GNSS辅助摄影测量中几个问题的探讨

来源：《测绘与空间地理信息》2017年6月

作者：赵福臣，男，黑龙江龙江人，工程师，本科学历，主要从事工程测量方面的技术工作。

摘要：GNSS辅助摄影测量是在数字摄影测量基础上发展起来的一种技术手段。它使航空摄影、像片控制点布设、外方位元素的获取和空中三角测量进入了一个新时代。本文对航摄分区和补摄、区域划分以及像控点布设应注意的问题进行了探讨，同时，对应用前景进行了概述。

关键词：GNSS辅助摄影;区域网;像片控制点;空中三角测量

0 引言

GNSS 辅助摄影测量是利用安装在飞机上与航摄仪相连的高动态GNSS 接收机与地面基准站接收机同步连续接收卫星信号，应用GNSS动态定位技术获得接收机相位中心地面坐标系的三维坐标，然后根据GNSS接收机与航摄仪中心的偏心距求得航摄仪中心在地面坐标系中的三维坐标，即像片外方位元素中的3 个线元素，通常称为GNSS摄站坐标。

1 GNSS辅助摄影

地面基准站一般采用已有的c 级以上的控制点。对于新建的地面基准站，需按GNSS C 级要求进行测量。对于一般工程，基准站可以按D 级精度测量。

航摄设计时，应该使摄影分区与加密分区保持一致或让一个摄影分区覆盖多个完整的加密分区。GNSS 辅助摄影的航线敷设应考虑摄站坐标对区域网的控制，以及与区域网平差精度相关的飞行架次。

当沿图幅中心敷设航线时，应在测区上下边缘各增加一条航线，在左右两端各增加一个模型。因为GNSS 辅助摄影测量的平高控制点，一般仅在区域网四角布设4个，当进行空中三角测量时，要将区域网外围的摄站坐标作为带权观测值参与平差。显然，区域网边缘的摄站坐标应该对区域范围具有良好的控制。所以在摄影过程中，如果由于航摄仪曝光脉冲信号、卫星信号失锁或周跳造成GNSS摄站坐标丢失时，应视丢失的位置和丢失的情况以及对加密精度的影响程度来考虑补摄。

对区域网中央部分丢失的摄站坐标，考虑区域网平差后中间点的精度要高于周边的点，只要丢失的不是很多，一般不需要补摄。但要考虑网内丢失GNSS摄站坐标的跨度对高程精度的影响。因为加密点的高程精度随摄站坐标的跨距增大而呈现出规律性降低，而且旁向跨距的增大要比航向更为严重，这是考虑补摄不可忽视的一个因素。

对于一个工程的航摄安排，除非区域较大，应该一次摄完，尽量避免补摄。因为GNSS辅助摄影测量不同于一般摄影测量。一般摄影测量补飞的航片，只要与先期拍摄的航片在重叠度、旋偏角及航高差等方面满足规范要求，就可以将它们视为同一条航线。而在GNSS辅助摄影测量中，由于不同架次所获得像片的GNSS摄站坐标具有不同的系统误差，在进行GNSS辅助光束法平差时，只能将其作为各自独立的航线引入系统的漂移误差改正模型，这不但会增加平差计算的工作量，而且还会降低区域网的精度。

对于不规则的测区，在消耗经费不大的情况下，尽量将摄区设计为规整的矩形，以便能在区域四角布点，从而减少大量的像片控制点联测工作。

航摄时，如果条件允许，应尽量拍摄控制航线(构架航线)。根据国内外的一些试验结果表明:在区域两端垂直于航线加摄控制航线，不仅可以减少地面高程控制点联测工作量，还能有效地控制系统的漂移误差，改善区域网的平差结果。

