王 剛 胡 博 李愛華2

（1.北京洛斯達(dá)數(shù)字遙感技術(shù)有限公司，北京100012；2.湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢430040）

1 引言

IMU／DGPS輔助航空攝影測(cè)量的核心是獲取高精度的外方位元素，包括3個(gè)線元素和3個(gè)角元素［1］。其中線元素的獲取可以通過差分GPS（簡稱DGPS）和GPS精密單點(diǎn)定位（簡稱PPP）獲取，常用的差分GPS包括基站定位和連續(xù)運(yùn)行參考系統(tǒng)定位（簡稱CORS）兩種模式。

基站定位方式是在地面架設(shè)基準(zhǔn)站，將獲取到的機(jī)載GPS數(shù)據(jù)與基站同步觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分計(jì)算，得出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，對(duì)機(jī)載接收機(jī)的定位結(jié)果進(jìn)行改正，獲取攝站點(diǎn)的坐標(biāo)。基站定位方式采用的是差分GPS（DGPS）技術(shù)，通過差分的方法可以消除或減小與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差、信號(hào)傳播過程中引入的誤差和與接收機(jī)有關(guān)的誤差。DGPS技術(shù)不需要考慮復(fù)雜的誤差模型，解算模型簡單，待估參數(shù)少，定位精度高，因此被廣泛應(yīng)用于IMU／DGPS輔助航空攝影中。

CORS定位方式是將測(cè)區(qū)內(nèi)CORS作為地面已知基準(zhǔn)站，將獲取到的GPS定位數(shù)據(jù)與區(qū)域內(nèi)CORS站同期數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合差分獲取攝站點(diǎn)的坐標(biāo)。通過CORS站代替POS中的GPS基準(zhǔn)站解算航攝儀的攝站位置，使不同架次解算出的攝站位置成果具有高度的坐標(biāo)一致性，有效地減少了數(shù)據(jù)解算的工作量，提高了攝站位置成果的精度，大大提高了像片外方位元素3個(gè)線元素的精度和成果的一致性［2］。

PPP定位方式與差分定位不同，其主要是利用國際GPS服務(wù)機(jī)構(gòu)（IGS）提供的精密衛(wèi)星星歷和精密鐘差，結(jié)合單臺(tái)含雙頻偽距及載波相位觀測(cè)量的GPS接收機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)的高精度定位［3］。利用非差分雙頻載波相位觀測(cè)值、在初始化后進(jìn)行單歷元精密單點(diǎn)定位方法，以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位。目前，該方法用于動(dòng)態(tài)航空測(cè)量已達(dá)到厘米級(jí)的精度［4-5］。

本文將通過多個(gè)輸電線路工程IMU／DGPS輔助航空攝影應(yīng)用實(shí)例，對(duì)三種不同定位方式對(duì)空三解算的影響進(jìn)行對(duì)比分析。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

《電力工程數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量規(guī)程》DL／T5138-2015（以下簡稱“規(guī)程”）規(guī)定輸電線路工程航攝寬度要求不低于2km，航線按線路路徑方向敷設(shè)。通常使用大幅面數(shù)碼航攝儀時(shí)，選擇單航線飛行。每個(gè)工程由首尾相連的多個(gè)航帶組成，單條航帶長度一般為10-20km。本研究結(jié)合實(shí)際工程選擇了平坦地、丘陵、山地三種地形作為試驗(yàn)區(qū)，依次編號(hào)為A、B、C。航空攝影飛機(jī)型號(hào)為運(yùn)五B，搭載數(shù)碼航攝儀為DMC，機(jī)載定位定向系統(tǒng)為POS／AV 510，攝影比例尺為1∶15000，地面分辨率為0.18m，設(shè)計(jì)成圖比例尺為1∶2000。三個(gè)試驗(yàn)區(qū)所使用的定位方式和基本情況見表1所示。

表1 試驗(yàn)區(qū)情況

試驗(yàn)對(duì)地面基站、CORS、PPP、三種定位方式或獲取的數(shù)據(jù)處理過程精度、直接利用后的成果精度以及最終成果精度進(jìn)行對(duì)比分析，間接的評(píng)價(jià)三種定位方式的優(yōu)劣。

2.1 偏心角及線元素偏移值中誤差對(duì)比

由于檢校場(chǎng)有足夠數(shù)量且精度較高控制點(diǎn)，通過傳統(tǒng)空三或聯(lián)合平差的方法解算檢校場(chǎng)航片的外方位元素，可將解算結(jié)果視為真值，與IMU／DGPS聯(lián)合解算獲取的航片外方位元素進(jìn)行比較，計(jì)算出偏心角及線元素分量偏移值等系統(tǒng)誤差參數(shù)。試驗(yàn)將對(duì)比分析三種不同定位方式所獲得的偏心角和偏心分量中誤差，評(píng)價(jià)內(nèi)符合精度。

