宗偉麗 甘 俊

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

GPS差分定位技術(shù)、IMU慣性導(dǎo)航技術(shù)以及高性能數(shù)碼航攝相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得基于DGPS/IMU輔助航空攝影在實(shí)現(xiàn)無外控(或少外控)測(cè)圖方面表現(xiàn)出日益明顯的優(yōu)勢(shì)。在航攝相機(jī)實(shí)際作業(yè)過程中，相機(jī)參考坐標(biāo)系與IMU慣性平臺(tái)參考坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸之間會(huì)存在微小的角度偏差，即偏心角(Misalignment Angle);同時(shí)受制于地球曲率、相機(jī)焦距的變化以及GPS定位精度等影響，曝光點(diǎn)時(shí)刻相機(jī)中心的位置亦存在偏移誤差，即線元素偏移值，這些誤差因子使得經(jīng)過DGPS/IMU解算獲取的初始外方位元素存在較大誤差，對(duì)后續(xù)的無控(或少控)測(cè)圖應(yīng)用影響較大。因此，通過相機(jī)(視軸)檢校求取偏心角和線元素偏移值在基于DGPS/IMU輔助航空攝影測(cè)圖中顯得尤為重要。

1 航攝相機(jī)檢校的基本原理

航攝相機(jī)檢校是為了求出IMU與航攝儀之間的偏心角以及線元素分量偏移值，即在一個(gè)有足夠數(shù)量且精度較高控制點(diǎn)的試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行檢校飛行，采用空三加密方法計(jì)算出每張像片的外方位元素，含投影中心的位置和姿態(tài)角(φ，ω，κ)。然后通過與 DGPS/IMU解算獲得的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)(φ，θ，ψ)進(jìn)行差值平差計(jì)算，求得偏心角及線元素分量偏移值。

利用檢校處理獲取的偏心角和偏移值，對(duì)整個(gè)攝區(qū)范圍加入角度系統(tǒng)差改正和線元素分量偏移值改正后，即可得到系統(tǒng)誤差改正后的外方位元素成果，從而實(shí)現(xiàn)在整個(gè)攝區(qū)的無(或少)地面控制航空攝影測(cè)量。相機(jī)檢校的基本流程如圖1所示。

圖1 相機(jī)檢?；玖鞒?/p>

2 檢校場(chǎng)布設(shè)方案

2.1 檢校場(chǎng)選擇

檢校場(chǎng)應(yīng)選擇在高大建筑物較少、地面控制點(diǎn)選刺方便、同時(shí)易于連接點(diǎn)自動(dòng)匹配的區(qū)域，檢校場(chǎng)布設(shè)時(shí)應(yīng)盡量布設(shè)在測(cè)區(qū)內(nèi)或者在測(cè)區(qū)附近能夠?qū)嵤┮巴庀窨販y(cè)量的區(qū)域。

2.2 檢校場(chǎng)航線布設(shè)

檢校場(chǎng)檢校的目的是為了檢校IMU與航攝儀之間的偏心角(側(cè)滾角 ROLL、俯仰角 PITCH、航偏角HEADING)以及線元素分量偏移值(即3個(gè)角元素和3個(gè)線元素)。因此，檢校場(chǎng)的航飛策略應(yīng)最大程度體現(xiàn)偏心角和偏移值對(duì)定向精度的影響。采用平行同向飛行時(shí)，其不同航線飛行時(shí)側(cè)滾角和航偏角的偏移方向是一致的，同時(shí)短時(shí)間內(nèi)受風(fēng)向影響的方向也是一致的，不利于側(cè)滾角和航偏角的檢校。而在只布設(shè)平行航線的情況下，每條航線的俯仰角方向都是一致的，不利用俯仰角的檢校。因此，采取平行對(duì)飛與十字交叉飛行相結(jié)合是理想的相機(jī)檢校航飛方式。

在實(shí)際作業(yè)中，數(shù)碼航攝相機(jī)的檢校場(chǎng)布設(shè)采用對(duì)飛和十字交叉飛行相結(jié)合的方式，航向重疊和旁向重疊一般不小于常規(guī)航飛作業(yè)要求，即旁向不小于30%，航向不小于65%;可按照布設(shè)4條平行對(duì)飛航線和2條垂直交叉航線的方式來進(jìn)行航飛設(shè)計(jì)，同時(shí)要求每條航線一般不少于10幅影像。如圖2所示。

2.3 檢校場(chǎng)外控點(diǎn)布設(shè)

