應(yīng)用CORS的四川某區(qū)域像控測量研究

魯勇

摘 要：基于四川某像控測量任務(wù)為背景，論文首先探討了將CORS技術(shù)應(yīng)用于像控測量的工作原理，進(jìn)而詳細(xì)探討了具體的作業(yè)流程，包括前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、像控點的目標(biāo)選擇、像控點位置標(biāo)定和像控點的位置測量，內(nèi)業(yè)處理、像控測量誤差來源分析和像控測量的質(zhì)量保障措施等。結(jié)果表明：使用 CORS 不僅能達(dá)到像控點測量的精度要求，而且誤差分布均勻，測圖精度高，不存在誤差的積累。

關(guān)鍵詞：CORS 像控測量 誤差 質(zhì)量保證

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（c）-0000-00

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市面貌日新月異，土地利用現(xiàn)狀也隨之快速變化，各種城市發(fā)展決策、規(guī)劃管理需要依靠影像圖來提供更多、更直觀的城市空間信息。目前由于相片的采集成本越來越小，所以影像更新的速度也就越來越快；相應(yīng)的導(dǎo)致對相片的處理速度、精度和處理的面積的技術(shù)要求越來越高。某區(qū)通過獲取 2008 年 10 月以后最新的高精度衛(wèi)星遙感影像，經(jīng)過正射糾正、勻色、配準(zhǔn)、裁剪等處理手段完成 1：2000DOM 數(shù)據(jù)庫，而本文主要論述正射糾正作業(yè)過程中影像圖的控制測量（以下簡稱“像控測量”）任務(wù)。

該區(qū)位于四川省中部河網(wǎng)地帶，測區(qū)內(nèi)包括建成區(qū)、村莊、河流、湖泊、林地、島嶼等多種地形特征，在市區(qū)內(nèi)建筑物較多，周圍則以河流、樹林、山地為主，交通不便、地形復(fù)雜，通視條件較差，常規(guī)的分級控制測量方法基本難以在既定的工期內(nèi)完成任務(wù)。

1 CORS 應(yīng)用于像控測量的工作原理

像控測量是指根據(jù)相片在內(nèi)業(yè)設(shè)計布點方案并選定能在實地觀測的地物特征點，在實地根據(jù)劃定影像的灰度和形狀確定像控點的位置，外業(yè)實測求解該點三維坐標(biāo)的過程，本項目則是引入 SCCORS 中網(wǎng)絡(luò)RTK 測量方法，實時獲得像控點的三維坐標(biāo)，從而提高作業(yè)質(zhì)量和效率。

SCCORS 是將現(xiàn)代衛(wèi)星定位、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)通訊等技術(shù)進(jìn)行多方位、高深度集成的結(jié)晶。作為四川省測繪的基礎(chǔ)設(shè)施，SCCORS 是四川省的動態(tài)大地定位基準(zhǔn)，是各種測繪工作的基礎(chǔ)。系統(tǒng)能夠提供從 cm級到 m 級的各種精度要求的空間定位服務(wù)，能夠為包括國土測繪、形變監(jiān)測、工程施工、城市規(guī)劃、線路施工、地面和空中交通監(jiān)控、公共安全、農(nóng)業(yè)管理、氣象預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域的不同用戶提供實時、準(zhǔn)實時或事后數(shù)據(jù)服務(wù)。

SCCORS 是采用了 VRS 技術(shù)作為網(wǎng)絡(luò) RTK 的技術(shù)基礎(chǔ)， SCCORS 的網(wǎng)絡(luò) RTK 數(shù)據(jù)源選擇有 CMR、DGPS、RTCM2.1， RTCM2.3， RTCM3.0 等方式；VRS是集成 Internet 技術(shù)、無線通訊技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理和 GPS 定位技術(shù)一身的系統(tǒng)，它利用固定參考站上的數(shù)據(jù)對工作區(qū)域內(nèi)的誤差進(jìn)行模型化處理，而模型則用來測量位置的“虛擬”參考站，它能向流動站接收機(jī)提供“本地化”、標(biāo)準(zhǔn)格式的修正信息。

基于 VRS 技術(shù)的 CORS 系統(tǒng)包括 3 個部分：控制中心、固定站和用戶部分。

1）控制部分作為整個系統(tǒng)的核心，它既是通訊控制中心，也是數(shù)據(jù)處理中心。它通過通訊線與所有的固定參考站通訊；通過無線網(wǎng)絡(luò)與移動用戶通訊。它處理來自參考站的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并用流動站的近似位置來合成靠近流動站的虛擬站，通過無線網(wǎng)絡(luò)向流動站發(fā)送修正數(shù)據(jù)。

