外方位元素解算以及精度评定几个方面作阐述和分析。
关键词：GPS辅助空中三角测量,摄影测量,区域网平差,精度
参考文献
[1]袁修孝.GPS辅助空中三角测量原理及应用[M].北京:测绘出版社, 2001.
[2]GB/T 18314-2001.全球定位系统 (GPS) 测量规范[S].
[3]GB/T 19294-2003.航空摄影技术设计规范[S].
[4]GB/T 15661.1∶5000 1∶10000 1∶250001∶50000 1∶100000地形图航空摄影规范[S].
空中三角测量 篇6
关键词：C#,光束法,空中三角测量,像对,加密点,共线方程
1 概述
航空摄影测量是利用2维对地观测影像提取3维地表空间信息的重要技术手段, 其关键是快速而准确地恢复影像获取时的空间方位。长期以来, 这一目标是借助大量合理分布的地面控制点通过空中三角测量间接实现的。在航空摄影测量中, 绝大部分的数据处理都需要用相应的软件或者自己编写程序来实现。目前较为流行的语言有VB、JAVA、C++、C#等, 其中最近兴起的C#的优点是方便的界面开发与简洁的语法, 能够实现快速开发, 这种语言已被许多人所接受。
2 开发环境及语言介绍
2.1 开发环境
MicrosoftVisualStudio2010是微软公司推出的新一代开发环境。是目前最流行的Windows平台应用程序开发环境, 于2010年4月12日上市, 其集成开发环境 (IDE) 的界面被重新设计和组织, 变得更加简单明了。Visual Studio 2010同时带来了NET Framework 4.0、Mi-crosoft Visual Studio 2010 CTP (Community Technology Pre-view——CTP) , 并且支持开发面向Windows 7的应用程序。除了Microsoft SQL Server, 它还支持IBM DB2和Oracle数据库。
2.2 开发语言
微软C#语言定义主要是从C和C++继承而来的, 而且语言中的许多元素也反映了这一点。C#在设计者从C++继承的可选选项方面比JAVA要广泛一些 (比如说struts) , 它还增加了自己新的特点 (比方说源代码版本定义) .但它还太不成熟, 不可能挤垮JAVA。C#还需要进化成一种开发者能够接受和采用的语言。而微软当前为它的这种新语言大造声势也是值得注意的。目前大家的反应是:“这是对JAVA的反击”。
C#更像JAVA一些, 虽然微软在这个问题上保持沉默。这也是意料中的事情, 我觉得, 因为JAVA近来很成功而使用JAVA的公司都报告说它们在生产效率上比C++获得了提高。
3 光束法区域网空中三角测量原理
3.1 基本思想及主要内容
在一张像片中, 待定点与控制点的像点与摄影中心及相应的地面店均构成一条光束。该方法是以每张像片所组成的一束光线作为平差的基本单元, 以共线方程式作为平差的基础方程。通过各个光束在空中的旋转和平移, 是模型之间公共点的光线实现最佳交会, 并使整个区域纳入到已知的控制点地面坐标系中去。所以要建议全区域统一的误差方程式, 整体求解全区域的每张像片的六个外方位元素以及所有待求点的地面坐标。
其主要内容包括:像片外方位元素和地面点坐标近似值的确定、逐点建立误差方程式并法化、改化法方程式的建立、边法化边消元循环分块解求改化法方程式、求出每片的外方位元素、加密点坐标计算。
3.2 误差方程式的建立
同单张像片空间后方交会一样, 光束法平差仍是以共线方程式作为基本的数学模型, 像点坐标 (x, y) 是未知数的非线性函数, 仍要进行线性化, 与空间单像后方交会不同的是, 对待定点的地面坐标 (X, Y, Z) 也要进行偏微分, 所以, 线性化过程中药提供每张像片外方位元素的近似值及待定点坐标的近似值, 然后逐渐趋近求出最佳值。
如果内方位元素已知, 像点坐标作为观测值, 其误差方程为
其中, xÁ, yÁ为函数的近似值, XÁYÁZÁ为外方位元素近似值的改正数。令lÁxÁx, lÁyÁy, 则 (1) 可改写成 (2) 式。当每一个像点的lx, ly小于某一限差时, 迭代计算结束。
对每个像点, 可列出一组式 (2) 的方程式, 其相应的法方程式为:
或
一般情况下, 待定点的坐标个数将远大于像片的外方位元素的个数, 这可对 (3) 式进行消元, 得
利用 (5) 式后求出每张像片的外方位元素后, 在利用双像前方交会公式计算出所有待求点的地面坐标。在共线条件的误差方程 (1) 中, 由于外方位元素已经求出, 可以列出每个待定点的前方交会点误差方程式:
如果有一个待定点跨了n张相片, 则可以列出n组式 (6) 的方程。
4 算例
利用一个数码相机拍摄了两张航测相片Img261和Img262, 量测了6对点的影像坐标, 其中前4个点为地面控制点 (GCP) , 后两个点为加密点。如表1所示。
相片参数:大小为4272 (列) *2848 (行) , 像主点位于影像中心, 像素大小为5.19micron, 相机的焦距为24mm。.