2 GNSS辅助摄影测量的像片控制点布设与区域划分

GNSS辅助摄影测量，原则上讲，只要在一个区域内所有的GPS信号连续而且没有发生失锁和周跳，在进行空中三角测量区域网平差时，即可用GNSS摄站坐标取代地面控制点进行无地面控制的平差计算，而不需要布设地面控制点。然而飞机在一个区域内的航摄过程中，特别是在飞机转弯时，由于机翼和机身的遮挡，难免会使某些卫星的信号中断，造成载波相位的整周计算不再连续而发生周跳，这势必要影响GNSS的定位精度。就现在的技术，无地面高程控制的GNSS辅助光束法区域网平差，还不能完全消除GNSS摄站坐标的系统误差，所以目前仅在精度要求不高且测量特别困难的山区在测制1: 50 000和1:100 0 0 0 比例尺地形图时应用无地面控制。对于一般工程GNSS辅助摄影的像片控制点(下称像控点)布设，主要采用区域网法。根据国外的研究结果，是在区域四周布设4 个平高点，如果没有加摄控制航线，在区域两端各布设一排高程控制点。显然区域网的划分，不仅要考虑它的大小，而且要保证区域网四角平高点具有清晰的刺点目标。当摄区较大没有分区铺设地面标志点，需要外业选刺点时，四角布设平高点的像对，在标准点位处不仅要有清晰的刺点目标，最好还能有选刺双点目标的条件，为加密精度提供保障。如果平高点出现问题，将无法进行整个区域的基准转换。区域划分还应考虑航区摄站坐标丢失的情况，因为GNSS辅助摄影测量，取代地面控制点的GNSS摄站坐标丢失的位置和跨度与加密点精度密切相关。区域边缘的GNSS摄站坐标要比区域网中间的GNSS摄站坐标对加密点精度起着更为重要的作用。基于以上考虑，连续丢失GNSS摄站坐标较多的航线不宜做区域边缘的航线，因为在区域边缘连续丢失摄站坐标较多处，需要布设像控点而增加外业工作量。

不规则的测区如果包括在航摄区内，可扩大区域范围，将测区包含在矩形区域内，这样就可以实施四角布设平高点的方案。否则，要按一般数字摄影测量在测区的凸凹处，根据具体情况布设平高点或高程点，这将会产生很大的刺点与联测工作量。

航空摄影测量，无论是常规摄影还是GNSS辅助摄影，加密点的高程精度总是较平面精度难以达到要求，特别是平坦地区的高程精度。所以平坦地区的高程控制，还是应该按规范要求，采用全野外布点。

3 GNSS辅助空中三角测量

航空摄影测量，无论是应用承载地物、地貌信息的像片数字化影像还是应用数字摄影的影像进行空中三角测量或数字测图，都要根据摄影几何的反转原理，在室内重建几何立体模型进行测量和信息表示，这就需要求解摄像机的内方位元素和像片的外方位元素。

像片的外方位元素是在恢复内方位元素的基础上，确定影像或摄影光束在摄影瞬间的空间位置姿态的参数。一幅影像外方位元素中的3 个线元素和3 个角元素是重建立体模型不可缺少的6 个元素。对于外方位元素的求解，一般数字摄影测量是依据大量的地面控制点，应用空中三角测量进行求解。而GNSS辅助摄影测量则是应用载波相位观测值的差分技术获得摄影中心的三维坐标，即外方位元素中的3 个线元素，这不仅减少了大量的像控点联测工作量，而且也改变了区域网平差方法，这是GNSS辅助摄影测量的最大优势。

GNSS辅助空中三角测量，一般是应用光束法区域网平差，因为在航带法、独立模型法和光束法的三种区域网平差中，光束法是以共线条件方程作为平差基础方程，便于引入GNSS观测值，在全区内建立误差方程。GNSS辅助光束法区域网平差，即是将选定的模型连接点构成空中三角网纳入四角像片控制点的坐标系中，再将GNSS辅助摄影测量获得摄站坐标作为带权观测值引入空中三角测量的数学模型中与摄影测量信息联合平差。袁修孝教授通过试验，验证了四角纳入地面控制点以引入漂移误差模型改正数，不会导致平差基准秩亏和方程解病态。在全区引入一组漂移误差改正数后，平差过程中可自动将GNSS摄站坐标的一系列误差分离出来，使其仅保留有偶然误差。通过最小二乘法处理，使其得到合理的匹配，从而使区域网的平差精度得到改善，完全达到了常规测量周边密布点自检校光束法区域网平差精度。

GNSS辅助摄影测量虽然已应用于生产，但对其精度的研究仍在继续。目前，我国对像点中误差的量测和空中三角测量与发达国家相比还有一定的差距，而且有开发空间。根据现有的测绘科技水平，有能力进一步增强和改善现有的软件功能，实现多片影像匹配自动转点、自检校光束法区域网平差和粗差自动检测，使空中三角测量走向自动化道路，为航空摄影智能化奠定基础。

随着科学技术的发展，惯性导航与GNSS集成摄影测量已进入生产领域，应用IM U 实时记录影像姿态的参数与GNSS数据进行联合处理解算出像片6 个外方位元素，实现无地面控制的梦想，使航空摄影测量跨入一个新时代。

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