本發(fā)明涉及工程測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及樓房密集區(qū)隱蔽點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，通常簡(jiǎn)稱GPS)，又稱全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是一個(gè)中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)(98％)提供準(zhǔn)確的定位、測(cè)速和高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)由美國(guó)國(guó)防部研制和維護(hù)，可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續(xù)精確的三維位置、三維運(yùn)動(dòng)和時(shí)間的需要。該系統(tǒng)包括太空中的24顆GPS衛(wèi)星，地面上的1個(gè)主控站、3個(gè)數(shù)據(jù)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站及作為用戶端的GPS接收機(jī)。通過測(cè)量衛(wèi)星就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度，并且所能聯(lián)接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來的位置就越精確。
實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分測(cè)量(Real Time Kinematic，通常簡(jiǎn)稱RTK)，這是一種常用的基于GPS技術(shù)的測(cè)量方法，高精度的GPS測(cè)量必須采用載波相位觀測(cè)值，GPS RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度。
在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接受來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果，歷時(shí)不足一秒鐘。流動(dòng)站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可在固定點(diǎn)上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動(dòng)態(tài)作業(yè)，也可在動(dòng)態(tài)條件下直接開機(jī)，并在動(dòng)態(tài)環(huán)境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周未知數(shù)解固定后，即可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理，只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。
GPS RTK是一種新的GPS測(cè)量方法，以前的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。
GPS RTK技術(shù)的高精度定位優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，其選點(diǎn)靈活，測(cè)站之間不需要互相通視，依靠接收自衛(wèi)星發(fā)射來的無線電信號(hào)實(shí)現(xiàn)精確定位。但是同時(shí)，由于無線電信號(hào)頻率高、功率低，使得存在于GPS接收機(jī)和衛(wèi)星之間路徑上的任何物體都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的操作產(chǎn)生有害影響。比如樓房，可能會(huì)完全屏蔽衛(wèi)星信號(hào)。
GPS RTK要求至少能夠連續(xù)鎖定4顆適當(dāng)分布的衛(wèi)星，才能實(shí)現(xiàn)精確可靠的定位，這就要求測(cè)量點(diǎn)附近必須留有足夠的開放空間。這一條件對(duì)于樓房密集區(qū)是不易達(dá)到的。在GPS RTK測(cè)量中，將不能達(dá)到GPS RTK觀測(cè)條件的點(diǎn)稱作隱蔽點(diǎn)，隱蔽點(diǎn)一般位于高層建筑物的L形拐角處、大樹底下等。
對(duì)于隱蔽點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量，授權(quán)公告號(hào)為CN102565812B的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種GPS RTK中測(cè)量隱蔽點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)的方法。其具體包括以下步驟：
1、制作輔助測(cè)量裝置
輔助測(cè)量裝置包括通過鉸鏈?zhǔn)孜蚕嗷ミB接組成三角形的測(cè)桿，且測(cè)桿的長(zhǎng)度可調(diào)整范圍為1.5m至2.5m；并且每根測(cè)桿上均安裝有水準(zhǔn)管。
2、外業(yè)數(shù)據(jù)采集
1)安置輔助測(cè)量裝置，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況調(diào)整輔助測(cè)量裝置的各邊長(zhǎng)，將輔助測(cè)量裝置的三角形的一個(gè)頂點(diǎn)安置在待測(cè)的隱蔽點(diǎn)O點(diǎn)，將另外兩個(gè)頂點(diǎn)分別安置在兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)A點(diǎn)和B點(diǎn)上，并觀察安裝在每根測(cè)桿上的水準(zhǔn)管，使每根測(cè)桿保持水平狀態(tài)；其中A點(diǎn)和B點(diǎn)相互通視；
