郭鵬飛

(河南省測(cè)繪工程院，河南 鄭州 450002)

1 引言

隨著我國(guó)測(cè)繪地理信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，數(shù)字城市建設(shè)的步伐不斷加快，快速高效地獲取影像資料以及影像數(shù)據(jù)的快速處理是實(shí)現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)及時(shí)更新的保證。傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)(基于單模型測(cè)圖)雖然解決了部分需求，但是仍然需要較繁重的航測(cè)外業(yè)工作(包括像控和調(diào)繪)。隨著ADS80數(shù)碼航空攝影系統(tǒng)的出現(xiàn)以及數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)的日漸成熟，這些問(wèn)題得到了根本性的解決，本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際就ADS80技術(shù)體系在“數(shù)字城市”基礎(chǔ)測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

2 ADS80系統(tǒng)特點(diǎn)

ADS80數(shù)字航攝儀是目前國(guó)際上最先進(jìn)的推掃式數(shù)字航攝系統(tǒng)之一。它是基于航天傳感器線陣掃描(CCD)和全球定位系統(tǒng)(GPS)、高精度的慣性導(dǎo)航定向系統(tǒng)(IMU)的集成。利用航天傳感器12 000像元三線陣掃描原理，一次飛行就可以同時(shí)獲得前視，底視和后視具有100%三度重疊、連續(xù)無(wú)縫的地面立體影像，可為數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)、遙感圖像處理系統(tǒng)提供高分辨率的全色、真彩色、近紅外數(shù)字影像。同時(shí)，該系統(tǒng)綜合使用POS、GPS精確導(dǎo)航定位，大大減少了外業(yè)地面控制的工作量。

3 ADS80在“數(shù)字商城”中的應(yīng)用

3.1 任務(wù)概況

為了發(fā)展地理空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，形成唯一，統(tǒng)一和權(quán)威的地理公共服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)空間信息資源的開發(fā)利用和共建共享，加快數(shù)字城市的建設(shè)，“數(shù)字商城”建設(shè)成功啟動(dòng)。測(cè)區(qū)涉及縣城規(guī)劃區(qū)和發(fā)展區(qū)面積約為200 km2的范圍。地形涉及平地，丘陵地和山地三種地形類別。

3.2 生產(chǎn)技術(shù)流程(如圖1)

圖1 生產(chǎn)技術(shù)流程圖

3.3 ADS80航空攝影

商城位于河南省東南部，從氣候條件、空域條件、地形地貌條件等綜合分析，測(cè)區(qū)航空攝影困難等級(jí)屬于三類區(qū)域，攝區(qū)航線基本屬于南北航向，測(cè)區(qū)飛行面積約200 km2。利用ADS80航攝儀相配套的FPES設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了航線設(shè)計(jì)，測(cè)區(qū)共設(shè)計(jì)飛行航線為13條。根據(jù)飛行要求和天氣，飛行了2個(gè)架次完成航攝任務(wù)，地面分辨率0.09 m。

此次航攝采用有地面基準(zhǔn)站配合的作業(yè)方式，基準(zhǔn)站架設(shè)在測(cè)區(qū)中部范圍內(nèi)，選取了2個(gè)已知D級(jí)GPS控制點(diǎn)，采用2臺(tái)天寶5700雙頻GPS接受機(jī)架設(shè)在點(diǎn)上，基準(zhǔn)點(diǎn)位距離測(cè)區(qū)的邊緣不超過(guò)30 km，基站位于開闊處，附近無(wú)電波干擾。觀測(cè)條件和技術(shù)參數(shù)滿足各項(xiàng)技術(shù)規(guī)程。在2個(gè)架次13條飛行航線的過(guò)程中，空中地面各項(xiàng)儀器指標(biāo)正常，飛行情況符合要求。

3.4 像控點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量

(1)布設(shè)

本測(cè)區(qū)像控點(diǎn)按四角和中心布設(shè)方案，測(cè)區(qū)200 km2共設(shè)計(jì)布設(shè)了28個(gè)像控點(diǎn)。像控點(diǎn)選定均按照規(guī)范要求和像片條件進(jìn)行了初選，點(diǎn)位的位置均選在各相鄰航線的影像上，影像清晰可見(jiàn)的明顯地物點(diǎn)上，同時(shí)像控點(diǎn)選刺應(yīng)同時(shí)滿足平面和高程控制點(diǎn)對(duì)點(diǎn)位目標(biāo)的要求，并在像片上標(biāo)出概略位置，便于外業(yè)工作引導(dǎo)。

(2)聯(lián)測(cè)

