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摘 要:随着GPS技术、CCD技术和计算机的发展,基于精密单点定位的航测技术已逐渐成为当今主要摄影测量作业方法。为探索单点定位技术与ADS40航摄仪结合应用于电力线路勘测工程的方式和精度情况,本文结合电力线路工程的试验,介绍了单点定位技术和ADS40航摄仪,并对试验结果做了详细精度统计分析,最后对其应用进行总结,为其在线路勘测工程的深入应用提供借鉴。
关键词:PPPADS40电力勘测带状工程精度分析
中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(b)-0108-02
1 引言
GPS技术以其可在全球范围内实现全天候、联系、实时的三维导航、定位、测时、测速的特点,在测量领域得到广泛应用,其相对定位的定位方式发展迅速,从最先的码相对定位到现在的RTK,使GPS定位精度不断提高,而绝对定位即单点定位发展相对缓慢。美国喷气推进实验室(JPL)的Zumberge提出了精密单点定位技术(Precise Point Positioning,PPP)技术,只要给定卫星的轨道和精密钟差,采用精密的观测模型,就可以计算出接收机的精确位置。目前国际GPS服务组织(IGS)能够提供卫星的精密轨道和钟差,卫星轨道的精度能达到2～3cm,卫星钟差的精度优于0.02ns。
随着GPS技术的发展,集成了高精度惯性导航定向系统和全球卫星定位系统的数码航摄系统逐渐出现,其中最具代表性的是推扫式航空传感器ADS系统,可无需进行外业控制测量就可以直接进行加密和测图,不仅大大减少外业控制测量工作及成本,更可以提高工作效率,缩短成图周期。国内对ADS40传感器的各类试验也早已在测绘系统中展开,但多侧重于区域网模式,而在国内,诸如输电线路一类的带状工程中的应用较少。本文结合工程,对基于精密单点定位的ADS40航测技术在线路勘测工程中的应用、精度和误差情况做了一些深入研究。
2 ADS40航摄仪概述
ADS40数码航摄仪是由瑞士的LH公司和德国宇航中心DLR联合研制的,是基于线阵CCD技术的,集成了GPS接收机和惯性测量装置(IMU)的新型摄影测量仪器。ADS40传感器为推扫式数字传感器,由传感器头、控制单元、大容量存储系统、操作界面、导航界面及陀螺稳定平台等组成。
SH40(Sensor Head)中集成高性能镜头系统和惯性测量装置IMU,镜头焦平面上安置7条波段CCD阵列探测器,可以生成黑白、彩色及彩红外影像。3条全色CCD线每条是2×120000个像素,4条多光谱CCD线,每条是12000个像素,像素大小6.5 mm,视场角为64°,焦距62.77mm,3条全色CCD角度分为14°/28°/42°。
ADS40航摄系统使用POS技术,以线阵CCD推扫的方式获取地面的数字影像,并以WGS-84坐标系统为数学基础,所获取的影像需要在多种坐标系中进行处理和转换。
3 试验实施及精度分析
ADS40推扫式数字航摄仪和传统框幅式相机的布点方案完全不同。本次试验利用珙县至宜宾输电线路工程,主要研究了GPS精密单点定位技术下无基站的数据处理、像控布设方案及數据精度情况。该工程地处四川山区,地形复杂,绝对航高2700米,GSD为0.25m。共实施有效航飞8条航带,航飞长度约60km,线路路径基本成南北走向,飞行时未架设基站。
3.1 外业控制测量
坐标基准:平面采用1954北京坐标系,中央子午线105°,高程采用1956黄海高程系。共联测了3个国家已知点,测设8个控制基准点,约50个像控点,用于空三加密和精度检测。
3.2 坐标系的转换(包括平面和高程)
