Advances in Geosciences
Vol.05 No.03(2015), Article ID:15556,6
pages
10.12677/AG.2015.53022
The Application and Research of GPS Three-Dimensional Information in Mountain Area Aerial Photogrammetric Mapping
Shaobo Zhong, Tingting Qu, Ming Chen
Hydrogeology and Engineering Geology Team of Hubei, Yichang Hubei
Email: zhong1840@sina.com
Received: Jun. 7th, 2015; accepted: Jun. 22nd, 2015; published: Jun. 29th, 2015
Copyright © 2015 by authors and Hans Publishers Inc.
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ABSTRACT
Using GPS three-dimensional information to determine the method and precision of control point coordinates of the photograph, and through the implementation of industry sector three-encryption detection and the analytic space work inside and outside, we prove that the method not only meets the 1:10,000 scale precision aerial mapping, but also improves the efficiency of 3 - 10 times more than traditional union measuring method. For survey areas under difficult visibility conditions and with less known large places, using multiple GPS control points is the best method.
Keywords:GPS Photo-Control Point Measurement, Accuracy, Three-Dimensional Information, GPS Baseline, Applied Research
GPS三维信息在山区航测成图中的应用与研究
钟少波，屈婷婷，陈明
湖北省水文地质工程地质大队，湖北 宜昌
Email: zhong1840@sina.com
收稿日期：2015年6月7日；录用日期：2015年6月22日；发布日期：2015年6月29日
摘 要
利用GPS三维信息确定像片控制点坐标的方法和精度，经内业解析空三加密和外业实施地检测，证明该方法不仅能够满足1:10,000比例尺航测成图的精度要求，而且较传统联测方法可提高工作效率3~10倍。对于通视条件困难和已知大地点较少的测区，用GPS联测像控点无疑是最佳方法。
关键词 :GPS像控测量，测量精度，三维信息，GPS网基线，应用研究
1. 引言
随着GPS定位技术不断发展，坐标平面精度已达到非常高的精度要求，并广泛应用于控制测量、大地形变测量等，由于受地域性大地水准面和电离层等因素影响，GPS高程精度在某些地区还不能满足规范要求，目前，在很多国家和地区GPS水准在平坦、低丘地区达到实际应用阶段，但在山区和丘陵，GPS测量高程信息还很少被利用，在本文GPS像控测量中，不仅满足1:10,000比例尺国家基本地形图成图需要，而且大大提高了野外作业效率。
2. 测区概况
测区位于东经112˚01'00~112˚18'28，北纬30˚51'50~31˚09'00范围内，包含平地、丘陵、山地，面积约2100 km2，困难类别为III类，测区地形因受地质构造的影响，形成半圆形盆地，北、东、南三面环山，中西部为丘陵，整个地势由东向西倾斜，西部最低处海拔164 m，东南部最高处海拔994 m。
测区内共包括1:10,000比例尺标准图80幅。