2)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，利用GPS RTK流動(dòng)站獲取測(cè)量點(diǎn)A點(diǎn)和B點(diǎn)的GPS RTK坐標(biāo)；
3)信息記錄，需要記錄的數(shù)據(jù)有，隱蔽點(diǎn)點(diǎn)號(hào)NoO，測(cè)量點(diǎn)點(diǎn)號(hào)NoA，測(cè)量點(diǎn)點(diǎn)號(hào)NoB；A點(diǎn)的X坐標(biāo)XA，A點(diǎn)的Y坐標(biāo)YA，A點(diǎn)的高程值hA；B點(diǎn)的X坐標(biāo)XB，B點(diǎn)的Y坐標(biāo)YB，B點(diǎn)的高程值hB；輔助測(cè)量裝置的邊長(zhǎng)SOA、SAB、SBO。
3、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理
1)解三角形，已知△ABO的邊長(zhǎng)SOA、SAB和SBO，利用余弦定理分別求出∠AOB，∠OAB，∠OBA；
2)計(jì)算AB的方位角αAB，方位角的定義為，由北方向沿順時(shí)針方向量測(cè)到測(cè)線上的夾角，稱為該直線的方位角，其范圍是0°至360°。AB的方位角αAB的具體計(jì)算方法為，首先分別計(jì)算X方向和Y方向上的坐標(biāo)增量△XAB和△YAB；
△XAB＝XB-XA
△YAB＝Y(jié)B-YA
其次計(jì)算坐標(biāo)增量的反正切值αAB銳
最后通過△XAB、△YAB的正負(fù)號(hào)來判斷αAB所在的象限，得到AB的方位角αAB；
3)計(jì)算AO方位角αAO
αAO＝αAB-∠OAB；
4)求隱蔽點(diǎn)O點(diǎn)的坐標(biāo)，由A、O兩點(diǎn)邊長(zhǎng)SAO和坐標(biāo)方位角αAO，計(jì)算坐標(biāo)增量△XAO和△YAO；
△XAO＝SAOcosαAO
△YAO＝SAOsinαAO
求得隱蔽點(diǎn)O點(diǎn)的坐標(biāo)為：
XO＝XA+△XAO
YO＝Y(jié)A+△YAO
hO＝(hA+hB)/2。
上述技術(shù)方案在實(shí)際實(shí)施過程中，在測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)采集這一步，可能會(huì)出現(xiàn)由于衛(wèi)星信號(hào)問題，而出現(xiàn)無法獲取A點(diǎn)和B點(diǎn)的坐標(biāo)值的情況。這一問題也在上述專利的說明書中有明確記載。
在工程測(cè)量實(shí)踐中，這一問題確實(shí)是存在的，尤其是對(duì)于城市樓房密集區(qū)的測(cè)量，因相鄰樓房之間的距離較近，使得測(cè)量點(diǎn)附近的空間較為窄小，從而無法滿足GPS RTK的測(cè)量條件。
對(duì)于這一問題，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員提出了理論方案并進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證，結(jié)果證明，方案具有較高的可行性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種樓房密集區(qū)隱蔽點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量方法，結(jié)合GPS RTK技術(shù)和米級(jí)遙感影像，實(shí)現(xiàn)樓房密集區(qū)隱蔽點(diǎn)的物方坐標(biāo)的確定。
本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的：一種樓房密集區(qū)隱蔽點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量方法，包括
步驟一、布設(shè)像控點(diǎn)：基于獲取的包含測(cè)區(qū)的米級(jí)遙感影像選取至少六個(gè)像控點(diǎn)，且所述像控點(diǎn)均選擇在樓房的頂部；依次對(duì)選擇的像控點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，同時(shí)對(duì)應(yīng)記錄每個(gè)像控點(diǎn)的像方坐標(biāo)(ui,vi)；
步驟二、地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集：依據(jù)步驟一選取的像控點(diǎn)，使用多臺(tái)GPS RTK同時(shí)測(cè)得像控點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)(Xi,Yi)，并進(jìn)行記錄；
步驟三、建立像方坐標(biāo)和物方坐標(biāo)的數(shù)學(xué)關(guān)系式：基于步驟一獲取的像控點(diǎn)的像方坐標(biāo)(ui,vi)和步驟二獲取的地面控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)(Xi,Yi)，利用最小二乘算法構(gòu)建如下數(shù)學(xué)關(guān)系式：
并變形換算成如下的誤差方程式：
M＝BL+P
其中：
L＝[L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 L11 k1]T
A＝L9 X+L10 Y+L11 Z+1
解求出L系數(shù)；
步驟四、解算隱蔽點(diǎn)的物方坐標(biāo)：基于步驟三建立的像方坐標(biāo)和物方坐標(biāo)的數(shù)學(xué)關(guān)系式及解求的L系數(shù)，換算得到隱蔽點(diǎn)的物方坐標(biāo)的誤差方程式：
