陳 潔，鄭雄偉，孫秉釗

（1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

航空攝影DG法若干問題探討和實踐研究

陳 潔1，鄭雄偉1，孫秉釗1

（1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

POS輔助航空攝影直接地理定向法（direct georeferencing，DG）得到的外方位元素，可直接進行小比例尺成圖，省去了地面實測環(huán)節(jié)，大大提高了工作效率。但DG法對地面基站、檢校場要求較高，而在實際作業(yè)中會出現(xiàn)某些環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)缺失。針對這些情況進行實踐研究，結(jié)果表明，可用精密單點定位技術(shù)（precise point positioning，PPP）代替地面基站，利用其他架次的檢校場數(shù)據(jù)檢校，檢校場對同向飛行的航線檢校精度更高。

POS輔助航空攝影；PPP技術(shù)；檢校場

機載POS輔助航空攝影在航空攝影的同時，可準(zhǔn)確地獲取相片的空間位置和姿態(tài)參數(shù)，大幅度減少甚至免去地面測量工作，簡化和加速影像定向和定位工作[1]。

國家測繪地理信息局2011年發(fā)布《IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)范》。該規(guī)定要求“1∶10 000地形圖航空攝影時，攝區(qū)內(nèi)任意位置與最近基站間距離不宜超過300 km”，且每架次必須同步觀測；另外DG法需每架次進行檢校場飛行[2]。但是實際作業(yè)中，受空域、天氣、全球GPS衛(wèi)星信號等不確定因素影響，在出現(xiàn)當(dāng)日架次檢校場因空域管制、有云而無法飛行、基站供電意外中斷等情況下，可否用其他架次的檢校場數(shù)據(jù)進行檢校，可否采用PPP技術(shù)替代基站，以上補救方案的數(shù)據(jù)成果能否直接應(yīng)用于中小比例尺成圖，是IMU/DGPS實際作業(yè)過程中經(jīng)常碰到的問題，亦是本文研究的內(nèi)容。

1 實驗區(qū)概況

本次實驗使用RMK TOP15航空攝影儀，集成IGI公司的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，內(nèi)置Novetel雙頻GPS接收機。實驗區(qū)航空攝影比例尺1∶20 000，由5條航線構(gòu)成，每條航片20張，共100張相片，同步獲取了地面基站數(shù)據(jù)。該區(qū)域地勢較低且平坦，起伏不大，以城鎮(zhèn)、丘陵為主，有少量山區(qū)。影像數(shù)字化為tiff格式，掃描分辨率為21 μm。在實驗區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)30個地面控制點，作為精度檢查點（圖1）。地面點GPS測量采用WGS84大地坐標(biāo)系，平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國家大地坐標(biāo)系3°帶高斯-克呂格投影，高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)。

圖1 實驗區(qū)精度檢查點分布示意圖

2 檢校場實踐研究

布設(shè)檢校場的原因在于IMU一般與航攝儀緊密固連，雖然安裝時盡量保證各軸精確平行，但實際上總存在IMU與航攝儀各軸指向間有一個微小的角度差，即偏心角。必須精確測定偏心角的大小，才能將IMU記錄的姿態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可用于攝影測量生產(chǎn)的精確外方位元素姿態(tài)數(shù)據(jù)。另外，由于地球曲率以及相機內(nèi)方位元素中焦距的變化，直接獲取的線元素與采用標(biāo)定焦距計算出的線元素之間會產(chǎn)生線元素分量偏移值，在高程上表現(xiàn)最為明顯。為了確定上述偏心角和線元素偏移值，通常采用檢校場飛行方法[3]，即在一個有足夠數(shù)量且精度較高的控制點的試驗區(qū)進行檢校飛行，采用空三方法計算出每張相片的外方位元素，然后通過與IMU/DGPS測量獲得的外方位元素進行比較，求得偏心角及線元素偏移值。

1）檢校場應(yīng)按照比例尺設(shè)置2條相鄰的平行航線，每條航線10個像對；

2）保證航向重疊和旁向重疊均為60%；

3）在檢校場的周邊布設(shè)6個平高控制點，控制點點位距相片邊緣為相片寬的20%。

檢校場實踐研究的內(nèi)容是，對比1207和1228兩次檢校場的結(jié)果，利用其中一次的成果對實驗區(qū)進行檢校，得出每張相片的外方位元素。然后進行DG法空中三角測量，與實驗區(qū)實測同名點進行對比，研究非本架次檢校結(jié)果的精度。表1是2個架次檢校場的檢校結(jié)果與1∶1萬比例尺成圖精度的對比。檢校場飛行和地面測量方案如圖2所示。

表1 2次檢校結(jié)果對比

每個架次的檢校結(jié)果不同，而且差異較大。1228檢校場結(jié)果未達到規(guī)范精度要求，所以使用1207的檢校結(jié)果對實驗區(qū)進行檢校。得出外方位元素后，利用VirtuoZo軟件進行空三處理，再把結(jié)果與同名檢查點對比，如表2所示。

實驗區(qū)內(nèi)地面測量點共計30個，其中YS07、10、19、22刺點位置不理想，未采用；YS01、06、 23、28處于無重疊區(qū)域，此8個點不參與精度驗證解算，剩余22個為有效點。經(jīng)解算得出，X方向中誤差為0．665 34 m，最大偏差為1．673 m；Y方向中誤差為0．966 8 m，最大偏差為2．680 m；Z方向中誤差為1．377 4 m，最大偏差為2．610 m。參照相關(guān)規(guī)范要求（表3），平面和高程精度都已滿足1∶10 000丘陵地區(qū)成圖的規(guī)范要求。