Img261值:X=397510.760, Y=3445853.978, Z=1455.153, 角元素为0;
Img262的外方位元素初始值:X=397513.320, Y=3445979.811, Z=1453.685, 角元素为0;
首先, 由程序计算出以像主点为原点的像平面直角坐标系下的坐标, 如表2。
计算出了两张像片的外方位元素, 见表3。
值得注意的是, 计算得到的角元素有可能大于90°, 此时需要将角元素归化到90°内。
计算得到的加密点坐标, 如表4, 同时计算得到控制点的残差信息, 如表5。
5 结论
本文中对一个像对进行的计算与分析得到下面两条结论:
5.1 计算的像对中最终控制点的残差平面误差小于1m, 高程误差小于3m, 可以推断出上述外方位元素和加密点地面坐标基本可靠。
5.2 在本文中采用的算例值采用一个像对, 但实际情况下, 会有很多像片, 这时必须要考虑程序设计过程中数据结构的设计与优化, 才能实现快速计算。
参考文献
[1]王佩军, 徐亚明.摄影测量学 (测绘工程专业) [M].武汉:武汉大学出版社, 2008:94-98.
[2]张祖勋.数字摄影测量测量学[M].武汉:武汉大学出版社, 2003.
[3]智长贵, 丁雷, 范文义.基于光束法空中三角测量理论测量林分平均高度的方法[J].东北林业大学学报, 2009, 37 (3) :29-31.
空中三角测量 篇7
POS辅助航空摄影测量方法主要包括:
(1) 直接定向法 (Direct Georeferencing, DG) [1], 采用IMU/GPS辅助航空摄影技术, 得到每张像片的外方位元素, 实现无需地面控制点的航空摄影测量方法。
(2) 辅助定向法 (Integrated Sensor Orientation, ISO) [2], 即将POS系统获取的每张像片的外方位元素作为带权观测值参与摄影测量区域网平差, 进而得到每张像片的高精度外方位元素。
该文重点研究了POS辅助定向法满足1∶1 000成图精度的像控点布设方案, 为项目的进一步执行提供技术参考。
1 POS辅助空中三角测量
1.1 POS辅助空中三角测量
POS辅助空中三角测量, 国际上也称为ISO (Integrated Sensor Orientation) , 是将基于GPS/IMU组合系统直接获取的每张像片的外方位元素, 作为带权观测值参与摄影测量区域网平差, 获得更高精度的像片外方位元素成果。
POS辅助空中三角测量实际使用时, 是将GPS/IMU获取的位置和姿态数据代入到空三运算中, 利用像片匹配的连接点和地面控制点等辅助数据, 可以获得更高精度的结果。国际上大量实验证明, 即使仅用像片连接点, 而不用地面控制点进行联合平差, 也能大大提高GPS/IMU获得的外方位元素的精度, 尤其是高程的精度和稳定性。如果再加入地面控制点, 则整个模型非常稳健, 计算结果的精度接近于常规空三结果。有研究结果表明, 仅用1个地面控制点就达到很高的精度, 使用2个地面控制点精度进一步提高, 当加到3个、4个地面控制点时, 精度虽有提高但已不明显, 因此考虑到粗差的检测以及整体的稳定性, 一般在测区4角加入地面控制点比较合理。
1.2 POS辅助空中三角测量的应用前景
目前我国国民经济的各行各业对大比例尺图件的需求与日俱增, 由于传统的空中三角测量的精度受各种条件的限制, 而POS辅助空三加密技术可以弥补传统空三加密的缺陷, 不仅改变了过去先进行航摄、接着对外业的像片控制点进行测量, 最后进行内业的空三加密工序流程, 而且提高了精度, 减少作业的程序。提高了作业效率, 为最终实现数字摄影测量的自动化生产奠定了坚实的基础。进一步将空三加密成果精度得到提高, 使大比例尺成图精度达到国家规范要求有了更高的保障。所以, POS辅助空中三角测量的技术更加完善, 其应用即将更加广泛。