28個(gè)像控點(diǎn)均進(jìn)行了實(shí)地選點(diǎn)刺點(diǎn)。像控點(diǎn)WGS－84坐標(biāo)的聯(lián)測(cè)采用HNCORS系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)設(shè)，每個(gè)像控點(diǎn)目標(biāo)均測(cè)設(shè)了3次，確保各項(xiàng)誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，取3次平均值為像控點(diǎn)成果值。每個(gè)像控點(diǎn)的刺點(diǎn)，整飾和說(shuō)明嚴(yán)格按技術(shù)要求刺在電子文檔上。第二人按要求進(jìn)行了實(shí)地獨(dú)立檢查。像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)如圖2所示。

圖2 像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)示意圖

3.5 ADS80數(shù)據(jù)預(yù)處理

ADS80是一臺(tái)基于三線陣推掃式航攝相機(jī)，其中集成了POS系統(tǒng)，可以在航攝的同時(shí)獨(dú)立記錄GPS相位中心的精確位置和高頻記錄IMU的姿態(tài)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行GPS和IMU數(shù)據(jù)聯(lián)合處理后可以得到航攝過(guò)程中航攝儀高頻精確的空間位置和姿態(tài)信息。通過(guò)內(nèi)插可以得到每一個(gè)掃描線曝光瞬間的投影中心的空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。因此通過(guò)ADS80獲取到的地面掃描影像是一條條直接具有外方位元素的掃描線。

(1)外方位元素求解

ADS80內(nèi)業(yè)解算主要是基于GPro、IPAS、APM和Orima軟件進(jìn)行計(jì)算，在航飛結(jié)束后，利用同步基站GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，聯(lián)合機(jī)載GPS和IMU數(shù)據(jù)以及航攝時(shí)間記錄進(jìn)行解算，獲得投影中心精確的空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。

(2)空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量的目的是獲得高精度的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)所需的像片內(nèi)外方位元素和數(shù)字影像糾正點(diǎn)等元素?cái)?shù)據(jù)。本項(xiàng)目使用ORIMA自動(dòng)空中三角測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行加密，測(cè)區(qū)劃分為一個(gè)加密單元。采用IMU/DGPS輔助空三技術(shù)手段，用地面基站加外業(yè)像控點(diǎn)處理數(shù)據(jù)。在引入外業(yè)像控點(diǎn)大地坐標(biāo)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)的聯(lián)合平差計(jì)算時(shí)，像控制點(diǎn)的量測(cè)采用人工觀測(cè)。加入IMU/DGPS輔助航空攝影得到的6個(gè)外方位元素初值作為帶權(quán)觀測(cè)值參與平差，用加密成果進(jìn)行定向。無(wú)約束平差和約束平差空中三角測(cè)量數(shù)據(jù)處理精度及各種限差均滿足技術(shù)要求。空三平差加密成果經(jīng)外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)驗(yàn)證時(shí)符合精度要求。

空三完成后，輸出L1級(jí)影像，Odf文件(影像定向文件);SUP文件(頭文件)

Cam文件夾(相機(jī)文件);ads文件(影像頭文件，內(nèi)含程序要讀入的影像名稱成果)。

3.6 立體測(cè)圖

空中三角測(cè)量完成后，空三加密成果是在WGS－84坐標(biāo)系統(tǒng)下所做的平差處理，要實(shí)現(xiàn)測(cè)繪項(xiàng)目“4D”產(chǎn)品的具體實(shí)施，就需要進(jìn)行平面坐標(biāo)和高程系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換。

(1)平面坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

通常采用七參數(shù)法，在進(jìn)行七參數(shù)計(jì)算時(shí)，一定要搞清楚原GPS成果坐標(biāo)系框架。ADS數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)獲取的是WGS－84坐標(biāo)系，如采用地面基站差分GPS處理聯(lián)合計(jì)算，所得到的GPS成果就和地面基站坐標(biāo)框架一致。如采用PPP無(wú)基站單點(diǎn)定位計(jì)算，得到的是WGS－84瞬時(shí)坐標(biāo)系，則需要進(jìn)行歸化改正?！皵?shù)字商城”空三成果是聯(lián)合地面基站計(jì)算，保證了空三成果和測(cè)區(qū)D級(jí)GPS控制點(diǎn)WGS－84坐標(biāo)系統(tǒng)是一致的。故只需把測(cè)區(qū)范圍內(nèi)分布均勻的D級(jí)GPS點(diǎn)按布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型轉(zhuǎn)換即可。其中WGS－84作為原坐標(biāo)系Ⅰ，CGCS2000坐標(biāo)系作為目的坐標(biāo)系Ⅱ。模型公式為:

其中:△x、△y、△z為平移參數(shù)，以m為單位;

εx、εy、εz為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，以弧度為單位;