2.2 直接定向法檢查點(diǎn)中誤差對(duì)比

直接定向法（Direct Georeferencing，簡稱DG）是利用檢校處理獲取的偏心角和偏移值，對(duì)整個(gè)攝區(qū)像片進(jìn)行角度系統(tǒng)差改正和線元素分量偏移值改正，即可得到系統(tǒng)誤差改正后的外方位元素成果［6］。使用像片檢校改正后的外方位元素直接定向恢復(fù)立體模型。試驗(yàn)將對(duì)比分析三種不同定位方式下野外檢查點(diǎn)誤差，評(píng)價(jià)外方位元素的精度。

2.3 IMU／DGPS輔助空三法檢查點(diǎn)中誤差對(duì)比

IMU／DGPS輔助空中三角測(cè)量方法（Integrated Sensor Orientation，簡稱ISO）是將直接定向所使用的外方位元素作為帶權(quán)觀測(cè)值參與攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差，獲得更高精度的像片外方位元素成果［6］。試驗(yàn)將在直接定向的基礎(chǔ)中增加少量控制點(diǎn)重新進(jìn)行平差計(jì)算，然后對(duì)比分析三種不同定位方式下野外檢查點(diǎn)的中誤差，評(píng)價(jià)空三成果的精度。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

3.1 偏心角和偏心分量誤差

三個(gè)試驗(yàn)區(qū)的檢校場(chǎng)位置均避開山地，交通狀況良好。檢校場(chǎng)按照《IMU／GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)范》（GB／T27919-2011）的要求設(shè)計(jì)4條對(duì)飛航線進(jìn)行航攝，每條航線16張航片，旁向重疊50%、航向重疊80%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理選用POSPac，軟件支持多種定位方法的數(shù)據(jù)處理方法，有多種精度評(píng)價(jià)指標(biāo)。利用軟件將機(jī)載GPS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)與地面基站靜態(tài)GPS數(shù)據(jù)（精密星歷數(shù)據(jù)、CORS站數(shù)據(jù)）進(jìn)行計(jì)算處理，得到曝光時(shí)刻影像的6個(gè)外方位元素。通過檢校計(jì)算得到的偏心角和偏心分量以及三種不同定位方式對(duì)偏心角和偏心分量中誤差。

表2 偏心角及線元素偏移值中誤差對(duì)比表

從表2可以看出不同的定位方式均完全能夠滿足規(guī)范對(duì)檢校計(jì)算的精度要求，不同定位方式精度無明顯差異。

3.2 直接定向條件下檢查點(diǎn)誤差

試驗(yàn)使用INPHO軟件進(jìn)行直接定向作業(yè)。由于POS系統(tǒng)誤差尤其是視準(zhǔn)軸誤差的存在，直接將POS系統(tǒng)提供的像片外方位元素用構(gòu)建立體模型存在上下視差［7］，試驗(yàn)通過自動(dòng)相對(duì)定向，對(duì)模型外方位元素進(jìn)行平差消除了視差［8］。

表3 直接定向檢查點(diǎn)中誤差對(duì)比表

從表3中可以看出三種不同定位方式通過外方位元素直接定向量的成果精度并未明顯差異，但由于存在系統(tǒng)誤差，直接定向量測(cè)的地物精度不能滿足規(guī)程中對(duì)輸電線路工程空三解算結(jié)果平面0.8m、平坦地高程0.30m、丘陵和山地高程0.50m的相關(guān)要求。

3.3 IMU／DGPS輔助空三檢查點(diǎn)誤差

IMU／DGPS輔助空中三角測(cè)量與傳統(tǒng)的空中三角測(cè)量不同，即引入了影像精確的外方位元素，可大大提高相對(duì)定向成功率和絕對(duì)定向精度。通過檢校場(chǎng)空三數(shù)據(jù)的解算，獲取IMU／DGPS數(shù)據(jù)偏心角以及線元素偏移值，利用偏心角及線元素偏移值對(duì)測(cè)區(qū)的初始外方位元素進(jìn)行改正，得到像片在攝影測(cè)量坐標(biāo)系中的外方位元素。在獲取相片外方位元素之后，進(jìn)行相對(duì)定向，并在絕對(duì)定向過程中將IMU／DGPS作為帶權(quán)觀測(cè)值單獨(dú)進(jìn)行光束法平差，或者IMU／DGPS數(shù)據(jù)聯(lián)合地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行光束法平差，得到每張相片更高精度的外方位元素［9］，即完成IMU／DGPS輔助空三解算工作。

表4 IMU／DGPS輔助空三解算精度對(duì)比表

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在實(shí)施IMU／DGPS輔助航空攝影技術(shù)的輸電線路項(xiàng)目中，無論采取哪種定位方式，隨著參與空三解算的像片控點(diǎn)數(shù)量的增加，空三精度隨之提高。當(dāng)加入三個(gè)及三個(gè)以上像片控點(diǎn)時(shí)，空三精度基本趨于穩(wěn)定。采用三點(diǎn)法，即每條航帶上布設(shè)前、中、后各一個(gè)點(diǎn)的方法的空三精度就能夠滿足規(guī)程中對(duì)檢查點(diǎn)平面中誤差和高程中誤差的精度要求。但從表4不同地形和不同方案對(duì)精度的滿足程度來看，三種定位方法無明顯優(yōu)劣。