2）固定參考站是固定的 GPS 接收系統(tǒng)，分布在整個網(wǎng)絡(luò)中，一個 VRS 網(wǎng)絡(luò)可包括無數(shù)個站，但最少3 個站，固定站與控制中心之間有通訊線連接，固定參考站接收機(jī)通過調(diào)制解調(diào)器、轉(zhuǎn)發(fā)器、互聯(lián)網(wǎng)或其他鏈向中央服務(wù)器將衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)實時的傳送到控制中心。

3）用戶部分就是用戶的接收機(jī)，加上無線通訊的調(diào)制解調(diào)器。根據(jù)自己的不同需求，放置在不同的載體上，接收機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)將自己初始外置發(fā)給控制中心，并接受 VRS 中央服務(wù)器給出的改正信號，本地的參考站也會生成模擬的數(shù)據(jù)。

SCCORS 用于像控測量的動態(tài)模式為網(wǎng)絡(luò) RTK 模式，該模式可直接獲得觀測點的坐標(biāo)，方便快捷，精度可靠。目前主要適用于低等級控制網(wǎng)和精度要求不高的測量應(yīng)用，比如四等以下的控制測量、圖根測量、海岸線測量、像控測量等。

2 作業(yè)流程

2.1 前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為了實現(xiàn)GPS 網(wǎng)與地面網(wǎng)的聯(lián)合平差與高程轉(zhuǎn)換，GPS 網(wǎng)中必須有一定數(shù)量的已知三維地方坐標(biāo)和 GPS坐標(biāo)控制點， 其實際數(shù)量一般不低于 3 ～ 4 個（本項目采用了 7 個控制點）， 且要求分布均勻。如果控制點沒有高程，可從附近高精度水準(zhǔn)點引測。此外，為了更進(jìn)一步的驗證平差結(jié)果，還要求有一定數(shù)量的已知點作為驗證點。根據(jù)測區(qū)交通和地理環(huán)境信息，精心安排同步觀測計劃，既要保證設(shè)計的線路能夠順利在實地標(biāo)出，又要考慮所選像控點在實地?zé)o法觀測等情況，做好在附近找點的準(zhǔn)備，更要考慮如何省時高效地完成觀測任務(wù)。

2.2 像控點測量

根據(jù)獲取的影像圖，該區(qū)覆蓋了 3 個條帶的QuickBird 影像，共 9 景數(shù)據(jù)需要做正射糾正，而正射糾正采用的像控點必須滿足 2 個基本條件：一是像控點必須分布均勻，二是每景像控點個數(shù)必須滿足微分多項式 ，根據(jù)該區(qū)的地形地貌特點本方案初步設(shè)計對于山區(qū)地段采用 4 次多項式、平原地區(qū)采用 2 次多項式來做正射糾正，4 次多項式需要的控制點個數(shù)為15 個以上，二次多項式需要的控制點個數(shù)為 10 個，為滿足不同條帶接邊限差，故不同條帶接邊處必須共用相同的控制點數(shù)據(jù)（和相鄰景接邊處一般為 3-4 個），因此本項目測區(qū)均勻分布共約 80 個點作為正射糾正的基礎(chǔ)控制點，分布如圖 1 所示。

2.2.1 像控點的目標(biāo)選擇

像控點的目標(biāo)選擇是 GPS 像控測量中一個關(guān)鍵問題，內(nèi)業(yè)選點必須要考慮幾個方面：1）像控點具有容易識別的特征，能在實地、影像圖上均都能明確辨認(rèn)；2）像控點應(yīng)該具有相對永久固定的特征，不容易隨著城市建設(shè)頻繁變化；3）像控點較理想的目標(biāo)是近于直角而且又近于水平的線狀地物的交點和地物拐角上，如道路交叉點、拐角點、圍墻或平臺的拐角點等；4）像控點應(yīng)盡量避免選擇高電區(qū)、高建筑物區(qū)等帶有信號干擾、信號盲區(qū)的地方；5）像控點附近交通應(yīng)較為理想。