测区航摄资料为1994年航摄，像幅23 cm × 23 cm，航摄仪类型为RMK-A，焦距f为153.018 mm，摄影比例尺为1:35,000。航线沿图幅中心线布设，一条航线横跨一幅图，全区共包括12条航线。
测区内地形类别为：丘陵地17幅，由地60幅，高山地3幅，其基本等高距分别为2.5 m、5 m、10 m，测区平面系统为1980年西安坐标系，高程系统为1985年国家高程基准。
3. GPS像控测量
3.1. 像控点布设
首先根据不同成图方法和区域网布点的作业要求划分作业区域，全区共划分为5个区域。平高控制点按区域网法布设，其航向间跨度不大于6条基地。旁向间跨度不大于2条航线。高程控制点根据不同成图方法分别布设。其中对含有8幅全能法成图的II区，按平高区域网加密布设高程控制点、航线两端上下有一对高程控制点，其间再布设三排高程控制点。对III、IV、V区中5幅全能法成图的图幅。高程控制点按全野外布设。其他区域因采用正射影像图套合原地貌版的成图方法，故外业不再布设高程控制点。
全测区共布设平高控制点31个，高程控制点29个(图略)。
3.2. 像控点GPS测量
1) GPS网布设
根据地形类别和成图方法，对位于丘陵地区(II区)的9个平高控制点和全部高程控制点采用光电测距导线的方法求定。本文不再赘述。位于山区或高山区的22个平高控制点用GPS方法求取。根据像控点的分布情况，GPS网分两网布设，其中北部网(W1)共包括10点，平均边长9.5 km；东南部网(W2)共包括22点，平均边长11.7 km。GPS布网情况见表1 (网图略)。
2) GPS数据采集
GPS数据采集使用3台Trimble4600LSGPS接收机(标称精度5 mm + 1 × 10−6 D)同步观测，每时段观测1 h。同步接收卫星个数最多8颗，最少5颗，卫星高度角均大于15˚，数据采样率为15 s，PDOP值最大为5.4，接收机与卫星间的图形强度良好。
3) GPS网基线向量检核
GPS网基线向量的解算使用随机软件GPSurvey2.11在微机上进行，各基线向量的模糊度检验倍率Ratio值(质量因子)一般在20以上，全部基线均为固定双差解(Fixed)。
基线向量的检核包括同步环和复测基线两类，其限差按《全球定位系统(GPS)测量规范》(以下简称《GPS规范》)执行，即：
同步环[1] ：
(1)
(2)
复测基线：
(3)
式中，
，
为平均边长，以km为单位。
从表2、表3可以看出，GPS网基线解算精度较高，完全满足《GPS规范》的限差要求，质量可靠。
4) GPS网平差计算
GPS网平差计算使用GPSurvcy2.11软件在微机上进行。
① 三维无约束平差
GPS网三维无约束平差在WGS84坐标系中进行。其目的在于考核GPS网的内部符合精度，亦即处理由于多余观测误差而引起的网内不符值问题。GPS网中全部基解向量均参与平差计算，并顺利通过x2检验和T检验，说明泰沂测区GPS网内部符合精度比较高，观测值不含粗差，由各向量解所确定的协方差阵的相互比例关系合理，结果正确。
② 二维约束平差
GPS网二维约束平差在国家二、三等三角点约束下进行[1] 。为了检核基点(已知点)及GPS网的可靠性，在GPS数据采集时联测了二等(补充)三角点1个，二级军控点2个，在平差计算时作为未知点处理，用以比较GPS坐标与原坐标的差值。平差中GPS网能比较好地符合于基准点上。说明GPS网的观测精度及原二、三等三角点的点位精度均比较好。平差后点位中误差及检查点的坐标较差情况见表4。
5) GPS网高程拟合
由于测区内供联测的已知点较少，GPS网高程拟合采用平面拟合法。W1网已知高程点4个，其中用于拟合基准点3个。检查点1个(均为水准点)；W2网已知高程点6个，其中用于拟合基准点4个(3个水准点、1个三角高程点)、检查点2个(均为三角高程点)。检查点高程拟合结果与已知高程之差为：W1网
Table 1. GPS network deployment statistics
表1. GPS网布设情况统计表
Table 2. Synchronous loop closure statistics m/m
表2. 同步环闭合差统计表m/m
注：上表内同步环闭合差均为绝对值。
Table 3. GPS point accuracy and checkpoint coordinate poor statistics
表3. 复测基线较差统计表
Table 4. GPS point accuracy and checkpoint coordinate poor statistics
表4. GPS点位精度及检查点坐标较差统计表
