应用CORS的四川某区域像控测量研究

鲁勇

摘 要：基于四川某像控测量任务为背景，论文首先探讨了将CORS技术应用于像控测量的工作原理，进而详细探讨了具体的作业流程，包括前期的数据准备、像控点的目标选择、像控点位置标定和像控点的位置测量，内业处理、像控测量误差来源分析和像控测量的质量保障措施等。结果表明：使用 CORS 不仅能达到像控点测量的精度要求，而且误差分布均匀，测图精度高，不存在误差的积累。

关键词：CORS 像控测量 误差 质量保证

中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）05（c）-0000-00

随着社会经济的迅速发展，城市面貌日新月异，土地利用现状也随之快速变化，各种城市发展决策、规划管理需要依靠影像图来提供更多、更直观的城市空间信息。目前由于相片的采集成本越来越小，所以影像更新的速度也就越来越快；相应的导致对相片的处理速度、精度和处理的面积的技术要求越来越高。某区通过获取 2008 年 10 月以后最新的高精度卫星遥感影像，经过正射纠正、匀色、配准、裁剪等处理手段完成 1：2000DOM 数据库，而本文主要论述正射纠正作业过程中影像图的控制测量（以下简称“像控测量”）任务。

该区位于四川省中部河网地带，测区内包括建成区、村庄、河流、湖泊、林地、岛屿等多种地形特征，在市区内建筑物较多，周围则以河流、树林、山地为主，交通不便、地形复杂，通视条件较差，常规的分级控制测量方法基本难以在既定的工期内完成任务。

1 CORS 应用于像控测量的工作原理

像控测量是指根据相片在内业设计布点方案并选定能在实地观测的地物特征点，在实地根据划定影像的灰度和形状确定像控点的位置，外业实测求解该点三维坐标的过程，本项目则是引入 SCCORS 中网络RTK 测量方法，实时获得像控点的三维坐标，从而提高作业质量和效率。

SCCORS 是将现代卫星定位、计算机网络、数据通讯等技术进行多方位、高深度集成的结晶。作为四川省测绘的基础设施，SCCORS 是四川省的动态大地定位基准，是各种测绘工作的基础。系统能够提供从 cm级到 m 级的各种精度要求的空间定位服务，能够为包括国土测绘、形变监测、工程施工、城市规划、线路施工、地面和空中交通监控、公共安全、农业管理、气象预报、防灾减灾等领域的不同用户提供实时、准实时或事后数据服务。

SCCORS 是采用了 VRS 技术作为网络 RTK 的技术基础， SCCORS 的网络 RTK 数据源选择有 CMR、DGPS、RTCM2.1， RTCM2.3， RTCM3.0 等方式；VRS是集成 Internet 技术、无线通讯技术、计算机网络管理和 GPS 定位技术一身的系统，它利用固定参考站上的数据对工作区域内的误差进行模型化处理，而模型则用来测量位置的“虚拟”参考站，它能向流动站接收机提供“本地化”、标准格式的修正信息。

基于 VRS 技術的 CORS 系统包括 3 个部分：控制中心、固定站和用户部分。

1）控制部分作为整个系统的核心，它既是通讯控制中心，也是数据处理中心。它通过通讯线与所有的固定参考站通讯；通过无线网络与移动用户通讯。它处理来自参考站的卫星数据，并用流动站的近似位置来合成靠近流动站的虚拟站，通过无线网络向流动站发送修正数据。

2）固定参考站是固定的 GPS 接收系统，分布在整个网络中，一个 VRS 网络可包括无数个站，但最少3 个站，固定站与控制中心之间有通讯线连接，固定参考站接收机通过调制解调器、转发器、互联网或其他链向中央服务器将卫星观测数据实时的传送到控制中心。

3）用户部分就是用户的接收机，加上无线通讯的调制解调器。根据自己的不同需求，放置在不同的载体上，接收机通过无线网络将自己初始外置发给控制中心，并接受 VRS 中央服务器给出的改正信号，本地的参考站也会生成模拟的数据。

SCCORS 用于像控测量的动态模式为网络 RTK 模式，该模式可直接获得观测点的坐标，方便快捷，精度可靠。目前主要适用于低等级控制网和精度要求不高的测量应用，比如四等以下的控制测量、图根测量、海岸线测量、像控测量等。

