摘要：利用交向摄影方式，用一台相机，分别在两个摄站点获取同一范围的影像，利用数字罗盘测相机的姿态，GPS 测摄站点坐标，利用单片后方交会及像对前方交会解求待定地物点的三维坐标，为不易到达地区目标测量提供技术方法。
关键词：GPS； 近景摄影测量； 交向摄影；技术方法
1 引言
目前，外业测绘常用的测量方式有全站仪、GPS 等方式，其测量精度较高。但全站仪适用于测量少量的点，多用于控制点的测量； GPS 测量会受到信号遮挡的影响。多属于接触式测量，需要测量人员靠近待测目标，不适合一些危险地区、不易到达地区的测量。而近景测量是一种无接触的测量方式，只需要几个必要的控制点即可，只要在有效测量范围内，能看到即能测量，可以弥补接触式测量的不足[1]。目前，近景测量大多采用两台摄影机，获取立体像对，侧重于物体形态的测量，不注重于点绝对位置的测量。
针对上述情况，为了使近景测量技术应用于测图领域，本文提出利用 GPS 测出摄站点的坐标，减少外方位元素未知数的个数，从而减少控制点的个数； 利用数字罗盘测出相机姿态，提供像片外方位角元素的初始值； 利用一台相机，采用交向摄影方式拍摄照片。
2 硬件支持
基于 GPS 的近景测量定位方 法所需的主要硬件由GPS部分、三维数字罗 盘、数码相机及掌上电脑组成。
GPS部分由 GPS-OEM 板及天线组成，用于获取摄站点的三维坐标； 数码相机，用于获取目标区域的影像；三维数字罗盘，用于测定相
机的姿态； 掌上电脑，各类信息存储与处理软件的载体。
相机镜头的朝向与数字罗盘长边的指向相同，使相机CCD 所在的平面与数字罗盘基本垂直，相机 CCD 与数字罗盘的空间关系如图 1 所示。GPS 天线所在的平面与数字罗盘平行，天线相位中心与摄影中心的相对位置是固定的，可推出两者的相对位置关系，从而实现根据天线坐标归算出摄影中心的坐标。
3 基本原理
采用的是交向摄影方式，利用一台相机，在两个不同的摄站点对同一目标区域拍照，同时，连续记录
GPS 数据及罗盘数据。相机曝光时的像片、GPS 数据及罗盘数据通过时间这个参数联系起来[2，3]。利用单片后方交会解算每张像片的外方位元素，利用像对前方交会解算待定地物点的三维坐标。为了减少未知数的个数，从而减少控制点的个数，相机经过检校，确定了像片的内方位元素及镜头畸变参数。
利用后方交会方法求像片外方位角元素时，外方位直线元素为已知值，是相机曝光时刻的摄影中心的坐标，由曝光时刻的天线坐标归心得到； 外方位角元素的初始值由相机曝光时刻的罗盘数据（ 磁方位角、俯仰角、横滚角） 转换得到。像片外方位元素求得后，利用像对前方交会求得待求点坐标。
外方位直线元素已知时，解算外方位角元素的像点坐标观测值误差方程式见公式（ 1） ：
一个像点及对应的地物点可列出一组方程，要解算三个未知数，要求至少为 2 个像控点，根据最小二乘原理，经过迭代计算，可求出外方位角元素。
根据后方交会计算出的像片外方位元素，结合同名像点，利用像对前方交会可解算出待定地物点的地理坐标。像点坐标观测值的误差方程式见公式（ 2） ：
每一张像片，可列出上式的一组方程，三个未知数要求至少为两张像片。根据最小二乘原理，经过迭代计算，可求出待定地物点的三维坐标[5]。
公式中，x ，y 表示像点坐标；（x ），（ y ）为像点坐标的近似值； vx，vy为像点坐标观测值的改正数； Δφ ，Δω ，Δk为三个外方位角元素的改正数； ΔX ，ΔY ，ΔZ 为待定点坐标的改正数。
4 实验结果及分析
