基于 S WDC的青藏高原大比例尺航空摄影研究

李 峰

(中国测绘科学研究院,北京 100039)

基于 S WDC的青藏高原大比例尺航空摄影研究

李 峰

(中国测绘科学研究院,北京 100039)

通过用轻型小飞机搭载国产 S WDC系列相机在青藏高原上进行航空摄影的研究,采用 GPS辅助空三、地面布设稀少控制点的方法,证明在青藏高原可以进行大比例尺航空摄影任务,从而解决了在高海拔地区采用常规方式测图任务繁重的难题。它可以作为我国西部测图工作的参考。

S WDC;精密单点定位;GPS辅助空三;稀少控制点

一、前 言

我国测绘行业近十几年来发展迅猛,但仍不能满足各行业对空间信息数据的需求,而对地观测技术因其作业方式落后,自动化、智能化程度低等原因严重制约着我国航空航天测绘生产力的发展,因此航空摄影测量这一新一代的测绘技术应运而生[1]。随着电子科技和数码科技的发展,数码相机因其快速高效的特点越来越受到航空摄影测量工作者的青睐,针对数码航空摄影测量的仪器也就应运而生,美国的UCD、UCX,英国的DMC、ADS40是国外数字航摄仪的代表,而 S WDC(Siwei digital camera)则成为国产航空数码相机的代表产品,它具有高分辨率、高几何精度、体积小、重量轻等特点,其独特的镜头具有视场角大、基高比大、高程精度高、真彩色、镜头可更换等优势,更区别于进口产品,近几年在国内业界得到广泛重视,其应用迅速得到拓展。

我国青藏高原海拔高、氧气稀薄、气候恶劣、交通不便、人烟稀少,这对常规测图是极大的挑战,我国很大一部分无图区就位于这里,这也给国家的土地调查带来了很大的困难。为了克服常规测图所面对的困难,本文用航空摄影测量、GPS辅助空三的方法进行了大比例尺成图的试验。

GPS辅助空中三角测量从 20世纪 70年代开始研究,至今已有近 40年的发展历程,其可大量减少地面控制点,缩短航测成图周期,降低生产成本,已被广泛应用于大区域、中小比例尺、困难地区的航空摄影测量地形测图中,产生了明显的社会和经济效益[2]。但是,以前的 GPS辅助空三需要地面安置基站,即必须同时要有 2台 GPS接收机进行工作,这种作业方式不但提高了航空摄影的成本,而且在困难地区的应用受到一定的限制。随着 GPS技术的发展,全球连续运行跟踪站日益增多,IGS可提供精度优于 ±5 cm的精密星历,卫星钟差改正数可达到0.1～0.2 ns,GPS接收机的性能也不断得到改善,大气延迟模型越来越精确,削弱对流层和电离层延迟误差的方法亦不断得到完善,非差分单机实现高精度定位成为可能[3]。Zumberge等提出了利用 GPS精密星历、卫星钟差和双频载波相位观测量,采用非差分模式进行精密单点定位的方法,并且在处理单机静态观测数据时取得了厘米级的定位结果[4-5]。随后,Muellerschoen等提出了利用非差分双频载波相位观测值,在初始化后进行单历元精密单点定位方法,以实现全球范围内的实时动态定位[6-7]。目前,该方法用于动态航空测量已达到厘米级的精度[8]。

二、SWDC介绍

S WDC系列数码航空相机是基于瑞典 Hasselblad H系列数码相机,分辨率为 4 000像素 ×5 000像素,集成了重力二维稳定平台、数字罗盘、κ电动调节、空管 PC104嵌入式计算机和 GPS定位、记录等的系统。S WDC采用外视场拼接技术,现有的有两拼和四拼两种。它体积小、重量轻,因此可以用蜜蜂飞机作为其搭载平台。

S WDC除具有一般数码航空相机特性外,最大的特点是镜头可更换,分别有 35 mm、50 mm、80 mm三种焦距。其视场角大,基高比大,可以提高高程测量精度;GPS的联合使用不仅实现了空中定点曝光,而且 GPS辅助空三使航摄外业控制的工作量大大减少;完备的处理软件使影像数据的接口更加通用化,制作的 4D产品质量更高。因此,它满足从1∶500～1∶10 000比例尺的常规航空摄影。另外,采用单点定位技术的 GPS辅助空三大大减少了野外工作量,这在我国的东部地区得到了广泛的应用。2007年底,S WDC在拉萨地区完成了 1∶1万成图的航飞任务,取得了满意成果。但是青藏高原上的大比例尺地形图都是通过常规测量方式得到的,能否采用航空摄影的方式来获得高原大比例尺地形图呢?2008年下半年,在西藏的两个地区作了用航摄的方法获取高原大比例尺地形图的试验。

三、试验介绍

1.摄影仪介绍

本次试验采用蜜蜂-3型飞机作为搭载平台。由于高原缺氧,导致飞机的动力不如东部平原,为了减少重量,采用 S WDC系列的两拼航摄仪,即带有两个单镜头的航摄仪。

主要技术指标如下：

1)焦距：35.7mm;

2)像素尺寸：6.8μm;

3)像素个数：11 000×6 800;

4)视场角：94°/67°;

5)镜头畸变：＜2μm。

单镜头参数如表 1所示。

表1 单镜头参数

2.试验介绍

选择在西藏的那曲县和安多县进行 1∶1 000成图试验。那曲县位于西藏自治区北部,地处唐古拉山脉与念青唐古拉山脉之间,海拔均在 4 450 m以上,境内多山,属高原丘陵地形;安多县地处西藏北部,著名的唐古拉山脉南北两侧,县城所在地位于109国道 3 420～3 430 km处。该县地形属高原山川类型,平均海拔在 4 700 m以上。这两个县区的气候条件相似,全年可进行航空摄影的晴天数一般,较适合进行大比例尺航空摄影的晴天数较多。其中,那曲测区东西宽约 5 km,南北长约 4.5 km,面积约 23 km2,区域范围：经度 92°02′00″～92°05′45″,纬度 31°27′10″～31°30′10″;安多测区东西宽约6 km,南北长约 4.5 km,面积约 27 km2,区域范围：经度 91°38′45″～91°42′30″,纬度 32°14′～32°17′。两测区区域图如图 1、图 2所示。

