GPS浮标法在海上地物测绘中的应用研究

方书山，章传银，秘金钟

(1.山东科技大学，山东青岛266510;2.中国测绘科学研究院，北京100830)

GPS浮标法在海上地物测绘中的应用研究

方书山1，2，章传银2，秘金钟2

(1.山东科技大学，山东青岛266510;2.中国测绘科学研究院，北京100830)

在近景摄影测量中，需要若干个像控点解算像片的外方位元素。由于海上条件的特殊性，一些地物无法到达或在地物上找不到特征点，因此很难对海上地物进行GPS像控点测量。提出一种在海上放置GPS浮标作为像控点的方法，并结合海上动态试验，验证该方法的可行性。

GPS浮标;外方位元素;动态;像控点

一、引 言

在陆地近景摄影测量作业中，像控点的选取相对容易，对于没有明显特征点的地物可以人工标记特征作为像控点。但是在海上，对于一些特殊地物的测量，如灯塔、礁石等，人一般难以或无法攀沿上去，即使能攀沿上去也是危险性极高。因此，在地物附近海域放置GPS浮标作为像控点不仅提高了工作效率，降低了工作危险性，也解决了海上地物不易测量的难题。

二、GPS浮标的布控流程与原理

1.硬件支持

进行海上近景摄影测量时，需要获取的数据包括测区的影像资料、影像上面的像控点及其精确三维坐标。其中，测区影像，是用中国测绘科学研究院研发的GPS近景信息采集系统来完成数据采集的。GPS近景信息采集系统由GPS_OEM板、GPS天线(定位)、数字罗盘(定姿)、相机(影像采集)等部分组成，其系统主要硬件如图1所示。对于像控点，笔者采用GPS浮标作为像控点。GPS浮标的功能有两个：一是自身可以作为像控特征点;二是能够给自身定位(得到像控点的精确三维坐标)。GPS浮标其实就是一个GPS接收机加上一个能在海面浮起GPS接收机的载体(如船等)。

2.GPS浮标的布控流程

GPS浮标作为像控点，其布控流程如下。

如图2所示，海中的一块礁石，即为需要测量的区域，在礁石上布控像控点很困难且很危险，因此在图中圆点所示放置GPS浮标(如浮标G1、G2、G3)，这个GPS浮标即作为像控点。图2中方形点表示测站(如测站C1和测站C2)，测站上放置GPS近景信息采集系统，可按射线夹角方向进行岛礁的影像获取。

图1 GPS近景信息采集系统主要硬件实物图

图2 GPS浮标布控图

具体流程为：首先将采集系统移至测站C1处，3个GPS浮标分别放置于图2中所示的浮标G1、浮标G2、浮标G3处;然后拍摄采集，让3个GPS浮标和岛礁在同一张影像内;最后移动采集系统到测站C2处，3个GPS浮标尽量保存不动(由于海水的流动，浮标会有一些位置移动)，拍摄采集同一岛礁区域，同样让3个GPS浮标和岛礁在同一张影像内。这样就获取完毕所需的数据资料。作业过程中，GPS浮标需不断跟踪卫星采集GPS原始数据，便于后处理解算定位GPS浮标位置。

在作业过程需要注意的是：GPS浮标要求在相机镜头的视野中，且尽量均匀分布在相片中;浮标位置相对海面高度不一，为了更好地对像控点进行纵深控制，高差应控制在3 m左右;浮标应位置明显，便于影像图片后期处理判读。

3.GPS浮标作为像控点的原理

GPS浮标不断采集GPS数据，并且通过后处理解算即可获得GPS浮标在不同时刻的空间三维位置，也就能获得影像像控点在不同时刻的三维坐标。

相机曝光时刻的摄影中心坐标可由GPS数据后处理解算得到，也就是说外方位直线元素为已知值。利用后方交会方法求像片外方位角元素时，外方位角元素的初始值由相机曝光时刻的罗盘数据(磁方位角、俯仰角、横滚角)转换得到。由于外方位直线元素已知，解算外方位角元素的像点坐标观测值误差方程式为

一个像点及对应的地物点可列出一组方程，要解算3个未知数，要求至少有2个像控点，而根据最小二乘原理，经过迭代计算，可求出外方位角元素。这样，外方位元素可全部获知。

根据像片外方位元素，结合同名像点，利用像对前方交会可解算出待定地物点的地理坐标。像点坐标观测值的误差方程式为

每一张像片，均可列出式(2)的一组方程，要解算3个未知数，要求至少有两张像片。根据最小二乘原理，经过迭代计算，可求出待定地物点的三维坐标。

式(1)、式(2)中，(x，y)表示像点坐标;((x)，(y))为像点坐标的近似值;vx、vy为像点坐标观测值的改正数;Δφ、Δω、Δk为3个外方位角元素的改正数;ΔX、ΔY、ΔZ为待定点坐标的改正数。

三、GPS浮标海上动态试验算例分析

1.海上浮标动态试验数据分析

在已验证GPS浮标自身定位的精度能保证在±20 cm内的前提下，试验海上GPS浮标作为像控点的可行性。以GPS浮标作为像控点时，要求通过对影像前方交会解算出来的地物特征点的精度要在合理的范围内。

2010年8月下旬，笔者在我国某一小岛上进行了GPS浮标法近景摄影测量海上动态试验，并按照第2章第2节中的流程获取试验数据。特征点(如图3中十字符号所示部分)的真值可由GPS RTK测量的方法获得。根据第2章第3节中介绍的GPS浮标作为像控点的原理，利用式(1)解算出3个外方位元素的角元素。接着找出像片上同名点(如图3中十字符号所示)，利用式(2)前方交会法解算出地物目标点的坐标。海上作业示意图及处理软件界面如图3所示。

图3 海上作业示意图及处理软件界面

交会定位出的地物目标点的坐标与真值比较如表1所示。

表1 地物特征点北、东、天方向真值与交会值比较

续表1 地物特征点北、东、天方向真值与交会值比较

根据表1上的数值，可以得出如图4所示的分析图。

图4 地物特征点北、东、天方向偏差图

由表1及图4可以看出，用GPS浮标作为像控点解算交会出来的地物目标点的坐标与真值之间偏差最大接近1 m(如图3中9号目标点)，其主要原因是9号点位于影像的边缘部分。在影像非边缘部分的目标点，偏差在60 cm内。

四、结 论

本文对GPS浮标法海上地物测绘研究应用进行了详细介绍，并结合海上动态试验，进行了目标点定位精度分析，得到如下结论：

1)GPS浮标海上动态定位自身精度优于±20 cm，满足摄影大比例尺测图像控点精度的要求。

2)GPS浮标作为像控点，用GPS近景信息采集系统，采用近景交会定位解算出地物目标点在北、东、天方向真值与交会值比较，影像边缘部分，偏差最大接近1 m;其他部分，偏差在60cm内。

3)如改进GPS近景信息采集系统软硬件、数据处理方式及作业模式(如GPS浮标位置的不同布控)，交会定位精度还有很大的提高余地。

在海上测量恶劣环境中，利用GPS浮标作为像控点进行近景摄影测量，方法完全可行。

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The Applications Research of Ocean Surface Features Mapping by GPS Buoy Method

FANG Shushan，ZHANG Chuanyin，BEI Jinzhong

0494-0911(2012)09-0041-03

P229.2

B

2011-10-01

国家863项目(2011AA120503863);中国测绘科学研究院基本科研业务费项目

方书山(1983—)，男，湖北通山人，博士生，主要研究方向为卫星钟差完备性监测与数据处理。