相机在运动中分别在两个摄站点拍摄同一目标区域的像片，两摄站点之间的距离约为 120 m，摄站点分别距目标点的距离约为 380 m，相机的横向视场角约为 30°，两张像片的交向夹角，即两摄站点处镜头视准轴夹角约为 35°，两摄站点到各个目标点构成的交会角约为 12°。首先利用每张像片拍摄范围内的三个控制点，进行后方交会计算，解算出外方位角元素，再利用两张像片进行前方交会计算，解算出拍摄范围的 12 个特征点的三维坐标。
关键词：GPS； 近景摄影测量； 交向摄影；技术方法
1 引言
目前，外业测绘常用的测量方式有全站仪、GPS 等方式，其测量精度较高。但全站仪适用于测量少量的点，多用于控制点的测量； GPS 测量会受到信号遮挡的影响。多属于接触式测量，需要测量人员靠近待测目标，不适合一些危险地区、不易到达地区的测量。而近景测量是一种无接触的测量方式，只需要几个必要的控制点即可，只要在有效测量范围内，能看到即能测量，可以弥补接触式测量的不足[1]。目前，近景测量大多采用两台摄影机，获取立体像对，侧重于物体形态的测量，不注重于点绝对位置的测量。
针对上述情况，为了使近景测量技术应用于测图领域，本文提出利用 GPS 测出摄站点的坐标，减少外方位元素未知数的个数，从而减少控制点的个数； 利用数字罗盘测出相机姿态，提供像片外方位角元素的初始值； 利用一台相机，采用交向摄影方式拍摄照片。
2 硬件支持
基于 GPS 的近景测量定位方 法所需的主要硬件由GPS部分、三维数字罗 盘、数码相机及掌上电脑组成。
GPS部分由 GPS-OEM 板及天线组成，用于获取摄站点的三维坐标； 数码相机，用于获取目标区域的影像；三维数字罗盘，用于测定相
机的姿态； 掌上电脑，各类信息存储与处理软件的载体。
相机镜头的朝向与数字罗盘长边的指向相同，使相机CCD 所在的平面与数字罗盘基本垂直，相机 CCD 与数字罗盘的空间关系如图 1 所示。GPS 天线所在的平面与数字罗盘平行，天线相位中心与摄影中心的相对位置是固定的，可推出两者的相对位置关系，从而实现根据天线坐标归算出摄影中心的坐标。
3 基本原理
采用的是交向摄影方式，利用一台相机，在两个不同的摄站点对同一目标区域拍照，同时，连续记录
GPS 数据及罗盘数据。相机曝光时的像片、GPS 数据及罗盘数据通过时间这个参数联系起来[2，3]。利用单片后方交会解算每张像片的外方位元素，利用像对前方交会解算待定地物点的三维坐标。为了减少未知数的个数，从而减少控制点的个数，相机经过检校，确定了像片的内方位元素及镜头畸变参数。
利用后方交会方法求像片外方位角元素时，外方位直线元素为已知值，是相机曝光时刻的摄影中心的坐标，由曝光时刻的天线坐标归心得到； 外方位角元素的初始值由相机曝光时刻的罗盘数据（ 磁方位角、俯仰角、横滚角） 转换得到。像片外方位元素求得后，利用像对前方交会求得待求点坐标。
外方位直线元素已知时，解算外方位角元素的像点坐标观测值误差方程式见公式（ 1） ：
一个像点及对应的地物点可列出一组方程，要解算三个未知数，要求至少为 2 个像控点，根据最小二乘原理，经过迭代计算，可求出外方位角元素。
根据后方交会计算出的像片外方位元素，结合同名像点，利用像对前方交会可解算出待定地物点的地理坐标。像点坐标观测值的误差方程式见公式（ 2） ：
每一张像片，可列出上式的一组方程，三个未知数要求至少为两张像片。根据最小二乘原理，经过迭代计算，可求出待定地物点的三维坐标[5]。
公式中，x ，y 表示像点坐标；（x ），（ y ）为像点坐标的近似值； vx，vy为像点坐标观测值的改正数； Δφ ，Δω ，Δk为三个外方位角元素的改正数； ΔX ，ΔY ，ΔZ 为待定点坐标的改正数。