檢校場(chǎng)內(nèi)平高點(diǎn)應(yīng)選在目標(biāo)影像清晰，能準(zhǔn)確判斷點(diǎn)位(平面和高程)，GPS測(cè)量施測(cè)方便，并在長(zhǎng)期飛行中均能在像片上準(zhǔn)確識(shí)別的地方。如果在檢校場(chǎng)區(qū)域內(nèi)控制點(diǎn)點(diǎn)位附近選取平高點(diǎn)無法滿足上述要求時(shí)，必須在地面人工布設(shè)控制點(diǎn)。同時(shí)，應(yīng)采取必要的措施，確保作業(yè)期間所有地標(biāo)點(diǎn)的保存完整無損，且在航攝像片上成像清晰完整。每個(gè)固定檢校場(chǎng)的周邊須布設(shè)不少于6個(gè)平高控制點(diǎn)，點(diǎn)位與像片邊緣不小于1.5 cm。如圖3所示。

圖2 檢校場(chǎng)航線布設(shè)示意

圖3 檢校場(chǎng)外控點(diǎn)布設(shè)示意

在進(jìn)行檢校場(chǎng)控制點(diǎn)測(cè)量的同時(shí)，需在檢校場(chǎng)范圍內(nèi)明顯地物處布設(shè)至少2個(gè)檢查點(diǎn)，用于檢校場(chǎng)空三結(jié)果的檢核。

2.4 檢校場(chǎng)基站選擇

基站盡量布設(shè)在檢校場(chǎng)區(qū)域范圍內(nèi)，距離不宜超過5 km。檢校場(chǎng)基站應(yīng)與首級(jí)控制網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

3 試驗(yàn)精度分析

3.1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

以東北某鐵路航測(cè)項(xiàng)目為例，簡(jiǎn)要分析相機(jī)檢校的精度以及對(duì)DGPS/IMU輔助空三的影響。項(xiàng)目航飛使用DMCⅡ230數(shù)字航攝儀，檢校場(chǎng)航線采用了5 cm的地面分辨率。

3.2 檢校過程

利用POSPac軟件進(jìn)行原始POS數(shù)據(jù)解算，解算后輸出初始EO文件。

在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站LPS中，導(dǎo)入初始EO文件，進(jìn)行DGPS/IMU輔助空三加密，加入外控點(diǎn)后，對(duì)原來的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，輸出一套改正后的EO數(shù)據(jù)。通過對(duì)原始EO數(shù)據(jù)和空三解算的EO數(shù)據(jù)進(jìn)行平差解算，得到相機(jī)檢校結(jié)果(如表1所示)。

表1 檢校場(chǎng)檢校結(jié)果

3.3 DGPS/IMU輔助空三精度分析

在項(xiàng)目航飛測(cè)區(qū)內(nèi)選定某一塊區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，分別利用檢校前的EO數(shù)據(jù)和檢校后的EO數(shù)據(jù)進(jìn)行直接定向，將外業(yè)測(cè)量的檢查點(diǎn)在測(cè)區(qū)中量測(cè)，得到檢查點(diǎn)的殘差(如表2、表3所示)。

表2 檢校前檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)(中誤差) m

表3 檢校后檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)(中誤差) m

從表1中可以看到，3個(gè)角元素和3個(gè)線元素的檢校中誤差小于0.5 arcmin和0.5 m，完全符合檢校精度要求。從表2和表3可以看出，在DGPS/IMU無控空三中檢校后的EO數(shù)據(jù)相比于檢校前的EO數(shù)據(jù)精度有了普遍性的提高。為了更直觀的分析檢校前后平面和高程的精度，將檢校前后平面和高程的精度進(jìn)行對(duì)比(如圖4所示)。

圖4 檢校前后誤差對(duì)比

從圖4中看出，無論是檢查點(diǎn)的平面精度還是高程精度都有了明顯提高，說明相機(jī)檢校在DGPS/IMU輔助航測(cè)中起著重要的作用。

4 結(jié)束語

檢校場(chǎng)的檢校精度直接決定著初始EO的精度，因此，檢校場(chǎng)位置的選擇、航線的布設(shè)、外控點(diǎn)的布設(shè)以及地面基站的布設(shè)都直接影響著相機(jī)檢校的結(jié)果。盡管在DGPS/IMU輔助空三加密時(shí)加入外業(yè)控制點(diǎn)可以提高空三加密的精度乃至地形圖的精度，但在無控空三和直接定向法測(cè)圖時(shí)，檢校場(chǎng)的檢校精度至關(guān)重要。在控制點(diǎn)輔助空三的情形下，良好的檢校精度可以起到減少控制點(diǎn)數(shù)量的效果。

［1］張祖勛，張劍清．?dāng)?shù)字?jǐn)z影測(cè)量［M］．武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1997

［2］王長(zhǎng)進(jìn)．機(jī)載激光雷達(dá)鐵路勘察技術(shù)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2010

［3］段福洲，宮輝力，朱琳．變基線航空攝影航線設(shè)計(jì)與飛行控制［J］．自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2008，17(6)