V＝NS+Q
其中：
S＝[X Y Z]T
u′＝u+k1ur2
v′＝v+k1vr2
并代入隱蔽點(diǎn)的像方坐標(biāo)，解算出隱蔽點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物方坐標(biāo)。
通過采用上述技術(shù)方案，像控點(diǎn)選取在樓房的頂部，保證對(duì)應(yīng)的地面控制點(diǎn)的附近有足夠開放的空間，從而使得在使用GPS RTK進(jìn)行地面控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)的測(cè)量時(shí)，能夠連續(xù)鎖定至少4顆分布適當(dāng)?shù)男l(wèi)星。
作為優(yōu)選，步驟一中選取的所述像控點(diǎn)均勻分布在所述測(cè)區(qū)內(nèi)。
通過采用上述技術(shù)方案，若像控點(diǎn)的布設(shè)相對(duì)集中，將使得距離像控點(diǎn)較遠(yuǎn)的隱蔽點(diǎn)受到的控制減弱，從而降低解算出來的隱蔽點(diǎn)的物方坐標(biāo)的精度。
作為優(yōu)選，所述測(cè)區(qū)位于所述遙感影像的中部。
通過采用上述技術(shù)方案，相比于遙感影像的邊沿，遙感影像的中部的形變量較小。
作為優(yōu)選，步驟一獲取的包含測(cè)區(qū)的遙感影像可采用WorldView衛(wèi)星獲取的多光譜影像。
通過采用上述技術(shù)方案，WorldView衛(wèi)星獲取的多光譜影像具有空間分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明將GPS RTK技術(shù)和遙感影像相結(jié)合，將地面控制點(diǎn)布設(shè)在樓房的頂部，保證在使用GPS RTK進(jìn)行地面控制點(diǎn)的測(cè)量時(shí)，能夠連續(xù)鎖定至少四顆分布適當(dāng)?shù)男l(wèi)星，從而快速、精確地測(cè)定地面控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)；然后基于一一對(duì)應(yīng)的像控點(diǎn)的像方坐標(biāo)和地面控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)，建立像方坐標(biāo)和物方坐標(biāo)的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并通過誤差方程式解算出數(shù)學(xué)關(guān)系式中的系數(shù)；最后通過隱蔽點(diǎn)的像方坐標(biāo)和換算得到的隱蔽點(diǎn)的物方坐標(biāo)的誤差方程，解算出隱蔽點(diǎn)的物方坐標(biāo)。
具體實(shí)施方式
為對(duì)本發(fā)明有更透徹地理解，現(xiàn)對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。
一種樓房密集區(qū)隱蔽點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
步驟一、布設(shè)像控點(diǎn)
1、向遙感影像供應(yīng)商購(gòu)買包含測(cè)區(qū)的米級(jí)遙感影像，并且購(gòu)買的遙感影像獲取的時(shí)間距離測(cè)量時(shí)間較近；另外，優(yōu)選測(cè)區(qū)位于中部的遙感影像，可購(gòu)買WorldView衛(wèi)星獲取的多光譜影像。
WorldView衛(wèi)星是Digitalglobe公司的商業(yè)成像衛(wèi)星系統(tǒng)，目前已發(fā)射有三顆衛(wèi)星。WorldView-I于2007年9月18日發(fā)射成功，WorldView-II于2009年10月8日發(fā)射成功，WorldView-Ⅲ于2014年8月13日發(fā)射成功。其中，WorldView-I衛(wèi)星的遙感器波段僅有全色波段；WorldView-II衛(wèi)星和WorldView-Ⅲ的遙感器波段均有多光譜波段和全色波段，WorldView-II衛(wèi)星的多光譜波段的空間分辨率為1.8米，WorldView-Ⅲ衛(wèi)星的多光譜波段的空間分辨率為1.2米。
2、通過目視解譯法，在遙感影像上選取至少六個(gè)像控點(diǎn)，并且選取的像控點(diǎn)均勻分布在測(cè)區(qū)內(nèi)，而且所有的像控點(diǎn)均位于樓房的頂部。
像控點(diǎn)全部選取在樓房的頂部，能夠保證像控點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面控制點(diǎn)的附近有足夠開放的空間，使得在使用GPS RTK進(jìn)行地面控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)的測(cè)量時(shí)，能夠連續(xù)鎖定至少4顆分布適當(dāng)?shù)男l(wèi)星。
像控點(diǎn)的選取要求必須是在遙感影像上和實(shí)地位置均能夠明確辨認(rèn)的目標(biāo)點(diǎn)，一般較為理想的目標(biāo)點(diǎn)是選擇近于直角而且又近于水平的線狀地物的交點(diǎn)和地物拐角點(diǎn)。如此一來，有助于像控點(diǎn)和地面控制點(diǎn)的對(duì)應(yīng)，同時(shí)也具有提高對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確性的優(yōu)點(diǎn)。
本實(shí)施例中的像控點(diǎn)選擇樓房的頂部靠北的拐角點(diǎn)。
3、對(duì)選取的像控點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，比如P01、P02、P03、P04、P05、P06……，并記錄每個(gè)像控點(diǎn)的像方坐標(biāo)(ui,vi)。