3.4 作業(yè)過程對(duì)比

對(duì)于地面基站、CORS和PPP三種GPS定位方式，由于作業(yè)模式不同，在工程應(yīng)用中具有各自不同的特點(diǎn)。

基站定位技術(shù)需架設(shè)地面基站，實(shí)現(xiàn)地面基站GPS與機(jī)載IMU／GPS同步觀測(cè)，在航飛結(jié)束后即可獲取內(nèi)業(yè)處理數(shù)據(jù)，同步觀測(cè)采用差分計(jì)算方法可消除兩站接收機(jī)公共系統(tǒng)誤差，提高基站定位精度。地面基站架設(shè)位置靈活機(jī)動(dòng)，但隨著機(jī)載IMU／GPS至基站距離的增加又出現(xiàn)了無法用差分計(jì)算方法消除的系統(tǒng)誤差的問題，因此對(duì)于基站定位方式，單個(gè)基站覆蓋范圍有限。差分GPS計(jì)算精度與基站與飛機(jī)間的距離有關(guān)系，基站與機(jī)載IMU／GPS距離越大，用GPS差分得到的位置精度越低［10］。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)按照每100km線路布設(shè)1個(gè)地面基站，航飛工作結(jié)束后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，數(shù)據(jù)獲取周期短。但對(duì)于上千公里長的輸電線路工程而言，全線架設(shè)地面基站數(shù)量較多，加之跨度長，途徑地區(qū)天氣情況復(fù)雜，協(xié)調(diào)事宜較多，需要較多測(cè)量人員和設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)待命，費(fèi)用成本較高。

CORS定位外業(yè)工作更輕松便捷，在IMU／DGPS輔助航空攝影中，不需另外架設(shè)地面基準(zhǔn)站，直接將區(qū)域內(nèi)CORS站點(diǎn)作為地面基準(zhǔn)站進(jìn)行聯(lián)合平差，省去了外業(yè)架設(shè)地面基站的工作。CORS站呈網(wǎng)狀分布，在有效覆蓋范圍內(nèi)大致均勻，與離開最近參考站的距離沒有明顯的相關(guān)性，有效地避免了架設(shè)基站產(chǎn)生的粗差，從而降低系統(tǒng)誤差，同時(shí)CORS系統(tǒng)擺脫了無線電技術(shù)的束縛，使差分信號(hào)的傳輸不受距離限制，增加了有效的作業(yè)范圍，其成果可靠，費(fèi)用較低，提高了外業(yè)作業(yè)效率，節(jié)約了外業(yè)成本核算。但是由于目前國內(nèi)CORS站建設(shè)不完善，覆蓋區(qū)域不完整，工程應(yīng)用申請(qǐng)手續(xù)繁瑣等因素導(dǎo)致目前國內(nèi)單純依靠CORS站作業(yè)的方式很少應(yīng)用，特別是對(duì)于輸電線路工程來說，其形狀呈帶狀分布，選擇合適的CORS站點(diǎn)也存在一定的困難。

PPP定位技術(shù)無需架設(shè)地面基站，僅需單臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)即可實(shí)現(xiàn)高精度定位，其解算成果中解算點(diǎn)位精度均勻、無誤差累積、直接獲得最新的ITRF框架的三維地心坐標(biāo)。PPP定位技術(shù)可在全球范圍內(nèi)使用，不受區(qū)域限制，且節(jié)約了外業(yè)地面基準(zhǔn)站架設(shè)的成本，提高了外業(yè)作業(yè)效率。但其進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算時(shí)必須依賴于IGS服務(wù)組織提供的精密衛(wèi)星星歷文件（衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)和精密衛(wèi)星鐘差數(shù)據(jù)），而精密衛(wèi)星星歷文件的獲取需要大概11～14天時(shí)間延遲等待，無法實(shí)時(shí)獲取，獲取周期較長。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)多個(gè)工程實(shí)例的對(duì)比試驗(yàn)，分析了地面基站、CORS站、PPP三種不同定位方式對(duì)數(shù)據(jù)成果精度的影響分析，并根據(jù)精度分析結(jié)果結(jié)合三種定位方式的不同特點(diǎn)探討了其各自的使用條件。得出以下結(jié)論：

地面基站、CORS站、PPP三種定位方式獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)與IMU聯(lián)合解算、檢校場(chǎng)檢校后的精度滿足規(guī)范要求；利用三種定向方式獲取的像片外方位元素值用于直接定向不能滿足輸電線路工程1∶2000的精度要求；通過IMU／DGPS輔助空中三角測(cè)量的方法，每條航帶只需布設(shè)首中尾三個(gè)像片控制點(diǎn)就能滿足規(guī)范要求；三種定位方式對(duì)IMU／DGPS輔助空中三角測(cè)量的成果精度的影響無明顯差異。

對(duì)比分析了地面基站、CORS站、PPP三種定位方式適用性。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可根據(jù)工程的工期要求、人員和設(shè)備情況以及沿線CORS站分布綜合考慮選擇單一的定位方式或多種方式相互補(bǔ)充。