S為尺度比變化參數(shù)，無(wú)名數(shù)，ppm。

(2)高程系統(tǒng)改正

高程的計(jì)算，現(xiàn)在一般采用兩種方法改正:一是采用省內(nèi)2'×2'大地水準(zhǔn)面精化成果對(duì)大地高進(jìn)行高程異常改正計(jì)算，如:*.bin(高程異常修正文件)。二是采用測(cè)區(qū)分布均勻的GPS控制點(diǎn)用水準(zhǔn)擬合法求得。同樣，在轉(zhuǎn)換時(shí)也要注意WGS－84和大地水準(zhǔn)面精化成果間坐標(biāo)系統(tǒng)關(guān)系。由于商城測(cè)區(qū)布設(shè)了高密度的GPS水準(zhǔn)點(diǎn)，故高程異常值的求得是在范圍內(nèi)選取一定數(shù)量的D級(jí)GPS點(diǎn)按二次曲面擬合公式而得。

3.7 精度檢測(cè)

ADS80系統(tǒng)在“數(shù)字商城”工程測(cè)繪應(yīng)用中，通過(guò)信息反饋，工作效率高，社會(huì)反響較好，數(shù)據(jù)成果也有較高的數(shù)學(xué)精度。下面是筆者參與“數(shù)字商城”1∶1 000比例尺地形圖精度檢測(cè)情況。

(1)平面精度檢測(cè)

隨機(jī)在作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)選定26幅內(nèi)業(yè)采集的數(shù)據(jù)符號(hào)圖作為平面檢測(cè)樣圖，儀器選用拓?fù)淇等緝x，在已知一級(jí)和圖根控制點(diǎn)上架設(shè)，在圖幅均勻范圍內(nèi)選取30個(gè)～40個(gè)內(nèi)業(yè)采集數(shù)據(jù)目標(biāo)點(diǎn)為樣本點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。目標(biāo)點(diǎn)選取為沒(méi)檐的房子，花池角等明顯地物點(diǎn)上。以內(nèi)業(yè)采集坐標(biāo)數(shù)據(jù)和野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)精度如表1所示。

平面檢測(cè)精度統(tǒng)計(jì)表 表1

(2)高程精度檢測(cè)

隨機(jī)在作業(yè)區(qū)選定27幅內(nèi)業(yè)采集的數(shù)據(jù)符號(hào)圖作為高程檢測(cè)樣圖，儀器選用拓?fù)淇等緝x和GPS Trimble 5700檢測(cè)，在圖幅均勻范圍內(nèi)選取35個(gè)內(nèi)業(yè)采集數(shù)據(jù)目標(biāo)點(diǎn)為樣本點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，目標(biāo)點(diǎn)選取在硬化路面，易判繪的地面和非鋪狀地面上，精度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

高程檢測(cè)精度統(tǒng)計(jì)表 表2

(3)檢測(cè)結(jié)論

通過(guò)野外檢測(cè)，內(nèi)業(yè)計(jì)算分析比較統(tǒng)計(jì)，ADS80數(shù)字航空攝影測(cè)量系統(tǒng)生產(chǎn)的大比例尺地形圖產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，平面和內(nèi)業(yè)測(cè)設(shè)高程成果符合城市大比例尺測(cè)繪地形圖精度要求，達(dá)到技術(shù)規(guī)范指標(biāo)。

4 結(jié)論

從ADS80數(shù)碼航空攝影系統(tǒng)在“數(shù)字商城”中成功應(yīng)用表明:ADS80系統(tǒng)最大限度地減少外業(yè)像片控制測(cè)量任務(wù)，縮短了項(xiàng)目工期和成本;三線陣攝影技術(shù)，影像信息量豐富，前視，下視和后視三個(gè)條帶數(shù)據(jù)可以配成3個(gè)彩色立體像對(duì)測(cè)圖，通過(guò)像對(duì)間數(shù)據(jù)補(bǔ)充，大大減少遮擋范圍，減輕了外業(yè)補(bǔ)測(cè)工作量，在DLG立體測(cè)圖，DEM提取，DOM制作過(guò)程中采用整條帶作業(yè)模式，減少了圖幅拼接，影像處理等數(shù)據(jù)處理工作;橫向重疊度大，提高模型點(diǎn)連接精度，空三和測(cè)圖結(jié)果可靠性增強(qiáng);同時(shí)通過(guò)檢測(cè)ADS80解決了航空攝影測(cè)量大比例尺地形圖內(nèi)業(yè)測(cè)設(shè)高程精度問(wèn)題，從而減輕了野外高程點(diǎn)測(cè)設(shè)任務(wù);ADS80數(shù)據(jù)通用性較強(qiáng)，如:LPS、PixeFactory、Infho、Ssk、JX4、Virtuozo、Mapmatrix 等國(guó)內(nèi)外通用軟件均可以兼容。這一系列的優(yōu)勢(shì)將極大地推動(dòng)基礎(chǔ)地理信息獲取技術(shù)及“數(shù)字城市”的發(fā)展。

［1］張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，1997.

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