2 作业流程

2.1 前期数据准备

为了实现GPS 网与地面网的联合平差与高程转换，GPS 网中必须有一定数量的已知三维地方坐标和 GPS坐标控制点， 其实际数量一般不低于 3 ～ 4 个（本项目采用了 7 个控制点）， 且要求分布均匀。如果控制点没有高程，可从附近高精度水准点引测。此外，为了更进一步的验证平差结果，还要求有一定数量的已知点作为验证点。根据测区交通和地理环境信息，精心安排同步观测计划，既要保证设计的线路能够顺利在实地标出，又要考虑所选像控点在实地无法观测等情况，做好在附近找点的准备，更要考虑如何省时高效地完成观测任务。

2.2 像控点测量

根据获取的影像图，该区覆盖了 3 个条带的QuickBird 影像，共 9 景数据需要做正射纠正，而正射纠正采用的像控点必须满足 2 个基本条件：一是像控点必须分布均匀，二是每景像控点个数必须满足微分多项式 ，根据该区的地形地貌特点本方案初步设计对于山区地段采用 4 次多项式、平原地区采用 2 次多项式来做正射纠正，4 次多项式需要的控制点个数为15 个以上，二次多项式需要的控制点个数为 10 个，为满足不同条带接边限差，故不同条带接边处必须共用相同的控制点数据（和相邻景接边处一般为 3-4 个），因此本项目测区均匀分布共约 80 个点作为正射纠正的基础控制点，分布如图 1 所示。

2.2.1 像控点的目标选择

像控点的目标选择是 GPS 像控测量中一个关键问题，内业选点必须要考虑几个方面：1）像控点具有容易识别的特征，能在实地、影像图上均都能明确辨认；2）像控点应该具有相对永久固定的特征，不容易随着城市建设频繁变化；3）像控点较理想的目标是近于直角而且又近于水平的线状地物的交点和地物拐角上，如道路交叉点、拐角点、围墙或平台的拐角点等；4）像控点应尽量避免选择高电区、高建筑物区等带有信号干扰、信号盲区的地方；5）像控点附近交通应较为理想。

2.2.2 像控点的位置标定

相片由于像控点坐标误差的影响使相片边缘产生的像点位移和影像变形比中心部分要严重。为了提高外业判读刺点和内业点位的量测精度，相片所选像控点的位置距相片边缘要大于 1～1.5 cm。像控点选定之后，相片上要准确标示出它的位置。最常用的方法是用细针在像控点的影像上刺一小孔，小孔中心表示该点在相片的精确位置，刺孔不得超过 0.1mm。刺点时要将相片影像与地物形状仔细对照辨认，点位刺出后，要实地检查核对并做点之记。该点之记与控制点的点之记不同，主要是为了便于内业人员判点。记录中要包括点号、刺点位置文字说明，文字字头朝北，可充分利用代码记录更多信息。在内业工作中可以将这些现场的草图描绘用 AutoCAD 进行整饰与保存。

2.2.3 像控点的位置测量

1）设备准备与设置，采用网络 RTK 作业，在本项目只需要准备 2.2 中所描述的用户设备，即 RTK 接收机、接收天线、电源、手簿、通讯模块（GPRS 接入设备）即可，连接好设备后通过 GPRS 方式拨号接入系统，用四川省成都市勘察测绘研究院提供的 SCCORS 账号登录SCCORS 系统，并进行简单的网络、解算方式等设置，即可接入 SCCORS 系统。2）野外点校正，像控测量中网络 RTK 实测的坐标为 WGS-84 大地坐标系坐标，而本项目需要的是成都平面坐标系统成果。因此，我们必须通过观测已知点进行联测来求解转换参数。在静态测量中，可通过与地方坐标控制点联测，并使用后处理软件来求取 WGS-84 坐标与地方坐标的转换关系，进而把 GPS 观测的 WGS-84 坐标成果转换为用户所需坐标成果。3）观测与记录，在本项目中，像控点一般取 100个历元观测值的平均值作为观测结果，每个像控点观测 3 次，并取平均值作为该点的观测结果。每个像控点的观测均要按照《实时定位观测记录表》记录，并在点位上做好标记，用数据相机拍照正面、远、近景等 3 张照片。

