胡開全

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 前言

航空攝影測量技術從19世紀初產(chǎn)生以來，經(jīng)歷了一個世紀的發(fā)展，實現(xiàn)了一次又一次技術上的飛躍，如今已成為地理信息原始數(shù)據(jù)獲取的主要技術手段。2004年國際攝影測量與遙感大會認為，IMU_DGPS輔助航空攝影測量技術是對傳統(tǒng)攝影測量的重要革新，是未來航空遙感和航空攝影測量技術發(fā)展的趨勢。

2 像素工廠(PF)簡介

像素工廠(Pixel Factory，PF)由法國地球信息(INFOTERRA)公司研制開發(fā)，是一套用于大型生產(chǎn)的對地觀測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，是一種能批量生產(chǎn)，且由一系列算法、工作流程和硬件設備組成的復合最優(yōu)化系統(tǒng)，包含具有強大計算能力的若干個計算節(jié)點。

像素工廠框幅相機傳感器模型在傳統(tǒng)6個內外方位元素模型基礎上，針對當前市場航拍相機越來越多使用非量測相機，配帶IMU_DGPS系統(tǒng)等特點，一方面將相機內部多種畸變差進行建模，另一方面，將整個IMU_DGPS系統(tǒng)參數(shù)納入傳感器模型內，同時還考慮了相機與平臺的對應幾何位置關系等，將整個航拍系統(tǒng)的模型作為平差項，同時根據(jù)各個誤差項的各自物理意義進行分組綁定，在此控制以及約束下，滿足以最少的同名點和稀少控制點進行平差解算達到精度要求。

3 IMU_DGPS組合系統(tǒng)

IMU即慣性測量單元(Inertial measurement unit)，主要是感測飛機或其他載體的加速度，經(jīng)過積分等運算，獲取載體的速度和姿態(tài)(如位置及旋轉角度)等信息。

DGPS即差分GPS。即將一臺(或幾臺)GPS接收機安置在基準站上，與機載接收機進行同步觀測，根據(jù)基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并對機載接收機的定位結果進行改正，從而提高定位精度。

雖然DGPS系統(tǒng)可量測傳感器的位置和速率，具有高精度、誤差不隨時間積累等優(yōu)點，但其動態(tài)性能差(易失鎖)、輸出頻率低，不能量測瞬間快速的變化，沒有姿態(tài)量測功能。而IMU有姿態(tài)量測功能，具有完全自主、無信號傳播，既能定位、測速，又可快速量測傳感器瞬間的移動，輸出姿態(tài)信息等優(yōu)點，但主要缺點是誤差隨著時間迅速積累增長?？梢钥闯鯠GPS與IMU正好是互補的，因此將兩個系統(tǒng)獲得的信息進行綜合，可得到高精度的位置、速率和姿態(tài)數(shù)據(jù)，達到最優(yōu)化效果。

4 空三加密試驗研究

利用像素工廠系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)處理能力和其3.2版本新研發(fā)的框幅相機傳感器模型，對采用IMU_DGPS輔助航空攝影的影像數(shù)據(jù)成果(DMC數(shù)碼航攝相機，地面分辨率15 cm)，進行1∶2 000比例尺IMU_DGPS輔助空三加密生產(chǎn)試驗。試驗區(qū)最大高差約200 m，包含丘陵地和山地地形，本文統(tǒng)一按丘陵地地形精度要求進行試驗研究。

丘陵地基本定向點殘差、檢查點殘差、公共點較差最大限值表 表1

像控點按8條基線間隔布設，經(jīng)統(tǒng)計平面精度1.54 cm，高程精度6.1 cm，符合1∶2 000地形圖像控點精度要求(平面位置中誤差 0.24 m，高程中誤差0.2 m);IMU_DGPS數(shù)據(jù)通過GPS差分解算和濾波以及檢校場空三平差解算等，經(jīng)改正后輸出每張像片外方位元素值。

采用AAT+PATB軟件進行常規(guī)空三加密，加入測量的全部28個像控點成果進行平差解算，并輸出外方位元素，與IMU_DGPS數(shù)據(jù)處理后輸出的外方位元素進行比較，結果如表2所示。

常規(guī)空三加密與IMU_DGPS數(shù)據(jù)處理后輸出外方位元素較差表(部分)表2

較差比較穩(wěn)定，無突變，成果可靠;同時，線元素較差最大值0.578m(X方向)，角元素較差最大0.4384°(Kappa角)，說明該IMU_DGPS數(shù)據(jù)直接定向精度不是很高。

4.1 IMU_DGPS數(shù)據(jù)無控制點的空三加密精度

在不使用外業(yè)控制點的情況下，只使用IMU_DGPS數(shù)據(jù)進行空三平差解算，檢查點26個。

(1)只優(yōu)化3個外方位角元素優(yōu)化參數(shù):Omega phi kappa。檢查點精度統(tǒng)計如表3所示。

檢查點整體在平面以及高程上均有偏差，僅通過3個角元素優(yōu)化，無法滿足其平面以及高程精度要求。

(2)優(yōu)化3個外方位角元素以及IMU_DGPS誤差1階改正項

優(yōu)化參數(shù):Omega phi papa;GPS(X Y Z)1階;IMU(Omega phi kappa)1階。

檢查點精度統(tǒng)計見表3。

在優(yōu)化3個外方位角元素的同時，對IMU_DGPS誤差1階項進行改正，絕對精度上，平面和高程方向的精度沒有明顯提高，仍然無法滿足精度要求。

絕對定向檢查點精度統(tǒng)計表(單位/m)表3

基于IMU_DGPS數(shù)據(jù)無控制點的空三加密，同常規(guī)空三加密與IMU_DGPS數(shù)據(jù)處理后輸出外方位元素相比較的結論一致。

