GPS辅助空中三角测量

主要内容1. 传统空中三角测量方法回顾2. GPS 辅助空中三角测量思想3. GPS 辅助光束法区域网平差4. 中国境内GPS 辅助空三试验5. 不久将来的航空摄影测量业ZY高程控制点平高控制点待定点²利用安装于飞机上与航摄仪相连接的和设在地面一个或多个基准站上的至少两台GPS 信号接收机同步而连续地观测GPS 卫星信号、同时获取航空摄影瞬间航摄仪快门开启脉冲，经GPS 载波相位测量差分定位技术的离线数据后处理获取航摄仪曝光时刻摄站的三维坐标，然后将其视为带权观测值引入摄影测量区域网平差中，经采用统一的数学模型来整体确定地面目标点位和像片方位元素，并对其质量进行评定的理论、技术和方法GPS-supported Aerial Triangulation二、GPS 辅助空中三角测量思想ZY待定点高程控制点平高控制点作业流程现行航空摄影系统改造及偏心测定带GPS信号接收机的航空摄影解求GPS摄站坐标GPS摄站坐标与摄影测量数据联合平差，以确定目标点位并评定其质量天线Zu vwX,Y,Z X s,Y s,Z sZX Y单差分方式相对动态GPS定位示意图带GPS 的航空摄影GPS 摄站坐标解求状态方程观测方程k k k k k 1k 1k k 1k k,k k V d D X H Y W Γb B X ΦX ++1+=+=−−−−依照Kalman 滤波递推算法，求出每一观测历元机载GPS天线的空间坐标利用插值方法，由相邻两个历元的机载GPS 天线位置内插航摄仪曝光时刻GPS 摄站坐标三、GPS 辅助光束法区域网平差从投影中心与机载GPS天线相位中心几何关系出发，将GPS摄站坐标视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v w ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⋅=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡s s s A A A Z Y X w v u Z Y X R⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⋅−+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⋅+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡ZY XZY XS S S A A A b b b t t a a a w v u Z Y X Z Y X )(0R 测算⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⋅−+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⋅+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡A A A A A A Z Y X Z Y X S S S A A A ZY XZ Y X Z Y X b b b t t a a a w v u Z Y X Z Y X v v v AAA ∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆κ∆ω∆ϕ∆κωϕ)(,,,,0Rgg g s s c s c c x c x x P l Dd Rr tA V P l cE V P l xE V E l Cc Bx At V 权,权,权,权,−++=−=−=−++=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡••••••++••g g g g ss x g g x x c x g g g g g g g l P D l P R l P l C l P A l A l P l B d r c t x D P D R P D A P D D P R R P R AP R P C C A C B C D P A R P A C A AP A A A B A C B A B P B B T T T T T TTT g T T T g T T T T TT T g T T T T T c T ++++A B C D E F G H I J K L M c r d 119(Wuhan Combined Bundle Adjustment for GPS data and photogrammetricGPS 辅助光束法平差系统WuCAPS(Wuhan Combined Bundle