2.3 内业处理

网络RTK的另一个提高效率的表现在于内外业一体化，相对于在外业过程中把内业部分的计算（即数据后处理）工作已经完成，因此，本项目的内业工作主要有以下几个内容：

1）观测记录的整理，观测记录的整理包括了观测记录的计算整理、像控点位置示意图详绘等，涉及到坐标转换后处理工作的需要将观测原始坐标文件按照固定的格式进行简单的编辑。2）像控点平均值计算，如 2.2.3 所述，每个点观测 3 次，所有单次初始化平均值求取平均值作为该点观测成果，3）坐标系统的转换，坐标转换主要的两种方式：一种在手簿软件中录入转换参数实时转换，另一种是外业观测数据全部采用 WGS84 坐标系，内业后处理，采用计算机计算模式得出用户所需的转换参数以及对应的坐标系成果，两种坐标转换方式的原理都是一致的，只是转换程序的载体不同而已。4）高程解算，高程解算主要是通过 SCCORS 与四川省似大地水准面结合应用进行的，即 SCCORS 一般采用四川省似大地水准面成果作为高程求取方法。在进行WGS84 坐标系下的约束平差之后得到控制点的大地坐标，将测得的WGS84坐标大地高进行似大地水准面精化得到国家85高程成果。5） 已知点检测精度统计表（见图2）。图2测区内已有验证点与对应的CORS测量值比较结果。

其中平面坐标较差的最大值为 3.3cm，高程较差的最大值为 4.0cm，可以看出 SCCORS 测量精度成果具有较高精度，完全满足像控测量中 0.05 ～ 1.0m 的精度要求。

2.4 像控测量的误差来源

根据像控测量的作业流程，像控测量的误差来源主要有三个方面：

1） 选点误差，主要来自于内业人员对影像图的判读、图上标绘、刺点等所引起的误差；2） 观测误差，主要有仪器对中误差，观测方法（观测时长、观测历元数）引起的误差；3） SCCORS 本身存在误差， 包括：与卫星有关、信号传播有关、仪器设备有关的误差。

2.5 像控测量的质量保证措施

像控测量是一项大面积的测绘工作，质量控制应贯穿全过程作业中，以下是针对应用 SCCORS 作业模式下测量精度的检验措施：

1）已知点的检测，在测区内找到已有的控制点，我们可以用SCCORS对其进行观测及转换参数的修正；2）像控点距离较远的可采用網络 RTK 进行点位重复测量精度检查；3）对于较近的像控点可以用常规仪器（全站仪、水准仪）进行相对精度的检查，包括两点之间高差检查、边长检查等。4）网络 RTK 相对于其他测量方法的优势通过本项目的实施，结合SCCORS建设理论知识，可以得到 SCCORS 在像控测量中对比常规导线测量、静态 GPS 测量、常规 RTK 测量都有着很大的差异，这种差异主要表现在以下几个方面：

1）具有跨行业特征，可面向不同类型的用户，不再局限于测绘领域及设站单位；2）可同时满足不同需求的用户在实时性方面的差异，能同时提供 RTK、DGPS、静态或动态后处理、及现场高精度准实时定位的数据服务；3）参考站网的建立可部分取代常规测量布控；4）能兼顾不同的用户对定位精度指标要求，提供覆盖 m 级、dm 级、cm 级的数据；5）覆盖范围广、作业效率高，一次投资长期受益的特点；6）提供统一的参考坐标系给所有用户共享，规范基础测绘数据；7）提高作业区域的精度一致性，降低系统误差、提供外业数据质量；8）提高生产效率，单人测量系统成为 GNSS 主流作业模式。

3结论

通过该项目的实施，与传统像控测量相比，主要总结了使用 CORS 以下几点优势：1）精度高，使用 CORS 不仅能达到像控点测量的精度要求，而且误差分布均匀，测图精度高，不存在误差的积累；2）单机作业，完全可以满足大比例尺航测成图的要求。无需重复架设基准站，不受基站与流动站距离影响，做到真正的单机作业；3）内外业一体化，可以根据测区的实际情况选择合适的坐标转换参数求解方法。参与坐标转换只需要对测区内均匀分布的 3 个或 3 个以上的控制点进行复测即可求解转换参数，计算可以由手簿自动完成；4）外业工作强度减低，在满足精度要求的情况下，尽可能的减少外业的工作强度。通过实际测量结果来看，CORS 应用于像控测量，操作简便，灵活方便，不但可以大幅度提高测量速度，而且能够大大减小作业人员的劳动强度，这在像控测量中尤为显著。5）效益好，主要体现在经济效益和社会效益两个方面。

参考文献

[1] 匡翠林； 范冲，GPS技术在像控测量中的应用，测绘与空间地理信息，2006，8，22-25

[2] 原喜屯，精密单点定位（PPP）技术在像控测量中的应用研究，矿山测量，2011，6

[3] 余永欣，李立军，CORS技术在1∶2000地形图航测像控测量中的应用，北京测绘，2012，2