4 实验结果及分析
相机在运动中分别在两个摄站点拍摄同一目标区域的像片，两摄站点之间的距离约为 120 m，摄站点分别距目标点的距离约为 380 m，相机的横向视场角约为 30°，两张像片的交向夹角，即两摄站点处镜头视准轴夹角约为 35°，两摄站点到各个目标点构成的交会角约为 12°。首先利用每张像片拍摄范围内的三个控制点，进行后方交会计算，解算出外方位角元素，再利用两张像片进行前方交会计算，解算出拍摄范围的 12 个特征点的三维坐标。
为了方便实际的应用，选择日标区域的明显地物点 （即特征点），本次试验选择房屋等建筑物的拐角作为控制点及检核点，用GPS静态观测20 min并经后处理得到特征点的坐标，为WCS84坐标系下的卞间直角坐标。控制点及检核点的精度约为10 <：m，摄站点坐标
为在运动中相机曝光时刻的瞬时坐标，动态（；PS数据后处理精度约为20 cm。
根据摄影测量的特点，解算结果纵深方向误差偏大。本次试验，相机两视准轴的磁方位角范围约在 344° ～ 360°及0° ～18°之间，根据表 1 及图 5 可看出，本次试验的纵深方向（ 即 X 方向） 上的误差比其他两个方向偏大。
5 结束语
实验证明，利用本方法测点，相机可在动态时拍摄像片，比常规近景摄影测量方式灵活，易操作、控制点少。但因控制点及摄站点的精度影响，导致解算的精度受到限制，随着 GPS 测量后处理精度的提高，摄站点精度亦随之提高，从而提高解算地物点坐标的精度。还需继续研究以下问题： ①选取动态人工目标作为控制点（ 如运动平台加GPS 接收机等） ，实现无接触式测量； ②不用控制点，实现无控制测量。
参考文献
[1] 黄淑艳，孙芳 . 一种简易近景无加密立体测量方式的研究 [J]测 绘 与 空 间 地 理 信 息，2008，31（ 4） .
[2] 张建霞，王留召，王宝山 . 数字近景摄影测量测图应用探讨 [J]测绘科学，2006，31（ 2） ： 47-48.
[3] 胡开全，王阳生，罗强，等 . 基于多基线数字近景摄影测量测制 1∶500 地形图的应用研究 [J]测绘与空间地理信息，2010，33（ 1） ： 183-185.
为在运动中相机曝光时刻的瞬时坐标，动态（；PS数据后处理精度约为20 cm。
根据摄影测量的特点，解算结果纵深方向误差偏大。本次试验，相机两视准轴的磁方位角范围约在 344° ～ 360°及0° ～18°之间，根据表 1 及图 5 可看出，本次试验的纵深方向（ 即 X 方向） 上的误差比其他两个方向偏大。
5 结束语
实验证明，利用本方法测点，相机可在动态时拍摄像片，比常规近景摄影测量方式灵活，易操作、控制点少。但因控制点及摄站点的精度影响，导致解算的精度受到限制，随着 GPS 测量后处理精度的提高，摄站点精度亦随之提高，从而提高解算地物点坐标的精度。还需继续研究以下问题： ①选取动态人工目标作为控制点（ 如运动平台加GPS 接收机等） ，实现无接触式测量； ②不用控制点，实现无控制测量。
参考文献
[1] 黄淑艳，孙芳 . 一种简易近景无加密立体测量方式的研究 [J]测 绘 与 空 间 地 理 信 息，2008，31（ 4） .
[2] 张建霞，王留召，王宝山 . 数字近景摄影测量测图应用探讨 [J]测绘科学，2006，31（ 2） ： 47-48.
[3] 胡开全，王阳生，罗强，等 . 基于多基线数字近景摄影测量测制 1∶500 地形图的应用研究 [J]测绘与空间地理信息，2010，33（ 1） ： 183-185.