+0.042 m，W2网中两点分别为+0.158 m和−0.310 m。从3个高程检查点的高程较差情况看，在山区的局部区域，即使采用平面拟合法，其高程精度也完全满足1:10,000测图需要。
4. 内业加密及精度检验
根据外业布设的平高控制点的GPS三维成果，按照规范要求对成图所需的高程点进行了解析空三内业加密。为了检核外控点的精度和满足正射影响像制作的需要，对外业实测的11个高程检查点和从原1:10,000地形图上选取的明显地物点也一并进行了内业高程加密。各区域基本定向点、多余控制点的不符值及公共点较差、区域接边差均符合《GB/J13990-92 1:5000、1:10,000地形图航空摄影测量内业规范》(以下简称《航内规范》)的要求，详见表5。
解析空三内业加密经平差配赋后各平高控制点(Pi)、高程控制点(Gi)的加密高程值与外业实测值之较差及原1:10,000地形图上明显地物点(Li)的加密高程值与原高程值之较差情况见表6。
因为外业实测像片控制点(包括平高控制点和高程控制点)和内业加密和点均含有误差，所以像片控制点的高程中误差为[1] ：
(4)
式中：n为表6中像片控制点高程不符值个数，n = 60。
如果我们将像片控制点的外业实测高程值作为似真值，则内业加密高程中误差为：
(5)
按(4)、(5)计算的像片控制点的高程中误差和内业加密高程中误差分别是±0.355 m和±0.502 m，远高于《航内规范》的精度要求。
为了检查像片控制点和内业加密点的精度，内业加密高程与实测值较差均在±1.0 m以内，平均为±0.328 m，也完全符合《航内规范》的精度要求，详见表7。
5. 结论
1) 从表5~7的各项精度统计看，利用GPS三维信息求定像控点的位置，其精度完全满足1:10,000和1:5000比例尺航测成图的需要。就本文的像控点精度而言，绝大部分图幅已达到了1:2000比例尺航测成图的精度要求。
2) 在用传统方法进行像控点联测时，往往需要做大量的过渡点，工作效率比较低，而采用GPS方法联测，因不受地形和通视条件的影响，工作效率比传统方法可高3~6倍；而对于隐蔽地区和已知大地点较少的测区，其工作效率可提高10倍以上[2] 。
3) 采用传统方法测定像控点，因受加密级次、作业员素质、地形条件等多种因素的影响，其点位精度因点而异，且常伴有粗差；而用GPS方法直接测定像控点坐标，避免了逐级控制误差的传递积累，点位精度高且均匀一致，成果可靠。
Table 5. Analytical aerial triangulation precision statistics
表5. 解析空三加密精度统计表
Table 6. Interior work encryption elevation accuracy statistics/m
表6. 内业加密高程精度统计表/m
Table 7. Elevation checkpoint elevation discrepancy statistics/m
表7. 高程检查点高程较差统计表/m
4) 因为GPS方法可同时获得平面坐标和高程三维信息，所以联测像控点时可不区分平高控制点和高程控制点，而统一按平高控制点布设，这样在区域网解析空三加密时，可将多余的控制点作为检查点，则能更方便、有效地考查像控点和加密点的精度。
5) 本文所述II区的像控点是用传统方法施测的，从表6、表7的精度统计看，与其他各区用GPS方法联测像控点的精度相当，没有明显差异，从而也说明GPS方法联测像控制点经济、可靠、且与传统方法可同时使用。
6) 在局部山区1:10,000比例尺成图中，GPS高程采用平面拟合法即可达到精度要求；但对于比例尺成图，则一般需在测区周围和中部至少联测6个水准高程点，采用曲面拟合法求取各GPS点的正常高，以确保GPS高程拟合的精度[3] 。
7) 从本文的解析空三加密及高程检查点的精度情况看，像控点的精度还不能满足1:2000及更大比例尺航测成图的要求，因此，对于大比例尺航测成图中GPS三维信息的利用问题，还有待进一步试验研究。
文章引用
钟少波,屈婷婷,陈 明, (2015) GPS三维信息在山区航测成图中的应用与研究
The Application and Research of GPS Three-Dimensional Information in Mountain Area Aerial Photogrammetric Mapping. 地球科学前沿,03,186-192. doi: 10.12677/AG.2015.53022
参考文献 (References)