像控點(diǎn)的選取、像方坐標(biāo)的獲取、記錄操作可直接在商業(yè)遙感影像處理軟件中進(jìn)行，比如Arcgis軟件；然后可將遙感影像打印出來供外業(yè)人員使用。
步驟二、地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集
外業(yè)人員參照打印出來的遙感影像在實(shí)地找到像控點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面控制點(diǎn)，并依據(jù)像控點(diǎn)的編號(hào)對(duì)地面控制點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)編號(hào)，比如GCP01、GCP02、GCP03、GCP04、GCP05、GCP06…。
然后開始GPS RTK的作業(yè)模式：1)在地面控制點(diǎn)處架設(shè)GPS TRK，對(duì)中整平；2)接好電源線和發(fā)射天線電纜；3)打開主機(jī)和電臺(tái)，主機(jī)開始自動(dòng)初始化和搜索衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星數(shù)和衛(wèi)星質(zhì)量達(dá)到要求后，主機(jī)和電臺(tái)上相應(yīng)的指示燈閃爍指示，開始進(jìn)入正常工作；4)連接主機(jī)和CORS系統(tǒng)，接收來自CORS系統(tǒng)的基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，并與自身的觀測(cè)數(shù)據(jù)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到厘米級(jí)定位結(jié)果。本實(shí)施例中使用多臺(tái)GPS RTK同時(shí)測(cè)出地面控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)(Xi,Yi)；測(cè)量完畢后，將GPS RTK中記錄有地面控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)(Xi,Yi)的文件導(dǎo)出至內(nèi)業(yè)處理的計(jì)算機(jī)上。
本實(shí)施例中使用多臺(tái)GPS RTK同時(shí)測(cè)量的考慮是，若使用一臺(tái)GPS RTK進(jìn)行流動(dòng)測(cè)量，在搬動(dòng)測(cè)站的過程中很可能出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖的狀態(tài)，比如說從室內(nèi)下樓梯時(shí)。
步驟三、建立像方坐標(biāo)和物方坐標(biāo)的數(shù)學(xué)關(guān)系式
基于步驟一的像控點(diǎn)的像方坐標(biāo)(ui,vi)和步驟二的地面控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)(Xi,Yi)，利用最小二乘法構(gòu)建如下數(shù)學(xué)關(guān)系式：
并變形換算成如下的誤差方程式：
M＝BL+P
其中：
L＝[L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 L11 k1]T
A＝L9 X+L10 Y+L11 Z+1
解求出L系數(shù)。
L系數(shù)的解算可通過編寫MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)。MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。
步驟四、解算隱蔽點(diǎn)的物方坐標(biāo)
基于步驟三建立的像方坐標(biāo)和物方坐標(biāo)的數(shù)學(xué)關(guān)系式以及解算的L系數(shù)，換算得到隱蔽點(diǎn)的物方坐標(biāo)的誤差方程式：
V＝NS+Q
其中：
S＝[X Y Z]T
u′＝u+k1ur2
v′＝v+k1vr2
在編寫的MATLAB程序中輸入或者直接存儲(chǔ)成MATLAB程序設(shè)定的格式文件，導(dǎo)入隱蔽點(diǎn)的像方坐標(biāo)，即可快速解算出隱蔽點(diǎn)的物方坐標(biāo)。
本發(fā)明將GPS RTK技術(shù)和遙感影像相結(jié)合，將地面控制點(diǎn)布設(shè)在樓房的頂部，保證在使用GPS RTK進(jìn)行地面控制點(diǎn)的測(cè)量時(shí)，能夠連續(xù)鎖定至少四顆分布適當(dāng)?shù)男l(wèi)星，從而快速、精確地測(cè)定地面控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)；然后基于一一對(duì)應(yīng)的像控點(diǎn)的像方坐標(biāo)和地面控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)，建立像方坐標(biāo)和物方坐標(biāo)的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并通過誤差方程式解算出數(shù)學(xué)關(guān)系式中的系數(shù)；最后通過隱蔽點(diǎn)的像方坐標(biāo)和換算得到的隱蔽點(diǎn)的物方坐標(biāo)的誤差方程，解算出隱蔽點(diǎn)的物方坐標(biāo)。
本具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的解釋，其并不是對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀完本說明書后可以根據(jù)需要對(duì)本實(shí)施例做出沒有創(chuàng)造性貢獻(xiàn)的修改，但只要在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)都受到專利法的保護(hù)。