2.2.2 像控點的位置標(biāo)定

相片由于像控點坐標(biāo)誤差的影響使相片邊緣產(chǎn)生的像點位移和影像變形比中心部分要嚴(yán)重。為了提高外業(yè)判讀刺點和內(nèi)業(yè)點位的量測精度，相片所選像控點的位置距相片邊緣要大于 1～1.5 cm。像控點選定之后，相片上要準(zhǔn)確標(biāo)示出它的位置。最常用的方法是用細(xì)針在像控點的影像上刺一小孔，小孔中心表示該點在相片的精確位置，刺孔不得超過 0.1mm。刺點時要將相片影像與地物形狀仔細(xì)對照辨認(rèn)，點位刺出后，要實地檢查核對并做點之記。該點之記與控制點的點之記不同，主要是為了便于內(nèi)業(yè)人員判點。記錄中要包括點號、刺點位置文字說明，文字字頭朝北，可充分利用代碼記錄更多信息。在內(nèi)業(yè)工作中可以將這些現(xiàn)場的草圖描繪用 AutoCAD 進(jìn)行整飾與保存。

2.2.3 像控點的位置測量

1）設(shè)備準(zhǔn)備與設(shè)置，采用網(wǎng)絡(luò) RTK 作業(yè)，在本項目只需要準(zhǔn)備 2.2 中所描述的用戶設(shè)備，即 RTK 接收機(jī)、接收天線、電源、手簿、通訊模塊（GPRS 接入設(shè)備）即可，連接好設(shè)備后通過 GPRS 方式撥號接入系統(tǒng)，用四川省成都市勘察測繪研究院提供的 SCCORS 賬號登錄SCCORS 系統(tǒng)，并進(jìn)行簡單的網(wǎng)絡(luò)、解算方式等設(shè)置，即可接入 SCCORS 系統(tǒng)。2）野外點校正，像控測量中網(wǎng)絡(luò) RTK 實測的坐標(biāo)為 WGS-84 大地坐標(biāo)系坐標(biāo)，而本項目需要的是成都平面坐標(biāo)系統(tǒng)成果。因此，我們必須通過觀測已知點進(jìn)行聯(lián)測來求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。在靜態(tài)測量中，可通過與地方坐標(biāo)控制點聯(lián)測，并使用后處理軟件來求取 WGS-84 坐標(biāo)與地方坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，進(jìn)而把 GPS 觀測的 WGS-84 坐標(biāo)成果轉(zhuǎn)換為用戶所需坐標(biāo)成果。3）觀測與記錄，在本項目中，像控點一般取 100個歷元觀測值的平均值作為觀測結(jié)果，每個像控點觀測 3 次，并取平均值作為該點的觀測結(jié)果。每個像控點的觀測均要按照《實時定位觀測記錄表》記錄，并在點位上做好標(biāo)記，用數(shù)據(jù)相機(jī)拍照正面、遠(yuǎn)、近景等 3 張照片。

2.3 內(nèi)業(yè)處理

網(wǎng)絡(luò)RTK的另一個提高效率的表現(xiàn)在于內(nèi)外業(yè)一體化，相對于在外業(yè)過程中把內(nèi)業(yè)部分的計算（即數(shù)據(jù)后處理）工作已經(jīng)完成，因此，本項目的內(nèi)業(yè)工作主要有以下幾個內(nèi)容：

1）觀測記錄的整理，觀測記錄的整理包括了觀測記錄的計算整理、像控點位置示意圖詳繪等，涉及到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后處理工作的需要將觀測原始坐標(biāo)文件按照固定的格式進(jìn)行簡單的編輯。2）像控點平均值計算，如 2.2.3 所述，每個點觀測 3 次，所有單次初始化平均值求取平均值作為該點觀測成果，3）坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換主要的兩種方式：一種在手簿軟件中錄入轉(zhuǎn)換參數(shù)實時轉(zhuǎn)換，另一種是外業(yè)觀測數(shù)據(jù)全部采用 WGS84 坐標(biāo)系，內(nèi)業(yè)后處理，采用計算機(jī)計算模式得出用戶所需的轉(zhuǎn)換參數(shù)以及對應(yīng)的坐標(biāo)系成果，兩種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式的原理都是一致的，只是轉(zhuǎn)換程序的載體不同而已。4）高程解算，高程解算主要是通過 SCCORS 與四川省似大地水準(zhǔn)面結(jié)合應(yīng)用進(jìn)行的，即 SCCORS 一般采用四川省似大地水準(zhǔn)面成果作為高程求取方法。在進(jìn)行WGS84 坐標(biāo)系下的約束平差之后得到控制點的大地坐標(biāo)，將測得的WGS84坐標(biāo)大地高進(jìn)行似大地水準(zhǔn)面精化得到國家85高程成果。5） 已知點檢測精度統(tǒng)計表（見圖2）。圖2測區(qū)內(nèi)已有驗證點與對應(yīng)的CORS測量值比較結(jié)果。

