GPS近景定位系统在岛礁测量中的应用

宋小虎　王克宇　钱冬冬

摘 要：根据“863”课题在舟山东极镇庙子湖岛的现场试验情况，介绍GPS近景定位系统的组成、工作原理、试验过程、数据处理及试验结果，为GPS近景定位系统在岛礁测量中的推广应用打下了基础。

关键词：GPS；近景摄影测量；岛礁

中图分类号： P229.2 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）18-163-3

1 概述

在海洋经济飞速发展的时代，作为海洋大国，我国海岸线长度约18000公里，管理的海洋面积约270550平方公里，分布着大小岛屿约6500个。为了更好地维护国家海洋权益和保障国家安全，岛礁测量和资源普查显得特别重要。但岛礁测量特别是远离大陆难于到达的岛礁测量受制于各种条件的制约需要特殊的设备和技术手段，作者根据“863”课题在舟山东极镇庙子湖岛的现场试验来介绍GPS近景定位系统在岛礁测量中的应用。

2 GPS近景定位系统

GPS近景定位系统又称为卫星快速定位信息采集系统，是由中国测绘科学研究院自助开发研制的用于海岛测量及不易接触物体（目标）的测量与定位。系统软硬件主要由GPS OEM板和天线、数码相机、三维数字罗盘、掌上电脑和供电系统等硬件，矢量信息采集模块和交互式作业界面等实时处理软件，以及矢量数据的坐标精化模块和近景测量信息采集模块、数字罗盘参数标定与设置模块等后处理软件构成，系统能实现航空航天测图影像布控与调绘一体化功能。

3 近景摄影测量原理与方法

3.1 近景摄影测量基本原理

GPS近景信息采集模块是GPS卫星快速定位信息采集系统的一部分，由GPS定位部分、三维数字罗盘、相机、电源等部分组成，它是高精度卫星定位技术、近景大角度交会定位技术以及数字罗盘测角技术的集成与整合，最终实现像片外方位元素的解算以及地物特征点量测。

影像的外方位元素包括摄站点的三维坐标和主光轴的姿态。主光轴的姿态由两种方式提供：一种是三维数字罗盘直接测定，精度约为5‰；一种是利用3个影像控制点解算（即单片后方交会）。摄站点坐标采用后处理差分动态定位技术获取，定位精度10cm。图1是其原理图。

像片的三个角元素的初始值的确定在结算过程中很重要，三个角元素可由罗盘测得的数据经转换后确定，但是，GPS采集到的数据是以WGS84坐标系为地理约束框架的，目前系统还未建立其与像空间坐标系的旋转关系，罗盘的作用难以发挥。通过将WGS84坐标系转换为站心坐标系，站心坐标系与像空间坐标系之间的三个角元素的初始值可由罗盘测得的航向、俯仰和横滚转换后得到。图2为辅助空间坐标系与像空间坐标系的空间关系。

采用GPS浮标结合地面控制点通过共线方程反解相机外方位元素（即后方交会技术），共线方程如下式所示：

根据后方交会计算出的相机外方位元素，结合同名像点解算地物特征点的地理坐标（即前方交会技术）。原理如图3所示。

3.2 近景摄影测量基本方法

在主试验区，选择摄站点，对准南码头层状房屋进行拍照，在两个摄站点对同一范围拍摄，通过GPS模块记录摄站点的坐标，罗盘模块测得相机的瞬时姿态参数。

影像的外方位元素包括摄站点的三维坐标和像片三个角元素。

摄站点坐标采用后处理差分动态定位技术，定位精度10cm；

像片三个角元素由两种方式提供：一种是三维数字罗盘经外标定模块改正并换算得到；一种是利用3个影像控制点解算。

本试验将分别在岛上和海面上进行，此次试验在岛上进行，选取拍摄范围的三个控制点，参与解算待定点坐标；当在海上进行试验，海面灵活布设3个动态GPS浮标作为影像控制点。