同时, POS辅助空中三角测量解决了西部困难重重的地形复杂地区, 无法进行外业控制测量的难题, 使得测绘小比例尺图件成为现实。相信, 不久的将来在我国所有的疆域上不再有测绘者不能测量的地方, 使航空摄影测量在我国国民经济发展的西部大开发中发挥更大的作用。
2实验研究
2.1项目概况
新疆测区地处我国西北边陲, 地形以山间平原盆地和河谷地为主。测区东北部多为山地, 海拔较高;其他地区以山间平原盆地和低矮丘陵为主, 地势比较平坦, 地形起伏不大。地形类别以平地、丘陵地为主, 包含部分山地。
该实验数据选用新疆项目所获取的航空影像, 采用POS辅助航空摄影技术, 所使用的相机为UCXp相机, 相机焦距为100 mm, CCD面阵像元数为17 310×11 310, 像元尺寸为6 um, 设计影像地面分辨率为0.08 m, 相对航高为1 330 m。该实验选取了5条航线, 每条航线约27张影像, 共计133张影像。空三加密采用常规空三, POS辅助空三四点法、五点法、六点法进行区域网平差计算。
空三加密处理采用航空数据处理空三加密软件Pixel Grid, 其平差模块是国际上公认的光束法区域网平差软件PATB。该实验主要结合项目探讨分析在1∶1 000大比例尺测图情况下POS辅助空三的加密精度以及像控点布设的最优方案。
2.2常规空三加密实验
常规空三加密处理使用控制点布点方案如图1所示。
规范 (GB/T 23236-2009) 要求的加密精度[3]见表1所示, 该实验得到的常规空三加密处理精度见表2所示。
2.3 POS辅助空三加密实验
将解算得到的每张影像的高精度外方位元素作为空中三角测量的附加观测值导入到Pixel Grid空三加密软件中参与区域网平差, 分别采用四点法、五点法、六点法作为定向点, 其余作为检查点, 进行平差。
四点法:将4个控制点布设在实验区的四角。如图2所示。
五点法:将其中4个控制点布设在实验区的四角, 一个控制点布设约中间位置。如下图3所示。
六点法:在四点法的基础上, 实验区中间航线的两端各加布一个像控点。如下图4所示。
从表3可以看出POS辅助空三加密对于该测区采用五点法即可满足我国规范对于1∶1 000比例尺丘陵地地形的精度要求, 且加密精度与常规空三加密精度相差不大。从而可以得到在航线方向的跨度20条基线, 旁向跨度5条航线时布点, 采用五点法即可达到要求的精度。
此外, 在实验区5条航线的基础上, 进一步增加航线条数, 采用POS辅助五点法进行空三加密实验, 以得到满足精度要求情况下的最佳像控布设方案。
从表4可以看出增加航线数测区精度会有明显下降, 在旁向8条航线、航向每隔约20条基线布点是可以满足精度要求的, 但增加到9条航线就无法满足精度要求了。
2.4实验结果
该实验针对采用UCXP数码相机, 丘陵地形, 并满足1∶1 000比例尺的成图要求的测区进行论证。通过对整个试验过程的回顾, 事实证明, 区域网规模为5条航线, 27条基线时, 采用POS辅助空三加密, 布设5个控制点就能够达到规范所要求的精度, 所得到的加密成果完全可以满足实际应用。在航线增加到8条航线时, 航向每隔20根基线布点也可满足规范精度要求, 但是该项目在作业时为了保证精度没有大规模的采用这种布点方案, 只是在丘陵地区进行了小区域实验分析, 大规模区域布点以及复杂地形应用还需进一步进行应用实验研究。
3结语