其中平面坐標(biāo)較差的最大值為 3.3cm，高程較差的最大值為 4.0cm，可以看出 SCCORS 測量精度成果具有較高精度，完全滿足像控測量中 0.05 ～ 1.0m 的精度要求。

2.4 像控測量的誤差來源

根據(jù)像控測量的作業(yè)流程，像控測量的誤差來源主要有三個方面：

1） 選點誤差，主要來自于內(nèi)業(yè)人員對影像圖的判讀、圖上標(biāo)繪、刺點等所引起的誤差；2） 觀測誤差，主要有儀器對中誤差，觀測方法（觀測時長、觀測歷元數(shù)）引起的誤差；3） SCCORS 本身存在誤差， 包括：與衛(wèi)星有關(guān)、信號傳播有關(guān)、儀器設(shè)備有關(guān)的誤差。

2.5 像控測量的質(zhì)量保證措施

像控測量是一項大面積的測繪工作，質(zhì)量控制應(yīng)貫穿全過程作業(yè)中，以下是針對應(yīng)用 SCCORS 作業(yè)模式下測量精度的檢驗措施：

1）已知點的檢測，在測區(qū)內(nèi)找到已有的控制點，我們可以用SCCORS對其進(jìn)行觀測及轉(zhuǎn)換參數(shù)的修正；2）像控點距離較遠(yuǎn)的可采用網(wǎng)絡(luò) RTK 進(jìn)行點位重復(fù)測量精度檢查；3）對于較近的像控點可以用常規(guī)儀器（全站儀、水準(zhǔn)儀）進(jìn)行相對精度的檢查，包括兩點之間高差檢查、邊長檢查等。4）網(wǎng)絡(luò) RTK 相對于其他測量方法的優(yōu)勢通過本項目的實施，結(jié)合SCCORS建設(shè)理論知識，可以得到 SCCORS 在像控測量中對比常規(guī)導(dǎo)線測量、靜態(tài) GPS 測量、常規(guī) RTK 測量都有著很大的差異，這種差異主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）具有跨行業(yè)特征，可面向不同類型的用戶，不再局限于測繪領(lǐng)域及設(shè)站單位；2）可同時滿足不同需求的用戶在實時性方面的差異，能同時提供 RTK、DGPS、靜態(tài)或動態(tài)后處理、及現(xiàn)場高精度準(zhǔn)實時定位的數(shù)據(jù)服務(wù)；3）參考站網(wǎng)的建立可部分取代常規(guī)測量布控；4）能兼顧不同的用戶對定位精度指標(biāo)要求，提供覆蓋 m 級、dm 級、cm 級的數(shù)據(jù)；5）覆蓋范圍廣、作業(yè)效率高，一次投資長期受益的特點；6）提供統(tǒng)一的參考坐標(biāo)系給所有用戶共享，規(guī)范基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)；7）提高作業(yè)區(qū)域的精度一致性，降低系統(tǒng)誤差、提供外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量；8）提高生產(chǎn)效率，單人測量系統(tǒng)成為 GNSS 主流作業(yè)模式。

3結(jié)論

通過該項目的實施，與傳統(tǒng)像控測量相比，主要總結(jié)了使用 CORS 以下幾點優(yōu)勢：1）精度高，使用 CORS 不僅能達(dá)到像控點測量的精度要求，而且誤差分布均勻，測圖精度高，不存在誤差的積累；2）單機(jī)作業(yè)，完全可以滿足大比例尺航測成圖的要求。無需重復(fù)架設(shè)基準(zhǔn)站，不受基站與流動站距離影響，做到真正的單機(jī)作業(yè)；3）內(nèi)外業(yè)一體化，可以根據(jù)測區(qū)的實際情況選擇合適的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解方法。參與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換只需要對測區(qū)內(nèi)均勻分布的 3 個或 3 個以上的控制點進(jìn)行復(fù)測即可求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，計算可以由手簿自動完成；4）外業(yè)工作強(qiáng)度減低，在滿足精度要求的情況下，盡可能的減少外業(yè)的工作強(qiáng)度。通過實際測量結(jié)果來看，CORS 應(yīng)用于像控測量，操作簡便，靈活方便，不但可以大幅度提高測量速度，而且能夠大大減小作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，這在像控測量中尤為顯著。5）效益好，主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)效益和社會效益兩個方面。

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