4.2 IMU_DGPS數(shù)據(jù)+1個控制點的空三加密精度

優(yōu)化參數(shù):X Y Z;Omega phi papa;GPS(X Y Z)1階;IMU(Omega phi kappa)1階。

在區(qū)域網(wǎng)中心位置選取1個外業(yè)控制點參與平差解算，檢查點22個。

檢查點精度統(tǒng)計見表3，基本定向點精度統(tǒng)計見表4(絕對定向控制點精度統(tǒng)計表)。

絕對定向控制點精度統(tǒng)計表(單位/m)表4

1個控制點可以大幅度提高整個測區(qū)的絕對精度，但僅有一個控制點的條件下，控制點位置的選擇要求較高。在本次試驗中，選取測區(qū)中心的控制點可以得到令人較為滿意的結果。

4.3 IMU_DGPS數(shù)據(jù)+4個控制點的空三加密精度

優(yōu)化參數(shù):X Y Z;Omega phi papa;GPS(X Y Z)1階;IMU(Omega phi kappa)1階。

使用分布在4個角方向的4個控制點參與空三平差解算，檢查點18個。

檢查點精度統(tǒng)計見表3，基本定向點精度統(tǒng)計見表4。

采用的4個控制點，分布在測區(qū)4角，因此可以比較有效地對整個測區(qū)進行控制，其平差結果滿足加密精度要求。

4.4 IMU_DGPS數(shù)據(jù)+5個控制點的空三加密精度

優(yōu)化參數(shù):X Y Z;Omega phi papa;GPS(X Y Z)1階;IMU(Omega phi kappa)1階。

使用分布在4個角方向及中心的5個控制點參與空三平差解算，檢查點17個。

檢查點精度統(tǒng)計見表3，基本定向點精度統(tǒng)計見表4。

采用的5個控制點，分別覆蓋在測區(qū)4角以及中心，因此可以比較有效地對整個測區(qū)進行控制，平差結果滿足加密精度要求，且其結果穩(wěn)定可靠。

4.5 IMU_DGPS數(shù)據(jù)+所有控制點的空三加密精度

優(yōu)化參數(shù):X Y Z;Omega phi papa;GPS(X Y Z)1階;IMU(Omega phi kappa)1階。

使用全部28個控制點參與空三平差解算，檢查點2個。

檢查點精度統(tǒng)計見表3，基本定向點精度統(tǒng)計見表4。

采用了所有的可用控制點進行平差，其平差結果滿足加密精度要求。但與4.4節(jié)所述無明顯的精度提高。

4.6 基于DGPS無IMU+5個控制點的空三加密精度

按照載波相位測量差分GPS(DGPS)定位技術，精密計算每一張像片在曝光時刻的機載GPS天線相位中心的坐標。利用像素工廠，加入得到的DGPS坐標數(shù)據(jù)和覆蓋在測區(qū)4角以及中心的5個控制點成果，進行空三加密平差解算。

在無IMU的情況下，所有影像的omega、phi角均設為0°，而kappa角根據(jù)航飛方向可以設置為0°或者－180°。

檢查點精度統(tǒng)計見表3，基本定向點精度統(tǒng)計見表4。

只有DGPS數(shù)據(jù)(無IMU數(shù)據(jù))的情況下，采用分別覆蓋在測區(qū)四角以及中心的5個控制點的空三結果與有IMU_DGPS輔助空三的精度差別不大，像素工廠可以高效地對影像的角元素進行糾正。

5 結論

基于像素工廠進行IMU_DGPS輔助空中三角測量，無控制點的平差結果不能滿足大比例尺地形圖加密精度要求;1個控制點的平差結果基本上可以滿足1∶2 000地形圖加密精度要求，但其控制點位置的選擇比較重要;而選擇4個角控制點則可以滿足1∶2 000地形圖加密精度要求;如果在區(qū)域網(wǎng)四角控制點的基礎上，中間加1個點，則精度更可靠;再增加控制點個數(shù)，平差成果精度無明顯提高。

同時，在有DGPS數(shù)據(jù)的情況下，有無IMU，采用像素工廠進行輔助空中三角測量，成果精度差別不大。

DMC數(shù)碼航空影像，采用像素工廠進行IMU_DGPS輔助空中三角測量，與常規(guī)空中三角測量比較，外業(yè)像控點布設工作量可減少約80%，內業(yè)加密工作量可減少約88%(無需人工進行相對定向和添加、編輯連接點等工作)。

6 展望

采用像素工廠進行IMU_DGPS輔助空中三角測量可免去(或節(jié)省)大量地面控制點，并可大幅提高空中三角測量速度，縮短成圖周期，節(jié)省經(jīng)費，為常規(guī)航空攝影測量無法進行的特殊困難地區(qū)提供了最佳的解決方案，也可有效解決因數(shù)碼相機像幅小而需要外業(yè)布設較多像控點的問題?？梢灶A見，隨著該技術在國內的不斷應用和蓬勃發(fā)展，必將廣泛應用于各種比例尺地形圖的測制和更新，尤其適合于無人區(qū)的地形圖制作。

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