电力线路工程应用一般是基于克拉索夫斯基椭球的1954北京坐标系或1980西安坐标系。而ADS40系统获取的坐标信息主要是WGS84基准的数据,本试验测线长60km,区域较小,因此坐标转换采用Bursa七参数转换法,精度满足工程要求。
3.3 内业数据处理和精度检测
1)数据处理
由于本工程未架设基准站,因此事后收集IGS提供的精密星历数据,采用PPP技术在WGS84基准下,进行GPS数据处理、GPS/IMU数据的融合和空三加密处理(LPS工作站处理)。
2)内符合精度情况
试验按照无控、26、6、3、2、1点不同像控点个数约束进行解算,其内符合精度见表1所示。
无控制点方案即23个点权值均设为999后的内符合精度统计;如果使用像控点参与约束,该点的精度权值设为0.1,不用于约束的像控点权值设为999。
3)外符合精度情况
由上面不同像控点个数约束下进行空三解算后,使用七参数转换的方法,在1954北京坐标系下进行立体量测统计出的精度情况,平面检测点45个,高程检测点50个。
表2中不同方案的外符合精度略有差别,但差别不大,平面中误差在0.2m左右,不超过1个像素,高程中误差不超过2个像素。其中26个像控点参与解算的高程精度相对最好。6点布设方案1的平面精度好于6点布设方案2。由表2还可以看出,1个像控点约束下的平面中误差精度最好。这一结果体现了ADS40数据模型的刚性特征。
为了保证工程数据的可靠性,根据工程长度和分布情况,不超过60km时建议使用六个点进行约束,即能满足电力线路工程勘测要求。线路长度较长时,可根据情况分段使用七参数处理。
试验结果说明,像控点的布设,对高程有一定的约束,对平面精度影响不大。
3.4ADS40数据和DMC相机数据精度比较
该工程的ADS40数据中的局部地方,有同时期的DMC航摄仪空三成果数据,选取重合区域,从ADS40数据立体模型中均匀找出了34个明显特征点,同时在DMC数据中立体观测其三维坐标,进行比较分析,较差结果如下表3所示。
3.5 利用外业终勘数据进行精度分析
沿全线50公里线路方向,选取外业终勘数据平面特征点108点(清晰、无数遮挡、便于立体观测),高程特征点304个。在ADS40立体模型下测量其三维坐标,统计结果如下图和表所示。
经过统计分析,高程误差的概率分别为:
由误差统计及概率论可知,高程误差分布符合正态分布。
4 误差分析
4.1 系统误差
1)硬件系统带来的误差:
IMU轴线偏差,GPS、IMU 的偏心分量,GPS和IMU运行状态(如IMU的系统漂移)等的影响所带来的误差,主要为系统误差。
2)使用七参数坐标转换时带来的系统误差。
像控点的精度会影响空三加密质量,带来系统误差。另外,后期成图时使用1954北京坐标系坐标主要基于七参数转换,因此七参数质量的好坏直接影响最终数据精度和质量。
4.2 偶然误差
飞行时受到不明气流的影响,导致姿态不稳,产生漂移。对于ADS40推扫式相机来说,飞行状态的不稳定对数据获取影响较大。
4.3 其它误差
(1)人工量测像控点和检测点时带来的不确定误差。
内业像控点量测是基于L0级影像,无法在立体下观测刺点。因此L0级影像下的像控点转刺主要依靠人工经验,受人为因素影响较大。
(2)INS(惯性导航系统)精度、状态等因素带来的系统误差外的其它误差。
5 总结
单点定位技术的应用可以在无基站的作业模式下最大限度地减少野外工作,同时缩短工期,节约成本。ADS40航空摄影系统集成了POS技术,采用单一的镜头获取完整影像,从不同视角进行摄影,重叠度高,空三结果可靠,精度满足工程需求。这几项技术的综合使用,配合高效计算机处理,将可以大大提高4D产品的生产周期和工作效率,也将成为我国测绘行业新的主要作业模式。
参考文献
[1] 刘军,张永生,范永弘,ADS40机载数字传感器的摄影测量处理与应用[J].测绘学院学报,2002(9).
[2] 陈弘奕,ADS40在带状线路测量中的应用研究[J].测绘通报,2009,4.
