第19讲―GPS-POS辅助空中三角测量

1§6-9GPS辅助空中三角测量GPS-basedAerialTriangulation利用GPS获取摄站三维坐标以实现GPS辅助空中三角测量，使摄影测量野外作业大量减少，甚至完全免去地面控制点，是摄影测量工作者的目标。山东科技大学测绘科学与工程学院2GPS应用测定地面控制点实时航摄飞行导航GPS辅助空中三角测量用于传感器的定位和姿态测定GPS可用于确定各种成像或非成像传感器的位置，也可扩充来测定传感器的姿态。此外，GPS还可与惯性导航系统(INS)组合起来测定传感器所有的外方位元素。此时，INS有助于解决GPS数据的周跳和失锁，同时可测定传感器的三个姿态角；而GPS则能连续控制INS的误差积累，实现真正的连续动态定位。山东科技大学测绘科学与工程学院3§6-8GPS辅助空中三角测量1、GPS辅助空中三角测量概述2、航摄仪摄站坐标的测定3、GPS辅助航摄仪内方位元素的测定4、GPS辅助光束法区域网平差5、总结山东科技大学测绘科学与工程学院4一、GPS辅助空中三角测量概述在摄影测量中，GPS主要用于测定空中三角测量所需的地面控制点。实质是用GPS卫星定位网静态测量来取代常规仪器大地测量以获取区域网平差所需的地面控制点。优点：较常规大地测量速度快、成本低、无须考虑通视条件。不足：不可能为区域网建立实时地面控制，对通行困难等地区，劳动强度大；对国界、沼泽等作业人员无法到达地区显得无能为力。它适用于测定少量地面控制点以作为区域网平差所需控制信息的一种补充手段。它仍属于GPS在大地测量中的应用范畴，是像片野外控制联测的新方法。山东科技大学测绘科学与工程学院5一、GPS辅助空中三角测量概述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上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，通过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，经采用统一的数学模型和算法以整体确定物方点位和影像方位元素并对其质量进行评定的理论、技术和方法。目的——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。山东科技大学测绘科学与工程学院6一、GPS辅助空中三角测量概述GPS航空摄影卫星2卫星3卫星4卫星1地面基准站山东科技大学测绘科学与工程学院7一、GPS辅助空中三角测量概述从1984年Ackermann教授首次报道利用计算机控制导航系统CPNS数据进行联合平差的模拟试验结果起，Schwarz[1984]，Lucas[1987]，Ackermann[1986]，Friess[1986],李德仁[1989]，袁修孝[1994]报道了利用GPS数据进行区域网平差的理论研究和模拟试验结果，对GPS辅助空中三角测量有了新的认识。后来进行了实际试验和生产。目前，国际上一些知名的空中三角测量平差软件，如PAT-A，PAT-B，BLUH，BINGO等，甚至连数字摄影测量工作站上的区域网平差软件，都具有进行GPS辅助空中三角测量的功能。山东科技大学测绘科学与工程学院8一、GPS辅助空中三角测量概述主要结论1、采用基于载波相位差分动态GPS定位技术可以厘米级精度确定机载GPS接收天线相位中心的三维坐标，但坐标值包含有随时间变化的线性漂移系统误差。2、由GPS所确定的三维摄站坐标可有效地用于摄影测量区域网平差。由它们和少量地面控制点出发求出的加密点坐标精度要优于GPS摄站坐标自身的精度。3、摄影测量区域网平差中像片外方位线元素（即摄站坐标）的利用要比角元素更有效。附加的姿态测量数据在其精度很高时可用来改善加密点高程的精度，当其精度不高时对平差结果没有多大帮助。