GPS在航空摄影测绘中的应用

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摘要：为了获得各种比例尺的地形图或专题地图，往往采用航空摄影测量，它是一种有效的现代化测量手段。但是航摄要求在摄影测区内测量设置一定数量且均匀分布的大地测量控制点。测量人员也必须克服艰难险阻，抵达所以奥求的地面点逐一进行gps测量。GPS动态测量技术的迅速发展，使测绘工作者有可能摆脱在地面上逐点测设控制点的艰辛操作。将GPS接收机设置在航摄飞机上，当航摄像机对地摄影测量时，用GPS信号同步地测得相机曝光中心的三维位置，飞机速度和相片姿态角参数。

关键词：GPS 摄站 机体坐标系 地理系

1 建立坐标系

以GPS接收天线相位中心为原点建立机体坐标系ObXbYbZb。其中：Ob Xb 指向机翼方面；ObYb 沿纵轴指向机头方向；ObZb 为飞机对称轴符合右手法则。

以摄站（即底片曝光中心）为原点建立当地地理系OtXtYtZt 。其中：OtXt 在水平面里指向东；OtYt 在水平面里指向北；OtZt 在当地地垂线里指向天。

航摄用照相机被安装在三轴稳定平台上，在飞机飞行过程中，三轴稳定平台被精确控制模拟当地地理系，使得相机底片一直保持在当地水平面里。曝光中心Ot （摄站）相对于GPS接收机中心Ob 的偏差rb ，在机体坐标系下于安装时已经精密地测得。

2 摄站的位置计算

摄站在协议地球坐标系（WGS-84）中的位置可以由下式表达

式中：[xyz]T 为摄站在WGS-84坐标系中的位置坐标；[xwywzw]T 为GPS接收机的天线相位中心在WGS-84坐标系中的位置坐标；[xbybzb]T为摄站Ot相对于GPS天线相位中心的偏差rb 在机体系中的表达； 机体坐标系相对于协议地球（WGS-84）在曝光时刻的坐标变换矩阵。

机体系相对于协议地球（WGS-84）的坐标变换矩阵 可以写成：

也就是说， 可以看成是曝光时刻的航摄飞机机体系（b）相对于当地地理系（t）的姿态矩阵 ，与该时刻当地地理系（t）相对于协议地球系的姿态矩阵 的乘积。由机上装有三轴稳定平台模拟地理系（E、N、U），因此，可以实时获得飞机相对于地理系的俯仰、横滚、航向三个姿态角，从而可以获得 阵。如果我们又知道曝光时刻的地理系（t）原点（摄站）的位置坐标，则亦可以推算出该地理系相对于协议地球系（WGS-84）的姿态矩阵 ，最后可以求出 坐标变换矩阵。（xbybzb）T为已知量值，[xwywzw]T为曝光时刻GPS接收机天线相位中心的坐标，可以由GPS接收机观测3颗GPS卫星解算得到，因此，可以解算出摄站于曝光时刻的三维位置坐标[xyz]T。在事后处理中，可以根据曝光时刻的像片对称中心的位置坐标转换到所需要的坐标系，比如大地坐标系

[BLH]T。根据高度H和像片的尺寸，可知所摄的相片的比例尺，由此可以放大制作成各种不同比例尺的地形图。此即为航空摄影测绘的基本工作原理，参见下图：

3 统一时间系统

一般情况下，GPS接收机天线相位中心位置的测定时刻与相机曝光时刻是不同步的，而需要将曝光时刻归化到GPS时间系统，即存在时间内插问题。时间内插的精度会影响摄站位置的计算精度。很显然，摄站的GPS定位精度随着地图比例尺的增大而提高。例如，当测绘十万分之一的地图时，摄站的GPS定位精度只需达到16m即可，但是，当地图的比例尺增大到五千分之一时，摄站的GPS定位精度则要求达到35cm。后者要求时间内插精度需达到微秒量级，这需要采用高精度的曝光时间内插器，用它与机载GPS信号接收机和电子计算机组成GPS定位仪，以获得具有GPS时间标志的摄站位置坐标。

4 结束语

理论研究和实践试验表明，差分GPS（DGPS）动态测量技术能够消除GPS测量的公共误差，可以将伪距解的实时位置精度提高到10m左右。如果采用GPS动态载波相位测量技术，则可以将实时点位精度提高到亚米级以内。进一步而言，为了达到厘米级精度的摄站精度，则需要采用差分（DGPS）动态载波相位测量技术。国外的研究试验表明，DGPS动态载波相位测量，可获得摄站的二维位置达到厘米级精度，若辅以机载激光测距技术，摄站坐标的垂直分量亦能达到厘米级精度。它可满足大比例尺航测制图的需要。

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