Adjustment for GPS data and photogrammetric observations)¾用于摄影测量与遥感高精度点位测定软件包¾以共线条件方程为出发点，容当代的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，发展了自己的一整套算法并予以程序实现¾自1985年开始研制，至今已完成了MS-DOS 和Windows 两个版本¾目前，该系统正在测绘生产单位、科研部门和学校教学实践中广泛使用WuCAPS界面WuCAPS功能模块WuCAPS主要功能像点坐标自动量测航带法区域网平差带可选附加参数的自检校光束法区域网平差地面测量数据与摄影测量观测值的联合平差GPS辅助光束法区域网平差POS辅助光束法区域网平差自动剔除观测值（像点坐标、摄站坐标）的粗差 补偿观测值的系统误差评价各种未知数的理论精度估计各类观测值的验后方差绘制测区像片覆盖图绘制测区点位分布图和已知点残差图实现加密分区的半自动接边平差主系统框图质量分析子系统框图建议采用的地面控制方案a 、四角平高控制点＋2排高程控制点b 、四角平高控制点＋2条垂直构架航线平高地面控制点高程地面控制点承德(1998)面积:81000km 2黑龙江(1996~1998)面积:17600km 2北京(1996~1998)面积:205km 2天津(1995)面积:1100km 2太原(1994)面积:10km 2中越边界(1996~1998)面积:10700km 2海南岛(1996~1998)面积:30000km 2364000km 2km 2总面积：364000km 2加密区：150000km 2新疆(2002~2004)面积:142000km 2酒泉(2004)面积:32000km 2秦岭(2004)面积:24000km 2敦煌(2004)面积:25000km 2太原试验(1994年航空摄影,航摄比例尺1:5000,丘陵地)1994年航空摄影,航摄比例尺1:5000,丘陵地太原试验结果(1994年航空摄影,航摄比例尺1:5000,丘陵地)1024胶片，RC-30(152mm )，区域为3 ×8，Trimble 4000，2s 数据更新率全为标志点(常规光束法平差须布设个12平高点和个2高程点)σo检查点数理论精度(cm )实际精度(cm )平 差 方 案(µm )平面高程平面高程平面高程密周边布点光束法区域网平差10.39491 5.422.5 5.216.0四角布点GPS 辅助光束法平差10.410395 6.523.37.918.1无地面控制GPS 辅助光束法平差9.71039511.324.023.235.2对于1:1000航测成图，检查点不符值：平面<0.5m ，高程<0.40m对于1: 500航测成图，检查点不符值：平面<0.5m ，高程<0.35m太原试验(1994年航空摄影,航摄比例尺1:5000,丘陵地形)太原试验(1994年航空摄影,航摄比例尺1:5000,丘陵地形)哈尔滨试验(1996年航空摄影,航摄比例尺1:8000,丘陵地)1024胶片，RC-10(152mm )，区域为6×20，Trimble 4000，1s 数据更新率航摄仪自行改造四角布双地标对于1:2000航测成图，检查点不符值：平面<1.0m ，高程<0.3m检查点数 理论精度(平面/高程)实际精度(平面/高程)平 差 方 案σ0(µm )平面高程(m )(σ0)(m )(σ0)四角布点GPS 辅助光束法平差11.0660.189 / 0.236 2.1 / 2.70.242 / 0.291 2.8 / 3.3无地面控制GPS 辅助光束法平差12.311110.339 / 0.279 3.4 / 2.80.799 / 0.2728.1 / 2.8新疆喀什测区新疆喀什测区(2004年摄影，比例尺1:25000，平坦~高山地形)新疆喀什样区新疆喀什样区(2004年摄影，比例尺1:25000，高山地形)像主点地标点检测点新疆喀什样区新疆喀什样区(2004年摄影，比例尺1:25000，高山地形)2024胶片，RC-30(152mm )，区域为98×46，Trimble 5700，1s 数据更新率四角布地标1: 5000航测成图，检查点不符值: 平面<1.75m ，高程<1.0m （丘陵地形）1:10000航测成图，检查点不符值: 平面<5.0m ，高程<3.0m （高山区地形）平 差 方 案0(µm)平面高程平面高程平面四角布点辅助光束法平差7.1 31 31 0.737 0.543 1.296像主点地标点检测点像主点地标点检测点天津试验(1995年航空摄影,航摄比例尺1:35000,山区地)1995年航空摄影,航摄比例尺1:35000,山区地形天津试验结果(1995年航空摄影,航摄比例尺1:35000,山区地形) 