[3] 郑彦春等,机载激光测量技术在大区域工程中的应用中的坐标转换问题[J].测绘通报,2009,7.
[4] 杨庚印,徕卡ADS80数字航空相机的精度验证和技术探讨[J].测绘通报,2010,8.
关键词:PPPADS40电力勘测带状工程精度分析
中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(b)-0108-02
1 引言
GPS技术以其可在全球范围内实现全天候、联系、实时的三维导航、定位、测时、测速的特点,在测量领域得到广泛应用,其相对定位的定位方式发展迅速,从最先的码相对定位到现在的RTK,使GPS定位精度不断提高,而绝对定位即单点定位发展相对缓慢。美国喷气推进实验室(JPL)的Zumberge提出了精密单点定位技术(Precise Point Positioning,PPP)技术,只要给定卫星的轨道和精密钟差,采用精密的观测模型,就可以计算出接收机的精确位置。目前国际GPS服务组织(IGS)能够提供卫星的精密轨道和钟差,卫星轨道的精度能达到2～3cm,卫星钟差的精度优于0.02ns。
随着GPS技术的发展,集成了高精度惯性导航定向系统和全球卫星定位系统的数码航摄系统逐渐出现,其中最具代表性的是推扫式航空传感器ADS系统,可无需进行外业控制测量就可以直接进行加密和测图,不仅大大减少外业控制测量工作及成本,更可以提高工作效率,缩短成图周期。国内对ADS40传感器的各类试验也早已在测绘系统中展开,但多侧重于区域网模式,而在国内,诸如输电线路一类的带状工程中的应用较少。本文结合工程,对基于精密单点定位的ADS40航测技术在线路勘测工程中的应用、精度和误差情况做了一些深入研究。
2 ADS40航摄仪概述
ADS40数码航摄仪是由瑞士的LH公司和德国宇航中心DLR联合研制的,是基于线阵CCD技术的,集成了GPS接收机和惯性测量装置(IMU)的新型摄影测量仪器。ADS40传感器为推扫式数字传感器,由传感器头、控制单元、大容量存储系统、操作界面、导航界面及陀螺稳定平台等组成。
SH40(Sensor Head)中集成高性能镜头系统和惯性测量装置IMU,镜头焦平面上安置7条波段CCD阵列探测器,可以生成黑白、彩色及彩红外影像。3条全色CCD线每条是2×120000个像素,4条多光谱CCD线,每条是12000个像素,像素大小6.5 mm,视场角为64°,焦距62.77mm,3条全色CCD角度分为14°/28°/42°。
ADS40航摄系统使用POS技术,以线阵CCD推扫的方式获取地面的数字影像,并以WGS-84坐标系统为数学基础,所获取的影像需要在多种坐标系中进行处理和转换。
3 试验实施及精度分析
ADS40推扫式数字航摄仪和传统框幅式相机的布点方案完全不同。本次试验利用珙县至宜宾输电线路工程,主要研究了GPS精密单点定位技术下无基站的数据处理、像控布设方案及數据精度情况。该工程地处四川山区,地形复杂,绝对航高2700米,GSD为0.25m。共实施有效航飞8条航带,航飞长度约60km,线路路径基本成南北走向,飞行时未架设基站。
3.1 外业控制测量
坐标基准:平面采用1954北京坐标系,中央子午线105°,高程采用1956黄海高程系。共联测了3个国家已知点,测设8个控制基准点,约50个像控点,用于空三加密和精度检测。
3.2 坐标系的转换(包括平面和高程)
电力线路工程应用一般是基于克拉索夫斯基椭球的1954北京坐标系或1980西安坐标系。而ADS40系统获取的坐标信息主要是WGS84基准的数据,本试验测线长60km,区域较小,因此坐标转换采用Bursa七参数转换法,精度满足工程要求。
3.3 内业数据处理和精度检测
1)数据处理