山东科技大学测绘科学与工程学院9一、GPS辅助空中三角测量概述主要结论4、原则上讲，只要一个区域中所有记录的GPS信号连续而没有发生失锁、周跳等信号间断的情况，摄影测量区域网平差时，可用GPS摄站坐标完全取代地面控制点进行无地面控制的空中三角测量，但前提条件是，区域网平差必须在WGS84系中进行。5、为获得国家统一坐标系或局部坐标系中的加密成果，需要有一定数量的GCP，最好在区域的四角布设4个平高点；如果需要逐条航线地改正GPS摄站坐标的系统漂移误差，则区域的两端还应布设两排高程地面控制点或加摄两条带GPS摄站坐标的垂直构架航线。6、GPS辅助光束法区域网平差有较好的可靠性。山东科技大学测绘科学与工程学院10一、GPS辅助空中三角测量概述7、利用模糊度在航解算方法来处理GPS信号的周跳和失锁已获得成功，对于距离远达50km、高差大于2400m的差分GPS测量亦能够迅速、有效地解出正确的整周相位模糊度，在固定整周相位模糊度后可提供内精度优于１dm的差分GPS定位结果。８、利用GPS数据进行区域网平差有明显的经济效益，即使精度较差的GPS数据也可使带有地面控制的GPS辅助光束法平差达到只有利用相当稠密的地面控制点所进行的常规自检校光束法区域网平差才能达到的精度；无地面控制的GPS辅助光束法区域网平差亦可满足高山区中小比例尺测或是地图更新、资源调查等所需控制的精度。山东科技大学测绘科学与工程学院11一、GPS辅助空中三角测量概述表1-1摄影测量区域网平差对GPS摄站坐标精度的要求测图比例尺摄影比例尺对空三加密精度要求／mxyz等高距m(1)xyz对GPS摄站坐标精度要求／m(2)(3)(4)xyzxyzxyz1:1000001:500001:1000001:650005.02.54.0202.0103916186.9219.2114.5197.58.5276.22.8112.41:250001:400001.51.05112.85.41.84.40.76.80.91:100001:50001:250001:120000.60.30.62.50.251.03.61.61.90.31.31.01.00.20.60.30.41.70.50.90.05注：本表假设0=10m,0z=12m(1)4个平高地面控制点加两排高程地面控制点，无漂移误差改正参数。(2)4个平高地面控制点加两排高程地面控制点，全区使用一组漂移误差改正参数。(3)4个平高地面控制点加两排高程地面控制点，每条航线使用一组漂移误差改正参数。(4)4个平高地面控制点加两条垂直构架航线，每条航线使用一组漂移误差改正参数。山东科技大学测绘科学与工程学院12一、GPS辅助空中三角测量概述作业过程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;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。山东科技大学测绘科学与工程学院13一、GPS辅助空中三角测量概述GPS辅助空中三角测量的作业过程大体需经过如下三个阶段：首先，在航空摄影过程中，以0.5—1.0s的数据更新率，用至少两台分别设在地面基准站和飞机上的GPS信号接收机同步而连续地记录GPS卫星信号，并将航摄仪快门开启脉冲写入机载GPS数据流中。其次，对GPS载波相位测量进行测后数据处理，解求航摄仪曝光时刻机载GPS天线相位中心的三维坐标XA,YA,ZA—GPS摄站坐标及其方差—协方差矩阵。最后，将GPS摄站坐标作为带权观测值引入解析空中三角测量的数学模型中与摄影测量观测值进行联合平差，以确定地面目标点的位置和像片的方位元素并评定其质量。山东科技大学测绘科学与工程学院14一、GPS辅助空中三角测量概述上述三个阶段涉及的理论和关键技术须对现行航空摄影系统进行改造。将基于相位差分的GPS动态定位方法所获取的GPS摄站坐标归化成像片的外方位线元素——投影中心坐标。在GPS辅助空中三角测量中将航摄仪的内方位元素也当作平差参数（未知数）解求。