河北CORS在大比例尺倾斜航空摄影测量中的应用

吴文坛，田 挚，李 哲，田时雨，梁丽芳

(1.河北省测绘资料档案馆，河北 石家庄050031;2.中国地质大学 长城学院，河北保定071000)

一、引 言

连续运行卫星定位综合服务系统(continuously operational reference system，CORS)不仅能提供实时差分信息服务，还能提供数据供下载后差分解算及其他服务。CORS不再作为一个参考系统，它能提供各种相关综合服务［1］。倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限。其通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从1个垂直、4个倾斜等5个不同的角度采集影像，将用户引入到符合人眼视觉的真实直观世界。倾斜摄影成为建设数据城市中三维城市生产的新的、高效的技术手段。本文结合河北省保定市真三维数字城市建设中大比例尺倾斜摄影测量航测检校场点、像控点联测及GPS航摄地面基站确定相机摄影曝光瞬间外方位线元素的确定，就河北省CORS在此项目中的应用作分析。

二、河北CORS简介

河北省卫星定位综合服务系统(即河北CORS)是由河北省地理信息局负责，同时与河北省气象局、河北省地质环境勘察院、66240部队合作建设，本着降低系统建设成本、资源互补、共建共享的原则合作建设的重点项目。整个系统主要内容包括基准站部分、控制中心部分、网络通信及数据发布部分。系统一期工程建设于2008年8月启动，2010年4月完成;二期基准站工程建设于2011年6月正式启动，2011年底完成，形成由64个参考站组成的统一网络，参考站分布情况如图1所示。同时完成了控制中心服务器、路由器、防火墙等相关网络配置及 GNSNet/RTKNet、GPStream、TNC、收费系统等相应软件的安装调试工作，具备了稳定、可靠运行的能力［2］。系统于2012年开始逐步启动北斗化改造与升级，并建设河北省北斗GNSS导航与位置服务网，极大地推动了河北省北斗卫星导航产业的建设步伐。

图1 河北CORS站址分布

1.CORS网络RTK定位精度分析

RTK定位的精度可以从内符合和外符合两方面进行考察。内符合精度反映系统实时定位的稳定性，外符合精度反映系统实时定位的准确性。首先计算每一测点所有测量值的平均值，再将每一测量值与平均值相减。统计所有差值的分布情况，并对差值在不同区间的概率进行统计，同时根据式(1)分别计算各个点的X、Y、H方向的内、外符合精度。

式中，n为该点的测量值总数，即剔除粗差观测值后全部RTK测量值的总数;当v为该点所有的观测值与其平均值之差时，σ为系统的内符合精度;当v为该点所有的观测值与其真值之差时，σ为系统的外符合精度［3］。河北省 CORS系统 VRS和 DGPS实时定位内外符合精度见表1［2］。

表1 河北CORS定位精度分析

从表1中可看出，河北CORS系统RTK定位内符合精度水平方向为1.09 cm，高程方向优于0.98 cm，说明了省级 CORS系统 RTK定位可靠。VRS外符合精度水平方向为2.54 cm，高程方向为4.53 cm，说明了省级CORS系统RTK定位的准确性，完全可以满足倾斜航空摄影测量1∶2000比例尺中检校场及像控点测量精度要求［4-5］。

2.河北CORS倾斜航测基站可行性分析

根据GPS辅助航空摄影测量方案的不同，为准确测定航摄相机摄影曝光瞬间外方位线元素，需进行地面控制网的设计。采用带地面控制的GPS辅助航空摄影方法时，GPS辅助航空摄影应考虑地面基站、像控点、检测点的布设和施测［6］。GPS基站的主要作用是在航摄期间连续采集GPS数据，与机载GPS同步观测［7］。选取合适的基站，通过事后载波相位差分处理解算GPS摄站坐标。在航摄区域内，合理布设不少于2个基站，确保有效控制范围覆盖整个摄区。摄区面积较大时，在满足表2要求的前提下，应适当增加基站数量［8］。

表2 摄区内任意位置与最近基站间距离关系

河北省北部地区(张家口、承德)多为山区，且CORS站点分布稀疏(如图1所示)，个别区域间距离超过200 km，故在航摄作业时，需临时架设CORS站，以加密基准点。河北省中南部地区多为平原，且CORS站点分布密集，CORS站点距离在50 km左右，根据表2中不宜超过100 km的规定，满足1∶2000成图比例尺基准站要求［8］，但对于更高比例尺航飞成图，仍需要架设临时CORS基站。

三、应用实例

1.工程概况

目前，河北省地理信息局围绕建设“数字城市”这一中心任务，探索一种快速、高精度、生成大面积城市真三维的技术方案。在此背景下，结合河北CORS，采用倾斜摄影技术完成了保定市的航飞工作，倾斜相机采用SWDC-5，并利用法国像素工厂的Street Factory软件进行数据处理，自动生成的三维模型色彩逼真、地面真实、纹理清晰，完全达到了预期效果。本次倾倾斜摄影成图区面积108 km2，航线方向为东西向，共 76条航线，像片 8099张，成图比例尺为1∶2000，航摄像元分辨率 0.08 m(下视)，斜视像主点位置约0.13 m，航带旁向与航向重叠下视均为50%，倾斜30%～60%。根据技术指标及相关要求规定，将整个测区划分为一个分区。

2.CORS基站采用与检校场布设

本次航摄在可飞行的时段和天气条件下共飞行5架次，地面基站采用河北CORS系统中BDAX、BDAG、BDMC站点，并与机载POS系统接收机进行同步GPS观测，基站数据采样率为0.5 s。