机载POS辅助航空摄影测量对于我国测绘行业来说发展时间还不长, 相应的技术规范还不能做到面面俱到, 其在机载POS辅助航空摄影测量的区域网划分和布设方面还没有一个明确的规定[4]。通过POS辅助空中三角测量是一种实用、经济的摄影测量加密方法, 为航空摄影测量开辟了新的前景。POS辅助航空摄影测量满足平地、丘陵等地区精度要求的同时, 也可减少空三加密的繁重野外控制工作, 很好地解决山区、森林等困难地区的布点、 刺点、测量困难大等问题, 缩减成本, 提高作业效率。该文是POS辅助空中三角测量在实际生产中的应用实验, 从实验结果可以看出, 使用POS辅助定向法取得了较理想的精度。该文只是结合公司实施的项目进行了一次应用实验工作, 希望在以后的生产实践中能够提供有价值的技术参考, 使其能够更好的服务于国家各种测绘项目之中。
参考文献
[1]中华人民共和国国家标准.GB/T 27919-2011, IMU GPS辅助航空摄影技术规范[S].北京:中国标准出版社, 2011.
[2]王树根.摄影测量原理与应用[M].武汉:武汉大学出版社, 2009.
[3]GB/T 23236-2009, 数字航空摄影测量空中三角测量规范[S].北京:中国标准出版社, 2009.
空中移动目标位置测量系统设计 篇8
全球定位系统(Global Positioning System,GPS)自问世以来,以其全天候、全球覆盖和方便灵活等特点吸引了全世界众多领域的许多用户关注,并得到了广泛的应用。空中目标位置测量便是其中重要的应用之一,特别是在空中执行巡逻、采集城市交通信息、监视地面某区域状态的空间飞行器,其飞行状态监控不仅需要飞行器本身高精度的定位,还需要空中目标相对于地面移动站的相对位置信息,包括相对距离、方位角和高度角。本文根据实际应用要求,给出了一种利用差分GPS和无线数据链路的空中移动目标位置测量系统设计,实现了优于1 m的相对定位精度。实际测试结果验证了本文所给出的设计。
1系统设计
空中移动目标位置测量系统的总体框图如图1所示,包括差分站、空中目标和地面移动站3部分。
1.1差分站
差分站设备安装于地面的某一固定位置,由GPS接收机及天线、数传发送电台及天线等构成,用于GPS差分改正数的测量和广播,本系统中采用的差分数据为伪距差分数据,包括伪距改正数及其变化率,格式为RTCM电文1。电文1每帧长为(N+2)个字,每个字由30 bit构成。其中电文头2个字为通用电文,如表1所示。
电文信息在N个字当中,包含了观测到的每颗卫星的改正数,N随着观测到的卫星数不同而不同,表2为电文1的格式。每颗卫星由1 bit的比例因子(SF)、2 bit的用户差分测距误差(UDRE)、5 bit的卫星ID号(Satellite ID)、16 bit的伪距改正数(PRC)、8 bit的距离变化率改正值(RRC)以及8 bit的数据发布日期(IOD)组成,每颗卫星40 bit。
其中每隔24 bit加入6 bit的奇偶校验码,组成1个码字。由于40不是24的整倍数,最后一个码字的构成需要0 bit、8 bit或16 bit 的填充字(FILL)来填充,再和6 bit 校验码组成最后一个码字。
1.2空中目标
空中目标设备包括GPS接收机、空中目标处理器、2个数传电台及天线。接收电台接收RTCM差分信息并转送给GPS接收机,发送电台向地面移动站发送空中定位数据。空中目标处理器为嵌入式处理器,安装独立的操作系统,通过串口1接收差分GPS数据并且存储。数据重新打包后通过串口2给发送电台,实时向地面发送信息。空中向地面传输的数据格式如表3所示,每组数据36 bytes。