利用动态GPS定位技术获取GPS摄站坐标，一是要求初始化，二是要求GPS信号连续。正在寻求用无初始化的GPS动态定位方法进行GPS辅助空中三角测量、按常规方式进行航空摄影的作业模式。山东科技大学测绘科学与工程学院15一、GPS辅助空中三角测量概述GPS辅助光束法区域网平差时，需要在测区的四角布设４个平高地面控制点，在区域两端布设两条垂直构架航线或者是在区域两端垂直于航线方向布设两排地面高程控制点，并对此给出合理解释。研究影响GPS辅助空中三角测量定位质量的因素。研究GPS导航数据对单航线的加密是否具有与区域网类似的作用。利用GPS定位数据来减少或取代地面控制点进行空中三角测量，提高数字摄影测量工作站的效率和自动化程度。山东科技大学测绘科学与工程学院16二、航摄仪摄站坐标的测定1、带GPS信号接收机的航空摄影系统（1）航摄仪的选择（2）机载GPS天线相位中心偏心分量的测定山东科技大学测绘科学与工程学院17RC30航空相机——组成及附件1.机载GPS天线2.带有PAV30的RC30相机3.带有GPS的ASCOT系统4.GPS参考站5.数据处理软件山东科技大学测绘科学与工程学院618ADS40多波段机载数据获取系统GPS卫星1SH40传感器:-DO64数字成像系统-IMU41352ADS40系统2CU40控制单元:-位置/姿态POS计算机3MM40存贮器4OI40操作界面5PI40导航界面6PAV30平台GPS地面参考站山东科技大学测绘科学与工程学院19二、航摄仪摄站坐标的测定2、动态GPS定位测定航摄仪摄站空间位置差分动态GPS定位是利用安设在一个运动载体和一个或多个地面基准站上的GPS信号接收机来联合测定该运动载体的三维位置，从而精确给出其运动轨迹的GPS测量方法。按定位实时性要求，差分动态GPS定位可分为：实时差分动态定位后处理差分动态定位按使用数据类型和方法的不同，分为：位置差分伪距差分伪距相位综合差分载波相位差分在已知整周相位模糊度的情况下，利用载波相位可以获得厘米级精度的差分动态定位结果，它非常适用于无需实时定位而要求高精度位置的GPS辅助空中三角测量。山东科技大学测绘科学与工程学院20二、航摄仪摄站坐标的测定GPS摄站坐标解求状态方程XkΦk,k1Xk1Bkb+Γk1Wk1观测方程YkHkXkDkd+Vk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摄站坐标山东科技大学测绘科学与工程学院21二、航摄仪摄站坐标的测定2、动态GPS定位测定航摄仪摄站空间位置为了获得在国家统一坐标系或用户选定的局部坐标系中的三维GPS摄站坐标，还需利用少量的地面控制点按GPS基线向量网约束平差法将WGS84系坐标转换到规定的坐标系中。GPS动态定位所提供的高程是以椭球面为基准的大地高，而国家坐标系是以大地水准面为基准的正常高，高程基准的转换最好能通过测区内若干已知正常高的控制点拟合建立高程异常模型进行。基于载波相位动态GPS定位的关键在于正确解求整周相位模糊度。一种比较稳妥的办法是在飞机起飞之前通过一段时间的初始化来求得其正确值。根据附加模糊度参数Kalman滤波的在航解算（OTF）方法来处理GPS信号周跳。山东科技大学测绘科学与工程学院zY22二、航摄仪摄站坐标的测定3、GPS天线相位中心与投影中心的几何关系GPS定位是指确定安装在机身顶部的GPS天线相位中心的位置。这一位置数据可满足导航需要，但摄影测量中，所要提供的是摄影机投影中心的位置。实际作业中，考虑到各种因素，天线的相位中心不可能完全与摄影中心相重合，机载GPS天线相位中心AZMyx航摄仪投影中心SyxX它们之间总存在着一个空间偏移。GPS天线相位中心与投影中心的几何关系山东科技大学测绘科学与工程学院23GPS航空摄影系统的空间偏移GPS天线ZwXvuY山东科技大学测绘科学与工程学院As24二、航摄仪摄站坐标的测定3、GPS天线相位中心与投影中心的几何关系设A点在像空间