《摄影测量学》第三章 GPS辅助空中三角测量 山东理工大学 建筑工程学院 测量系

主要内容 摄影测量加密方法回顾 GPS辅助空中三角测量 POS辅助空中三角测量

一、传统摄影测量加密 X Z Y S 高程控制点 平高控制点 待定点

传统摄影加密的三种方法 像片坐标 初步航带平差 计算/量测航线 区域网平差 计算/量测独立模型 光束法 独立模型法 航带法 航带法 相对定向 航线构成 光束法 独立模型法 航带法 航带法 解求航线的非线性改正参数 独立模型法 解求模型的相似变换参数 光束法 解求像片的外方位元素及物点坐标

传统的摄影测量目标定位过程 航空 摄影 外业 控制 空三 加密 像控测量 获得GCP坐标 空三加密解算像片外方位元素 Xs, Ys, Zs, , ,  前方交会解算地面点坐标

二、GPS辅助空中三角测量 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，经过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，然后将其视为附加观测值引入摄影测量区域网平差中，以取代地面控制，经采用统一的数学模型和算法来整体确定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 目的是极大地减少甚至完全免除常规空中三角测量所必需的地面控制点，以节省野外控制测量工作量、缩短航测成图周期、降低生产成本、提高生产效率

带GPS的航空摄影 单差分方式相对动态GPS定位示意图

GPS辅助空中三角测量 X Z Y S 待定点 高程控制点 平高控制点

作业过程 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

现行航空摄影系统改造 GPS天线放大器 GPS信号接收机 航摄仪 天线 机载天线相位中心 航摄仪投影中心 A S u v w

GPS航空摄影系统的空间偏移 Y Z X

GPS摄站坐标解求 状态方程 观测方程 依照Kalman滤波递推算法，求出每一观测历元时刻机载GPS天线的空间坐标 利用插值方法，由相邻两个历元的 GPS天线位置内插航摄仪曝光时刻GPS摄站坐标 武汉大学研制成功了相应的GPS差分动态定位软件DDkin（GPS kinematic positioning）

GPS动态定位软件 DDkin

GPS 辅助光束法平差 误差方程是在自检校光束法区域网平差基础上顾 及投影中心与机载GPS天线相位中心几何关系所得 到的一个基础方程 法方程仍为镶边带状矩阵,但边宽加大了,而其良好 稀疏带状结构并没有破坏。因此可用传统的边法 化边消元的循环分块解法求解 测区两端必须要布设足够的地面控制点或采用特 殊的像片覆盖图

投影中心与GPS天线相位中心之几何关系 A 机载GPS天线相位中心 航摄仪投影中心 S M Z Y X u v w x y

GPS摄站坐标误差方程 顾及动态GPS定位之系统误差 线性化之误差方程

GPS辅助光束法误差方程 将GPS摄站坐标视为带权观测值引入自检校光束法平差所得到的一个基础方程

GPS辅助光束法法方程 与常规光束法比较法方程边宽加大了,但其良好稀疏带状结构并没有破坏

GPS辅助光束法区域网平差法方程系数阵 1，2，…，20 待定点名 A，B，…，O 像片名 平高地面控制点 转 置 对 称 项 × A B C D E F G H I J K L M N O c r d 加密点坐标未知数 像片外方位元素未知数 附加参数 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 转 置 对 项 称 × 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 A B C D E F G H I J K L M N O 1，2，…，20 待定点名 A，B，…，O 像片名 平高地面控制点

建议采用的地面控制方案

中国GPS空三试验区分布图 总面积：364000km2加密区： 150000km2 黑龙江 (1996~1998) 面积:17600km2 新疆 (2002~2004) 面积:142000km2 承德 (1998) 面积:81000km2 北京 (1996~1998) 面积:205km2 酒泉 (2004) 面积:32000km2 天津 (1995) 面积:1100km2 太原 (1994) 面积:10km2 敦煌 (2004) 面积:25000km2 秦岭 (2004) 面积:24000km2 中越边界 (1996~1998) 面积:10700km2 海南岛 (1996~1998) 面积:30000km2 总面积：364000km2加密区： 150000km2

太原试验 (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) 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)

GPS辅助空三结果分析 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1.2so~2.8so，高程2.0so~4.4so，达到自检校光束法区域网平差精度 实际精度：平面1.6so~4.3so，高程1.3so~3.1so，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。但平差结果完全满足测图控制对加密成果的精度要求 无地面控制GPS辅助光束法区域网平差具有较大的系统误差，实际精度与理论精度相差较远。但成果仍能满足了1:25000地形图航测成图精度要求

三、 POS辅助空中三角测量 POS系统测定像片外方位元素 Xs, Ys, Zs, , ,  空间前方交会解算地面点坐标 （直接传感器定向） POS辅助空中三角测量 （集成传感器定向）

POS系统 航摄相机 导航控制系统 IMU高精度姿态测量系统 IMU与相机连接架 机载DGPS天线 地面DGPS基站接收机 目前国际商用系统： 1、加拿大POS系统 2、德国Aerocontrol IId系统

POS系统 直接测量摄影时刻像片位置与姿态 精度

POS航空摄影系统的空间偏移

空间前方交会 单模型点投影系数法 多片最小二乘平差法

POS辅助空中三角测量 I IMU旋转中心 航摄仪投影中心 S M Z Y X u v w x y xI yI zI

检校场的布设 飞机进场时飞S弯 布设检校场

北京测区试验 (2003年摄影，比例尺1:8000，平地)

北京测区试验 (2003年摄影，比例尺1:8000，平地) POS系统所确定加密点坐标的精度 GPS辅助光束法平差的精度 北京测区试验 (2003年摄影，比例尺1:8000，平地) POS系统所确定加密点坐标的精度 GPS辅助光束法平差的精度 1:2000航测成图 检查点不符值: 平面<1.0m 高程<0.4m 注：“系统误差改正”指将前方交会获得的每一个地面点三维坐标分别减去其平均残差

安阳测区试验 (2002年摄影，比例尺1:4000~1:20000，平地~丘陵地) 安阳测区试验 (2002年摄影，比例尺1:4000~1:20000，平地~丘陵地) 试验区位于河南省安阳市，距北京约500公里 安阳市 14×22km2 平地、丘陵 1:5000 1:20000 5×2.5km2 测区范围 平地 地貌情况 1:1000 成图比例尺 1:4000 航摄比例尺

安阳测区航线略图 检校场 1：20000测区 1：4000测区

安阳测区试验 (2003年摄影，比例尺1:4000，平地) POS系统所确定加密点坐标的精度 1:1000航测成图，检查点不符值: 安阳测区试验 (2003年摄影，比例尺1:4000，平地) POS系统所确定加密点坐标的精度 1:1000航测成图，检查点不符值: 平面<0.50m 高程<0.25m

安阳测区试验 (2003年摄影，比例尺1:20000，丘陵地) 安阳测区试验 (2003年摄影，比例尺1:20000，丘陵地) POS系统所确定加密点坐标的精度 1:5000航测成图，检查点不符值: 平面<1.75m 高程<1.00m

POS试验与结论 1:50000比例尺航测成图可无需地面控制点和空三加密 根据本次实验结果，1:5000～1:10000比例尺航测成图可省去地面控制；建议加测少量控制点参与平差，提高整体精度，并检核成图精度 1:1000和1:2000比例尺航测成图可大大减少野外像控测量工作量

航空摄影测量作业 航空 摄影 外业 控制 空三 加密 内业 成图 POS

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