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无地面控制Worldview卫星影像测量在公路勘察设计中的应用

2016-05-17 11:07:22来源:中交第二公路勘察设计研究院 编辑:浏览:

针对我国公路建设的新发展和新形势, 讨论了在无地面控制点情况下Wor ldview 卫星影像测量方法用于公路勘察设计的可行性。试验结果表明, 在无地面控制点情况下, Wo rldview 卫星影像完全满足1∶10 000 比例尺地形图的精度要求, 可用于公路勘察设计中工程可行性研究。

随着我国公路建设的发展, 其建设重心呈现出向中西部、边远、荒漠等困难地区延伸的趋势。这些地区, 或交通不便、人迹罕至, 或崇山峻岭、地势险峻, 或是有争议的边界地带等等, 建设环境异常恶劣。基于航空摄影测量的公路测设方法存在外业控制测量难、航空摄影难等诸多缺陷, 不能完全满足公路建设的要求。

1999 年, 1 m 分辨率的IKONOS-2 卫星的成功发射, 开启了高分辨率卫星测量的新时代。至今, 小于1 m 的高分辨率卫星有美国QuickBird(0 .61 m)、WorldView-1/2(0 .5 m)、Geo eye(0 .5m)等。随着对地观测技术和卫星测控技术的飞速发展, 卫星影像的地面分辨率越来越高, 所提供的卫星星历数据亦越来越准确, 卫星测量的发展使其替代航空摄影测量成为可能。为此, 本文将着重讨论无地面控制情况下Worldview 卫星影像测量在公路勘察设计中的应用。

1 无地面控制卫星区域网平差

1 .1 有理函数模型

有理函数模型(RFM 模型)不仅可以达到与严格几何模型相当的精度, 而且具有与传感器无关、形式简单、便于计算的优点。其将地面点大地坐标D(lati tude , long itude , height)与其对应的像点坐标d(line , sample)用比值多项式关联起来。为了增强参数求解的稳定性, 将地面坐标和影像坐标正则化, 取值位于(-1 , 1)之间。对于一幅影像, 定义如下比值多项式[ 1] :

式中:(P , L , H )为正则化的地面坐标;NumL(P , L , H)、DenL (P , L , H) 、NumL(P , L , H)和Dens(P , L , H)均为(P , L , H )的三次有理多项式, 但系数不同。具体公式形式可参考文献[ 2]

1 .2 无地面控制卫星影像区域网平差

对于无地面控制卫星影像测量, 本文采用区域网平差的方式实现。相比于直接前方交会, 该方法的优点在于, 可利用影像间连接点的相互约束关系, 补偿有理函数模型的系统误差, 从而提高最终定位精度。

通常情况下, 该系统误差采用像方仿射变换模型进行改正, 具体形式如下:

(pxi , py i)(i =0 , 1 , 2)为仿射变换系数。对于每个连接点和地面控制点, 由式(2)可得其对应误差方程:

式中:(d lat , d lon , dheight)为连接点或地面控制点的物方坐标。矩阵形式如下:

本文采用列立改化法方程的策略, 消除地面坐标未知数, 仅仅保留仿射变换系数, 然后采用与传统光束法平差相同的方法进行求解。基于RFM 模型的区域网平差中误差方程各个系数的具体公式和计算, 可参考文献[ 3] , 在此不再赘述。

2试验结果与分析

2 .1 试验区概况

试验区选在依托工程西宁至武威公路大通至小沙河段(全长120 km)、西宁至张掖公路门源至扁都口段(全长130 km)相交的地段, 试验区约呈“7”字状, 沿路线东西约40 km , 南北长约30 km ,宽约10 km , 位于门源县及以东地区。试验区地理位置在北纬37°06′17″~ 37°25′31″, 东经101°29′06″~ 101°58′43″之间。

试验区地处青藏高原和黄土高原的过渡地带, 区域地貌宏观上属于高山峡谷地貌, 峡谷、盆地相间。地形地貌条件复杂, 位于麓群峰耸的祁连山的南部, “7”字状区域的东西横向主要包括门 源县县城, 属于大通河谷地, 地形相对平坦。但“7”字状区域的南北纵向, 山地丘陵较多, 高拔陡峻的大阪山自西向东横向穿过。

试验区交通条件良好, S302 省道自西向东贯通整个试验区, 并在“7”字状试验区的南北方向,一条等外公路与S302 省道相接于东川镇, 并穿过大通河, 经卡子沟、卡子沟脑, 绕过俄博山, 纵穿大阪山脉, 过大满沟, 抵达试验区最南部, 交通比较便利。

2 .2 影像资料介绍

覆盖试验区的影像主要由4 条Wo rldview扫描条带影像构成, 条带号分别为41410 、41331 、41041 和40948 , 每扫描条带影像按景大小分割为若干幅, 共22 幅影像。其中, 条带41041 和 40948 的影像在南北向构成立体, 条带41410 和41331 的影像在东西向构成立体, 并在西向尾部和南北向条带影像具有一定重叠。

为了有效地评价无地面控制卫星测量的定位精度, 在试验区范围内尽可能多的布置了影像控制点。在试验区范围内, 沿路线前行方向, 按照相邻点对间距3 ~ 5 km 的密度布设四等基础控制 点, 共布设了15 对, 每对点之间保持通视, 间隔介于500 ~ 1 000 m 。影像控制点的布设是在四等基础控制的基础上, 每隔3 km 距离布设一排平高影像控制点。对于每排影像控制点, 在影像像幅约10 km 宽范围内, 每间隔3 km 左右布设一个影像控制点。试验区内共均匀分布了52 个影像控制点。

2 .3 试验结果分析

为了评价无地面控制卫星测量的定位精度,将52 个影像控制点全部作为检查点, 并采用3 种方案对试验区Worldview 卫星影像进行了试验。方案一是仅对东西向Worldview 条带影像进行 无控平差, 方案二是仅对南北向Worldview 条带影像进行无控平差, 方案三是对东西向、南北向Worldview 条带影像同时进行无控平差, 具体精度结果如表1 。

表1 无地面控制卫星影像区域网平差结果

从表1 可见, 3 种方案分别取得了平面2 .763m 、高程0 .695 m , 平面4 .693 m 、高程0 .933 m 、平面1 .653 m 、高程1 .578 m 的定位精度, 与WorldView 标称的3 ~ 7 .5 m 定位精度相符。此外, 通过影像间连接点的约束关系, 可补偿RPC模型的部分系统误差, 使得整体平差的精度优于单个方向条带影像平差的精度。无论采用哪种方案, 均完全满足规范对于1 ∶10 000 比例尺山形地形测图内业检查点坐标不符值平面≤5 .0 m 、高程≤2 .0 m 的精度要求 , 可用于公路勘察设计中工程可行性的研究。

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WorldView-3

卫星类型: 对地观测

所属国家: 美国

分辨率: 0.3米

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