图1 那曲测区范围

图2 安多测区范围

为了减少空中作业量,本次试验采用窄像对式飞行设计：地面分辨率为 10 cm,飞行相对高度为525m,航向重叠为 65%,旁向重叠为 35%。

由于在 GPS辅助航空摄影测量中,可以无须布设地面基准站,通过采用区域四角布设平高地面控制点,利用 GPS精密单点定位所获取的摄站坐标进行 GPS辅助光束法区域网平差就可以达到和差分GPS定位后的摄站坐标平差后基本一致的精度,完全可以满足我国现行航空摄影测量规范要求[9]。所以,这里采用构架航线加四角布设平高点控制、中间布设检查点的方式。由于担心地面控制点遭到破坏,在每个控制点的位置布设了控制点对,即在控制点位置附近同时布设相距不远的两个点。航线和控制点示意图如图 3所示。

图3 航线和控制点示意图

在本次试验中,那曲测区布设控制点和检查点共 18个,其中 2个遭到破坏,16个可用,获得影像323张;安多测区布设控制点和检查点 12个,其中 2

图4 那曲历元中误差

2.GPS辅助空中三角测量

高原地区空气稀少,野外工作困难重重。为了减少外业工作量,采用 GPS辅助空三的方法进行加密,个遭到破坏,10个可用,获得影像 340张。

四、数据处理

1.空中 GPS数据解算

空中摄站坐标采用武汉大学研制的动态 GPS精密单点定位软件 Trip进行精密单点定位获取,这种软件解算数据的内符合精度可以达几个厘米的水平,可以实现亚分米级的飞机动态定位,能在不需要地面基准站的条件下达到双差固定解相当的精度水平[10]。解算后摄站点坐标中误差那曲测区为 ±0.12m,安多测区为 ±0.14m。图4、图5为两测区的历元中误差。解算软件采用中国测绘科学研究院编写的软件Map-AT,解算结果如表 2所示。解算结果限差取值按地形图航空摄影测量内业规范规定的值,如表3所示。

图5 安多历元中误差

表2 带四角控制的 GPS辅助光束法区域网平差精度

表 3 内业规范规定限差(山地)

由表 2可以看出：①那曲测区的多余控制点不符值最大为平面 0.31m,小于 0.7 m;高程不符值最大 0.29 m,小于 0.6 m。完全符合我国规范对于1∶1 000比例尺山地地形测图航测内业的规定。②安多测区的多余控制点不符值最大为0.29m,小于 0.7m;高程不符值最大0.3m,小于0.6m。完全符合我国规范对于 1∶1 000比例尺山地地形测图航测内业的规定。③这两个测区检查点的中误差值基本相近,说明数据有很好的可靠性。

五、结束语

通过上述结果可以看出,那曲和安多这两个测区的结果完全可以满足 1∶1 000比例尺地形图的需要。这说明 S WDC在西藏高海拔地区通过 GPS辅助空三的手段进行大比例尺航空摄影测图取得了成功。它无须地面基站,通过飞行构架航线布设少量地面控制点即可满足大比例尺成图的需要,这在西部地区,特别是海拔高、作业困难的地区可以大大减少外业的工作量,减少作业成本。本次高海拔、大比例尺成图试验的成功可以作为我国西部作业困难区域地形图更新的借鉴。

[1] 朱肇光,孙护,崔炳光.摄影测量学[M].北京：测绘出版社,1995.

[2] 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.

[3] 袁修孝,付建红,楼益栋.基于精密单点定位技术的GPS辅助空中三角测量 [J].测绘学报,2008,36(3)：251-255.

[4] ZUMBERGE J F,HEFL IN M B,IEFFERSON D C,et a1. Precise Point Positioning for the Efficient and Robust A-nalysis of GPS Data from Large Networks[J].Journal of Geophysical Research,1997,102(B3)：5005-5017.

[5] ZUMBERGE J F,WATK INSM M,WEBB F H.Characteristics and Application of Precise GPS Clock Solution Every 30 Seconds Navigation[J].Navigation,1998,44 (4)：449-456.

[6] 刘智敏,林文介.GPS非差相位精密单点定位技术的发展[J].桂林工学院学报,2004,24(3)：340-344.

[7] 刘经南,叶世榕.GPS非差相位精密单点定位技术探讨[J].武汉大学学报：信息科学版,2002,27(3)：234-240.

[8] 张小红,刘经南,FORSBERG R.基于精密单点定位技术的航空测量应用实践[J].武汉大学学报：信息科学版,2006,31(1)：19-22.

[9] 袁修孝.当代航空摄影测量加密的几种方法[J].武汉大学学报：信息科学版,2007,32(11)：1001-1006.

[10] 张小红.动态精度单点定位 (PPP)的精度分析[J].全球定位系统,2006(1)：7-11;22.

Study of Large-scale Map Aerial Photogrammetry in Qingha i-Tibet Plateau Based on SWDC

L I Feng

0494-0911(2010)07-0009-03

P23

B

2009-09-09

科技部支撑项目(2008BAK491302-1);国家高科技研究发展 863计划项目(2008AA121300)

李 峰(1981—),男,山东临沂人,助理工程师,主要从事航空摄影测量方面的工作。