由于本工程未架设基准站,因此事后收集IGS提供的精密星历数据,采用PPP技术在WGS84基准下,进行GPS数据处理、GPS/IMU数据的融合和空三加密处理(LPS工作站处理)。
2)内符合精度情况
试验按照无控、26、6、3、2、1点不同像控点个数约束进行解算,其内符合精度见表1所示。
无控制点方案即23个点权值均设为999后的内符合精度统计;如果使用像控点参与约束,该点的精度权值设为0.1,不用于约束的像控点权值设为999。
3)外符合精度情况
由上面不同像控点个数约束下进行空三解算后,使用七参数转换的方法,在1954北京坐标系下进行立体量测统计出的精度情况,平面检测点45个,高程检测点50个。
表2中不同方案的外符合精度略有差别,但差别不大,平面中误差在0.2m左右,不超过1个像素,高程中误差不超过2个像素。其中26个像控点参与解算的高程精度相对最好。6点布设方案1的平面精度好于6点布设方案2。由表2还可以看出,1个像控点约束下的平面中误差精度最好。这一结果体现了ADS40数据模型的刚性特征。
为了保证工程数据的可靠性,根据工程长度和分布情况,不超过60km时建议使用六个点进行约束,即能满足电力线路工程勘测要求。线路长度较长时,可根据情况分段使用七参数处理。
试验结果说明,像控点的布设,对高程有一定的约束,对平面精度影响不大。
3.4ADS40数据和DMC相机数据精度比较
该工程的ADS40数据中的局部地方,有同时期的DMC航摄仪空三成果数据,选取重合区域,从ADS40数据立体模型中均匀找出了34个明显特征点,同时在DMC数据中立体观测其三维坐标,进行比较分析,较差结果如下表3所示。
3.5 利用外业终勘数据进行精度分析
沿全线50公里线路方向,选取外业终勘数据平面特征点108点(清晰、无数遮挡、便于立体观测),高程特征点304个。在ADS40立体模型下测量其三维坐标,统计结果如下图和表所示。
经过统计分析,高程误差的概率分别为:
由误差统计及概率论可知,高程误差分布符合正态分布。
4 误差分析
4.1 系统误差
1)硬件系统带来的误差:
IMU轴线偏差,GPS、IMU 的偏心分量,GPS和IMU运行状态(如IMU的系统漂移)等的影响所带来的误差,主要为系统误差。
2)使用七参数坐标转换时带来的系统误差。
像控点的精度会影响空三加密质量,带来系统误差。另外,后期成图时使用1954北京坐标系坐标主要基于七参数转换,因此七参数质量的好坏直接影响最终数据精度和质量。
4.2 偶然误差
飞行时受到不明气流的影响,导致姿态不稳,产生漂移。对于ADS40推扫式相机来说,飞行状态的不稳定对数据获取影响较大。
4.3 其它误差
(1)人工量测像控点和检测点时带来的不确定误差。
内业像控点量测是基于L0级影像,无法在立体下观测刺点。因此L0级影像下的像控点转刺主要依靠人工经验,受人为因素影响较大。
(2)INS(惯性导航系统)精度、状态等因素带来的系统误差外的其它误差。
5 总结
单点定位技术的应用可以在无基站的作业模式下最大限度地减少野外工作,同时缩短工期,节约成本。ADS40航空摄影系统集成了POS技术,采用单一的镜头获取完整影像,从不同视角进行摄影,重叠度高,空三结果可靠,精度满足工程需求。这几项技术的综合使用,配合高效计算机处理,将可以大大提高4D产品的生产周期和工作效率,也将成为我国测绘行业新的主要作业模式。
参考文献
[1] 刘军,张永生,范永弘,ADS40机载数字传感器的摄影测量处理与应用[J].测绘学院学报,2002(9).
[2] 陈弘奕,ADS40在带状线路测量中的应用研究[J].测绘通报,2009,4.
[3] 郑彦春等,机载激光测量技术在大区域工程中的应用中的坐标转换问题[J].测绘通报,2009,7.
[4] 杨庚印,徕卡ADS80数字航空相机的精度验证和技术探讨[J].测绘通报,2010,8.