考虑到实现的简便性和可靠性,在串口通信中采用了简单准确的bcc异或校验法(block check character),将信息头到差分标识的每一个字节,都和初始值0异或一次,最后得到1字节校验码。
1.3地面移动站
地面移动站设备包括GPS接收机、地面移动站处理器、2个数传电台及天线和LCD显示屏。接收电台接收RTCM差分信息并转送给GPS接收机,接收机输出的定位数据由处理器进行存储处理。空中目标位置数据经由无线数据链路发送后,由另一接收电台接收并送给处理器进行处理。
地面移动站处理器装有独立的操作系统,通过2个串口接收空中目标和自身定位数据并且存储。同时,利用GPS接收机给出的UTC时间实现2组数据的同步,并计算在站心坐标系下空中目标对于地面移动站的相对位置,实时显示相对距离、方位角和高度角,更新率为1 Hz。
地面移动站软件实现可以采用多线程,2个辅线程分别接收空中目标和地面移动站的GPS数据并且存储,主线程实现两者的GPS时间同步、站心坐标的转换、计算相对位置并且实时显示。
2数据处理
2.1坐标转换
GPS接收机可以通过二进制或者ASCII码形式输出定位结果,其位置信息有WGS-84坐标系下的,也有地心空间直角坐标系下的。如果需要解算空中目标相对于地面移动站的相对距离、方位角和高度角,均需要转换为站心坐标系下进行解算,即将地面移动站的位置作为坐标原点,解算空中目标在该坐标系下的三维坐标值,并转换为相对距离、方位角和高度角。2个坐标系的转换关系如图2(a)所示,空中目标相对于地面移动站的三维坐标如图2(b)所示,其中,x表示正北方向;y表示正东方向;z表示垂直于地面。
假定空中目标的空间直角坐标为M(X,Y,Z),地面移动站的空间直角坐标为P(XP,YP,ZP),经纬度数值为P(B,L)。则转换为站心直角坐标(x,y,z)的转换为:
在站心直角坐标系下,空中目标相对于该坐标系原点的相对距离(ρ)、方位角(φ)和高度角(h)解算为:
式中,方位角φ正北为0,偏东为正;高度角h水平为0,向上为正。
2.2数据校验
由于无线数据链路在传输数据过程中,容易受到外界的干扰导致数据发生错误。为了防止空中目标相对地面移动站的相对距离、方位角和高度角解算错误,需要对数据进行校验。校验的基本思路是先对接收到的数据进行移位,而后再异或生成校验码进行比较,数据校验子函数如下所示:
3结果分析
根据本文给出的设计,研制了空中目标坐标测量系统,并进行了数据采集与处理试验,某次静态采集的三维坐标数据如图3所示,图3(a)为空中目标数据;图3(b)为地面移动站的数据。图3中各表示了100组静态数据,(X,Y,Z)坐标数值为实际数值的低4位。试验中,空中目标放置于某高楼顶层,在距离约1 km的地方安置差分基准站,地面移动站数据在另外一个距离约2 km的地方。
表4列出了空中目标和地面移动站三维坐标(X,Y,Z)的标准差,以及二者相对位置的标准差。可以看出,二者的相对距离标准差为0.322 m,方位角标准差为12.82″,高度角标准差为2.19″,空中目标与地面移动站的相对定位精度在1 m范围内。
4结束语
空中目标坐标测量系统采用差分GPS与无线数据传输结合方式,实现了相对定位精度优于1 m的技术要求,该系统实现简单,操作可行,能够在30～50 km范围内实现地面移动站对空中目标的定位和监控。为航模、飞艇等飞行器的定位与监控提供了一种实现方法,具有巨大的经济价值和实用价值。
参考文献
[1]王惠南.GPS导航原理与应用[M].北京:科学出版社,2003:27-29.
[2]许峻峰,许秉信.DGPS真值测量系统主要指标的选定[J].火力与指挥控制,2007,32(8):126-129.