地物点的三维定位采用像对前方交会实现，定位精度指标通过实地卫星定位比对确定。

拍摄用于前方交会计算的照片时，遵循的几个原则：

①摄站点距控制点的平均距离大约为两摄站点间基线距离1.5～3倍。

②拍摄像对时，两位置上相机视准轴的夹角为15°～75°，可通过数字罗盘的航向读数判断。

③像控点在像片上要分布均匀，尽量避免像控点分布在像片的边缘。

④海面3个GPS浮标天线高差不小于3米，浮标三角形夹角不小于30°。

4 实验作业流程

4.1 摄站点选取与影像获取

在南码头沿岸选择摄站点1在两个不同的角度拍攝两张像片，在摄站点2对准已拍摄的两张像片所确定的范围分别拍摄两张像片，构成两个像对，此两组像片为近距离摄影。

在摄站点31，32，33对准同一范围分别拍摄像片，可构成三个像对，此组像片为远距离摄影。

在拍摄的像片中，合理布设控制点，以使拍照时，控制点在照片上能均匀分布，每张像片的像控点个数为8个以上，像对上是控制点的同名像点个数为5个以上，以便于解算结果与观测值比对。

利用卫星快速定位信息采集系统下的影像信息采集模块，通过掌上电脑控制相机拍照，读取并保存罗盘数据和GPS数据。

4.2 像控点GPS测量

根据获取的像片，选择地物特征点（房角等），共25个点作为像控点，一些点用于控制点，另外一些点作为解算值与观测值的比对，像控点的分布见图5。

5 数据处理与分析

5.1 像控点数据处理

像控点采集完成后，利用GPAS软件，将庙子湖岛的CORS临时站点作为基准站，进行解算，解算结果为ITRF05框架瞬时历元坐标值。摄站点的GPS数据包含摄站点纬度、经度、高程。

待定地物点的坐标利用近景摄影测量软件解算完成。首先卫星快速定位信息采集系统下的后方交会子模块求出像对中每张像片的外方位元素，然后利用前方交会子模块打开两张对应的像片，在两张像片上分别标记出待求的地物点，标记的过程中，保持两张像片上的点相对应，计算完成，得到待定点在ITRF05框架瞬时历元坐标值。

摄站点的坐标为单点定位的结果，精度不够，作为后方交会计算时的外方位直线元素的初始值，罗盘数据经换算后作为外方位角元素的初始值。（表1）

5.2 时间同步数据处理

用GPS的时间校正计算机的时间，照片文件以曝光时间命名，曝光时间可以精确到微秒，保存的GPS、罗盘数据的每条信息各自包含时间信息，时间精确到毫秒。通过查找并判断GPS、罗盘每条信息的时间与相机曝光时间来提取相机曝光时刻的GPS、罗盘数据。

5.3 地物特征点近景摄影测量数据处理

利用像片11、像片12，像片21、像片22，像片31、像片32分别构成三个立体像对，每个立体像对选用三个控制点，后方交会用六参数解算，解算结果与实测值比对情况分别见图6、图7及图8。

6 实验结论

用于后方交会的控制点在像片上分布均匀，避免在一条直线上；用于后方交会计算的控制点精度越高越好；拍摄像对时的交会角尽量大一些。

当摄站点坐标精度高时，可作为已知值，后方交会时只解算外方位角元素：当摄站点坐标精度低时，可作为初始值，后方交会时解算六个外方位元素。

在有明显地物特征点的南码头，近景摄影测量未知点绝对精度可以达到0.2米，能够满足1：1000地形图精度要求，证明GPS定位系统能够实现岛礁测绘中在没有明显地物特征点且基本为礁石和草地的北码头，近景摄影测量未知点绝对精度基本的地物和岸线的获取。

参 考 文 献

[1] 冯文灏.近景摄影测量[M].武汉大学出版社，2002.

[2] 耿则勋，张保明，范大昭.数字摄影测量学[M].测绘出版社，2010.