1024胶片，RC-30(152mm )，区域为7×20，Trimble 4000，1s 数据更新率四角布标(常规光束法平差须布设个25平高点和个8高程点)σo检查点数实 际 加 密 精 度(m )平 差 方 案(µm )平面高程X Y 平面高程密周边布点光束法区域网平差18.85169 1.9 1.7 1.8 1.5四角布点GPS 辅助光束法平差15.87190 1.6 1.8 1.7 1.6无地面控制GPS 辅助光束法平差15.380973.04.23.66.91:10000航测成图，检查点不符值: 平面<4.0m ，高程<2.0m （山区地形）海南岛测区(1996~1998年摄影，比例尺1:29000~1:32000，平坦~高山地形)不摄影区域Ⅰ1Ⅰ2Ⅲ1Ⅱ1Ⅱ2Ⅱ5Ⅱ4Ⅱ3Ⅲ2Ⅲ3Ⅲ5Ⅲ4Ⅲ6不摄影区域不摄影区域I 1I 1I2I2III 1III 1II 2II 2II 5II 5II 4II 4II 3II 3III 2III 2III 3III 3III 5III 5III 4III 4III 6III 6II 1II 1海南岛测区资料(1996~1998年摄影，比例尺1:29000~1:32000，平坦~高山地形)序号分区年份摄影比例尺(1:)像片数航 线 数区域大小(km×km)航 摄 仪(主距:mm)航摄飞机1Ⅰ1199632 00021916(15+1)106×32RC-20 (152)双水獭2Ⅰ2199632 00031218(17+1)119×47RC-20 (152)双水獭3Ⅱ1199729 00021211(10+1)70×52RC-10 (152)双水獭4Ⅱ2199730 00027114 51×57RC-30 (152)运5 5Ⅱ3199730 00044621(20+1)104×60RC-30 (152)运5 6Ⅱ4199730 00033522(21+1) 98×63RC-30 (152)运5 7Ⅱ5199730 00036115 69×58RC-30 (152)运5 8Ⅲ1199829 00025212(11+1) 87×30RC-30 (153)奖状9Ⅲ2199829 00035021(19+2) 71×45RC-30 (153)奖状10Ⅲ3199829 00026121(20+1) 71×34RC-30 (153)奖状11Ⅲ4199829 00027813(12+1) 70×43RC-30 (153)奖状12Ⅲ5199829 0002089 81×30RC-30 (153)奖状13Ⅲ6199829 00018511 55×46RC-30 (153)奖状中越边界测区(1996~1997年航空摄影，航摄比例尺1:35000~38000,高山地),高山地形)中越边界测区结果(1996~1997年航空摄影，航摄比例尺1:35000~38000,高山地形) 1:50000航测成图，检查点不符值: 平面<25.0m ，高程< 7.0m1:50000航测成图，接边点不符值: 平面<50.0m ，高程<14.0m加密分区号123456像片数171146170178166201130航线数56(4+2)7(5+2)7(5+2)7(5+2)6(5+1)7(5+2)加密点数786399476538483563337地形起伏 (m )72118582074208217031088675区域面积 (km ×km )58×8666×7071×5581×5782×67100×4151×72接边 (检查) 点数151255171724σ0 (µm )14.419.614.715.313.924.813.5平面22.716.819.716.419.1最大残差(m )高程 6.1 7.1 7.4 5.9 6.4平面1.412.4 9.7 6.5 8.5最小残差(m )高程 0.1 0.1 0.1 0.0 0.2平面11.313.914.812.313.5实际精度(m )高程2.54.52.63.64.31024胶片，RC-30(152mm )，Trimble 4000，1s 数据更新率，无地面控制新疆库尔勒测区新疆库尔勒测区(2002年摄影，比例尺1:25000~1:50000，平坦~高山地形)2340019001112120119114 1 加密分区号人工标志点检查点GPS 辅助空三结果分析1.带地面控制的GPS 辅助光束法区域网平差理论精度非常好：平面1.2σο∼2.8σο，高程2.0σο∼4.4σο，达到自检校光束法区域网平差精度2.实际精度：平面1.6σο∼4.3σο，高程1.3σο∼3.1σο，高程方面与理论精度完全符合，平面位置由于内业判点误差等导致与理论精度有一定差距。