同时，为确定IMU与数字相机系统相互框架位置关系的系统差，GPS天线相位中心与数字相机系统之间的偏心矢量和摄站高程的系统差，以及考虑对相机进行系统校正，布设了飞行检校场，设置了4条航线，每条航线摄取不少于10个像对，航线方向与摄区航线飞行方向一致;在检校场内部或周边选取合适的地面控制点和检查点，利用河北CORS提供的VRS服务采用刺点方式进行外业RTK测量;按要求提供测量坐标、点之记，以及现场数码像片。

3.数据处理

(1)CORS基站坐标联测

通过与北京房山、武汉、昆明、乌鲁木齐4个国际IGS站的联测和相应精密星历的下载，利用GAMIT/GLOBK处理获取各基准站在ITRF05、瞬时历元下的精确坐标。计算结果表明：各基准站在南北方向精度优于 1.7 mm，东西方向精度优于3.4 mm，垂直方向精度优于2.8 mm;基线相对中误差最大值为3.14 ×10－8，平均值为1.58 ×10－8。然后使用中国测绘科学研究院提供的框架、历元转换软件将其转换至2000国家大地坐标系(ITRF97，2000历元)，同时利用河北省似大地水准面精化成果获取CORS基站1985国家高程基准下的正常高。

(2)基于CORS的DGPS联合解算

利用GrafNav精密解算软件和CORS基站的解算坐标，对机载GPS观测数据和CORS基站观测数据进行联合差分解算，得到机载GPS接收机在每个观测时刻的CGCS2000空间坐标系坐标下的坐标，处理流程如下：①下载机载GPS和IMU数据，并利用随机软件进行数据分离;②CORS基站数据预处理及格式转换;③利用GrafNav软件进行DGPS联合解算。步骤③的主要过程为：转换原始GPS数据格式为GPB格式;加载CORS基站和机载GPS数据到项目;对差分解算各个参数进行相应调整，计算后查看各类指标，进行分析，反复测试，获得最好的解算结果;结果输出。

软件对于解算过程中的GPS质量控制提供了多种指标，见表3。

表3 DGPS联合解算GPS质量控制指标

(3)VRS测量数据处理

采用3台Trimble R8 GNSS流动站，利用河北CORS提供的VRS进行外业网络RTK测量。手簿中正确输入IP地址、端口号、用户名及密码等相关参数，待固定解收敛后，开始进行测量，观测时间控制在3 min以上。

4.结果分析

CORS基站CGCS2000平面坐标检测采用与国家A、B级GPS网点联测方式进行，测区及周边选取合适控制点，进行B级GPS网观测;高程检测时利用等级水准测量检测高差方式进行。

同时，为检核VRS测量精度，利用相同的VRS测量方式在测区内已有的C、D或E级GPS点上进行测量，坐标检测结果详见表4(省略小数点前整数部分)。

表4 CORS基站及VRS测量坐标检测结果 m

由于已知数据为保密数据，本文对数据进行了加密处理。经过比对分析，CORS基站坐标平面精度均优于1 cm，高程精度优于2 cm。VRS测量X坐标最大误差为0.039 m，中误差为0.021 m;Y坐标最大误差为0.033 m，中误差为0.025 m;高程方向最大误差为0.061 m，中误差为0.041 m，误差均在允许范围内，满足1∶2000大比例尺倾斜航空摄影测量快速成图的要求。

该项目选取保定市主城区约3 km2区域作为三维建模测试区域，经过倾斜相机几何处理、三维多视角匹配、TIN模型生产及多视角纹理贴面等工序生成DSM和真数字正射影像。直接图面提取平面检测点及高程注记点，利用VRS测量外业采集影像同名点实际坐标值，进行对比。结果显示，各分量中误差均优于0.2 m，并通过了河北省测绘产品质量监督检验站成果验收，达到了预期效果。

四、结束语

本文分析了河北省CORS系统网络RTK测量精度及CORS系统分布状况，并结合在保定市大比例尺倾斜航空摄影测量及城市真三维影像生产过程中的实际应用，得出结论：对于1∶2000大比例尺倾斜航空摄影测量作业，能利用CORS技术进行航空影像检校场点、像控点测量，其具有作业精度高、操作简单、自动化程度高等特点;与常规测量方法相比，能够大幅度提高作业效率，极大地节约了人力、物力。

对于GPS辅助航空摄影测量而言，河北省中南部地区CORS站点作为地面基站，借助其连续性、稳定性及可靠性等优势，能满足作为基准站要求，提高工作效率并保证了成果精度;而对于北部地区，由于多是山区，CORS网分布稀疏，需架设一定数量的临时CORS站，才能满足1∶200甚至更大比例尺倾斜航空摄影测量的要求。

［1］黄俊华，陈文森.连续运行卫星定位综合服务系统(CORS)建设与应用［M］.北京：科学出版社，2009.

［2］曹立，张现礼，吴文坛.河北省卫星定位综合服务系统建设综述［J］.测绘通报，2010(S0)：1-4.

［3］蔡荣华，苏立钱，杨一挺，等.浙江省省级 CORS系统RTK 测试与分析［J］.全球定位系统，2009(3)：41-45.

［4］袁修孝.航空摄影测量影像定向的若干探讨［J］.地球科学进展，2007，22(8)：828-834.

［5］国家测绘局.GB/T 7930—2008 1∶500、1∶1000、1∶2000地形图航空摄影测量内业规范［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［6］YUAN Xiuxiao.On Stereo Model Reconstitution in Aerial Photogrammetry［J］.Geo-spatial Information Science，2008，11(4)：235-242.

［7］张剑清，潘励，王树根.摄影测量学［M］.武汉：武汉大学出版社，2003.

［8］国家测绘局.GB/T 27919—2011 IMU/GPS辅助航空摄影技术规范［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［9］戴连君，过静珺，谭志彬，等.北京市全球卫星定位综合应用服务系统［J］.测绘通报，2004(8)：38-41.