圖2 檢校場飛行和地面測量方案

表2 DG法成果精度表/m

表3 1∶10 000比例尺不同地形成圖規(guī)范/m

由上述實踐研究可以得出，采用DG法時，檢校場并不需要每架次飛行，可用其他架次檢校場結(jié)果代替，但必須保證所飛檢校場的精度和檢校結(jié)果能滿足規(guī)范要求。在設(shè)備沒有大的變動前提下，檢校效果主要受航高和氣象條件影響[4]，所以選擇替代的檢校場時，還應(yīng)考慮選擇相似航高和相近的飛行日期。

在此基礎(chǔ)上，對1207檢校場只解算某一飛行方向的檢校參數(shù)，以分析檢校場航線飛行方向?qū)鹊挠绊?。各飛行方向檢校結(jié)果如表4。

表4 不同飛行方向檢校結(jié)果對比

由表4可知，某一方向的檢校場航線，對同一方向的航線檢校效果會更加優(yōu)化，特別在角元素上表現(xiàn)尤為明顯，這是由于POS系統(tǒng)的誤差源包含因同方向長時間飛行造成的陀螺漂移累計誤差。因此在飛行時，應(yīng)盡量雙向交錯飛行，以修正漂移誤差。在檢校中，若雙方向檢校結(jié)果不能達到預(yù)期精度，可采用單方向分別檢校的方法。

3 采用PPP技術(shù)實踐研究

PPP技術(shù)由美國噴氣推進實驗室（JPL）的Zumberge于1997年提出。該技術(shù)的思路非常簡單，在GPS定位中，主要的誤差來源于軌道誤差、衛(wèi)星鐘差和電離層延時。如果采用雙頻接收機，可以利用LC相位組合消除電離層延時的影響。如果選擇地心地固系表示衛(wèi)星軌道，計算的參考框架同為地心地固系，可以消去觀測方程中的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。于是，只要給定衛(wèi)星的軌道和精密鐘差，采用精密的觀測模型,就能像偽距一樣,單站計算出接收機的精確位置、鐘差、模糊度以及對流層延時參數(shù)[5,6]。

本次實踐研究的目的是對比PPP技術(shù)和采用地面基站差分解算出的數(shù)據(jù)精度，從而確定能否在地面基站無數(shù)據(jù)時，利用PPP的結(jié)果代替基站。

具體實施方案是，選取12月7日的航空遙感數(shù)據(jù)，利用Waypoint公司的GrafNAV軟件，首先采用地面基站數(shù)據(jù)進行聯(lián)合差分解算，生成數(shù)據(jù)質(zhì)量報告；再利用機載GPS數(shù)據(jù)和從IGS網(wǎng)站下載的精密星歷數(shù)據(jù)進行PPP數(shù)據(jù)解算，生成質(zhì)量報告[7]；最后對比2種方法的質(zhì)量結(jié)果。圖3和圖4分別是采用基站聯(lián)合差分和PPP技術(shù)的成果質(zhì)量報告圖，通過對比可知，采用基站的DGPS技術(shù)的數(shù)據(jù)精度要優(yōu)于PPP技術(shù)，在東、北和高程上的具體指標(biāo)均在2倍左右。按照規(guī)范要求，對于IMU/DGPS數(shù)據(jù)聯(lián)合解算的結(jié)果，1∶1萬成圖比例尺應(yīng)滿足平面位置偏差在0．1 m以內(nèi)，高程位置偏差在0．3 m以內(nèi)。PPP解算的具體結(jié)果為東、北方向0．06 m以內(nèi)，高程0．11 m以內(nèi),滿足規(guī)范要求。

圖3 采用基站聯(lián)合差分結(jié)果

圖4 采用PPP技術(shù)的數(shù)據(jù)成果

從實驗結(jié)果可以得出，利用PPP技術(shù)的成果，在具體數(shù)值上會有2倍左右的弱于基站聯(lián)合差分的結(jié)果。在今后的實際生產(chǎn)中，若地面基站數(shù)據(jù)不能使用，需要利用PPP結(jié)果代替基站結(jié)果時，要先根據(jù)其他架次的地面基站解算結(jié)果，反推PPP解算的精度，由此確定能否采用PPP技術(shù)代替地面基站。

[1] 郭大海,吳立新,王建超,等．IMU/DGPS輔助航空攝影新技術(shù)的應(yīng)用[J]．國土資源遙感,2006(1):51-55

[2] GB/T 27919-2011．IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)范[S]．

[3] 呂亞軍．IMU/DGPS輔助大比例尺航空攝影檢效場布設(shè)的研究[J]．測繪技術(shù)裝備,2009(1):6-8

[4] 李學(xué)友．IMU/DGPS輔助航空攝影測量原理、方法及實踐[D]．鄭州:信息工程大學(xué),2005

[5] 秦先兵,臧德彥,王云龍．CORS站在POS輔助航空攝影中的應(yīng)用[J]．地理空間信息,2013,11(2):19-20

[6] 羅國康．應(yīng)用精密單點定位技術(shù)進行1∶10 000基礎(chǔ)測繪像控點測量的可行性分析[J]．低碳世界,2013(16):114-115

[7] 李會娟,唐進進,鞏現(xiàn)勇,等． POS定位測姿的系統(tǒng)誤差分析及補償[J]． 地理空間信息,2012,10(5):11-13

P231.5

B

1672-4623（2015）02-0083-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.031

陳潔，碩士，工程師，主要從事航空遙感數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用研究工作。

2013-11-18。

項目來源：國家測繪地理信息局與航遙中心合作研究資助項目（2010324）。