IMU/DGPS輔助航空攝影測量實(shí)施流程與西安某測量案例分析研究

摘 要:IMU/GPS組合系統(tǒng)進(jìn)行航空攝影測量成圖具有顯著優(yōu)點(diǎn)，本文基于筆者多年從事航空攝影測量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以IMU/DGPS輔助航空攝影測量為研究對象，借助筆者具體參與的航攝項(xiàng)目，研究探討了該方法在具體工程的應(yīng)用方式，論文首先分析了IMU/DGPS的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而探討了IMU/DGPS輔助航空攝影測量的實(shí)施流程，在此基礎(chǔ)上，筆者結(jié)合工程案例，探討了具體的技術(shù)方案，全文是筆者長期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞:IMU/DGPS 航空攝影測量ＧＰＳ測量

中圖分類號:P2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(a)-0094-02

1 IMU/DGPS組合系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

我國自1989年開始GPS輔助空三方法的研究以來，已經(jīng)取得了豐碩的成果，實(shí)現(xiàn)了僅需少量地面控制點(diǎn)(或者無需地面控制點(diǎn))的航空攝影測量成圖，并應(yīng)用于多個(gè)攝區(qū)的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。既然采用GPS空三方法，僅用少量地面控制點(diǎn)及大量像片連接點(diǎn)就可以獲得幾何穩(wěn)定的攝影測量解，為什么還要費(fèi)錢費(fèi)力地引入IMU設(shè)備(每套約10余萬美元)而采用IMU/DGPS輔助航空攝影測量呢?

根據(jù)國內(nèi)外的研究以及生產(chǎn)的實(shí)踐檢驗(yàn)證明，采用IMU/GPS組合系統(tǒng)進(jìn)行航空攝影測量成圖具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)。

(1)提高GPS定位的精度和可靠性:GPS定位要求至少可以接收到4顆衛(wèi)星的信號，但由于在航空攝影這種高動態(tài)環(huán)境下，GPS易失鎖。另外利用GPS載波相位觀測量進(jìn)行精密定位，要求無周跳發(fā)生，然而動態(tài)環(huán)境中由于信噪比的下降及其它原因，易發(fā)生周跳.雖然目前己經(jīng)有不少修復(fù)周跳和整周模糊度參數(shù)瞬時(shí)求解(ontheflyresolution)的方法，但這些方法的精度和可靠性在高動態(tài)環(huán)境下都有可能發(fā)生問題，定位結(jié)果的可靠性難以保證。由于IMU慣性測量單元的引入構(gòu)成的GPS/INS捷聯(lián)導(dǎo)航測量系統(tǒng)組合對改善定位精度和可靠性非常有利。對于GPS載波相位測量，利用INS短時(shí)間內(nèi)定位精度較高和數(shù)據(jù)高采樣率的特點(diǎn)，可以很好地解決GPS周跳和信號失鎖后整周模糊度參數(shù)的重新解算，提高GPS定位的精度和可靠性。

(2)解決GPS動態(tài)應(yīng)用采樣頻率低的問題:對于航空相機(jī)曝光時(shí)刻的位置測定來說，GPS采樣頻率(一般最大為WHO，這樣如果在飛機(jī)飛行時(shí)速為540km/h(即150m/s)時(shí)，每次GPS采樣的間隔為15m。而現(xiàn)在實(shí)用的IMU/DGPS系統(tǒng)采樣頻率一般在64-256Hz之間，可見INU可以在GPS定位結(jié)果之間高精度內(nèi)插出曝光事件發(fā)生的位置。

(3)IMU/DGPS輔助航空攝影測量與GPS輔助空三相比的優(yōu)點(diǎn):根據(jù)國內(nèi)外的大量生產(chǎn)及實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，I如引入后一般可以不必飛行GPS空三必須的構(gòu)架航線。這將從航空攝影時(shí)間、材料費(fèi)用、掃描加密及自動空三等多方面節(jié)省時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。實(shí)際上幾個(gè)攝區(qū)的上述費(fèi)用合起來已經(jīng)比IMU的購買費(fèi)用增加了。

GPS空三中需要進(jìn)行的漂移誤差改正需要大量的地面高程控制點(diǎn)(或者構(gòu)架航線)以及大量的像片連接點(diǎn)，只有這樣才可以獲得幾何穩(wěn)定的攝影測量解。這種方法對于密林地區(qū)、流動沙丘等地區(qū)難以實(shí)現(xiàn)。而采用工MU數(shù)據(jù)后，由于可以獲得高精度的外方位元素初值，ISO所需的連接點(diǎn)數(shù)量和分布情況就不需要很多和很嚴(yán)格。

2 IMU/DGPS輔助航空攝影測量實(shí)施流程研究

圖1為IMU/DGPS輔助航空攝影測量工序流程圖。圖中白色框內(nèi)表示該技術(shù)與傳統(tǒng)航空攝影測量相同的工序，灰色框內(nèi)為該技術(shù)新增工序。可見采用該技術(shù)進(jìn)行航測成圖，主要需完成如下工作:

1)航攝準(zhǔn)備:包括資料搜集、航攝設(shè)計(jì)、航攝方法選擇、調(diào)機(jī)及空域協(xié)調(diào)、系統(tǒng)安裝測試、現(xiàn)場踏勘(視攝區(qū)情況及采用的航攝方案決定是否布設(shè)對空地標(biāo)點(diǎn))、DGPS基站建立及坐標(biāo)測量、檢校場像片控制點(diǎn)布設(shè)及坐標(biāo)測量以及可能需要的對空地標(biāo)點(diǎn)測量等工作。

2)航空攝影:包括攝區(qū)空中攝影和檢校場攝影、機(jī)載GPS數(shù)據(jù)記錄、機(jī)載IMU數(shù)據(jù)記錄、地面DGPS基站同步觀測、攝影處理、攝影成果整理、質(zhì)量檢查等工作。

3)IMU/DGPS數(shù)據(jù)后處理:包括檢校場航片掃描、檢校場空三解算、IMU/DGPS數(shù)據(jù)處理、偏心角系統(tǒng)誤差改正、以及每張像片外方位元素計(jì)算，提交數(shù)據(jù)成果及資料等工作。

4)內(nèi)業(yè)測圖:根據(jù)測區(qū)情況及設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行內(nèi)業(yè)測圖，如選用直接定向法(DG)，可應(yīng)用每張像片的外方位元素成果直接安置建立立體模型進(jìn)行測圖;或者采用IMU/DGPS輔助空三方法(ISO)，在每個(gè)加密分區(qū)加測一定數(shù)量的控制點(diǎn)(一般4～6個(gè))，將基于IMU/DGPS技術(shù)直接獲取的每張像片的外方位元素，作為帶權(quán)觀測值與攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差，或者更高精度的像片外方位元素成果，然后定向測圖。

3 工程概況

我單位執(zhí)行的某航攝項(xiàng)目位于陜西中部地區(qū)。任務(wù)是:航空攝影、基準(zhǔn)站的布設(shè)和測量、檢校場中檢校點(diǎn)地面標(biāo)志布設(shè)和測量(這些作地面標(biāo)志的點(diǎn)以下也可簡稱地標(biāo)點(diǎn))，檢校場附帶點(diǎn)的選定和測量，精度驗(yàn)證區(qū)外業(yè)檢測點(diǎn)影像實(shí)地測量，詳細(xì)任務(wù)見表1。

4 IMU/DGPS技術(shù)方案

4.1 基站

IMU/DGPS輔助航空攝影測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。

其中線元素的獲取主要是通過差分GPS(DGPS)測量手段來獲取，這就需要在測區(qū)內(nèi)或測區(qū)附近布設(shè)一定數(shù)量的具有作為整個(gè)測區(qū)首級控制點(diǎn)精度、用于與飛機(jī)上機(jī)載高精度GPS信號接收機(jī)同步進(jìn)行觀測的GPS地面觀測站，簡稱GPS基站。通常情況下，移動站與基站間距離越大，用差分GPS方法得到的位置精度越低。因此根據(jù)航測項(xiàng)目所需的精度來確定布設(shè)了3個(gè)基站。

基準(zhǔn)站名及其所在地見表2。

基準(zhǔn)站建立后應(yīng)拍攝基準(zhǔn)站的數(shù)碼像片和基準(zhǔn)站的景觀數(shù)碼像片。

4.2 檢校

由于IMU/DGPS系統(tǒng)測定的位置和姿態(tài)是慣性坐標(biāo)系下的直接測量數(shù)據(jù)，即位置數(shù)據(jù)(X，Y，Z)以及姿態(tài)數(shù)據(jù)(pitch，roll，yaw)，而在實(shí)際生產(chǎn)中需要采用的是攝影測量坐標(biāo)系下的精確外方位元素位置數(shù)據(jù)(X′，Y′，Z′)和姿態(tài)數(shù)據(jù)(φ，ω，κ)。為實(shí)現(xiàn)慣性坐標(biāo)系到攝影測量坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換，通用的做法是采用飛行檢校場的方法來進(jìn)行。因此，為確定姿態(tài)測量單元IMU與航攝儀之間的角度系統(tǒng)差(即偏心角)以及線元素分量偏移值，必須設(shè)立檢校場。即在一個(gè)有足夠數(shù)量精度較高控制點(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IMU/DGPS測量獲得的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)(φ，θ，ψ)進(jìn)行計(jì)算來求得偏心角及線元素分量偏移值的最佳估計(jì)，然后對整個(gè)攝區(qū)范圍加入偏心角系統(tǒng)差改正和線元素分量偏移值改正，得到無系統(tǒng)誤差的外方位元素成果。這樣只需在檢校場范圍內(nèi)進(jìn)行空三加密和外業(yè)控制測量，獲得系統(tǒng)誤差值得改正量，就可以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)攝區(qū)的無(或少)地面控制的航空攝影測量。

檢校場布設(shè)在測區(qū)內(nèi)和測區(qū)附近能夠?qū)嵤┮巴庀窨販y量的區(qū)域，按照攝區(qū)航攝比例尺設(shè)置4條相鄰的平行航線，每條航線不少于10個(gè)像對;航向重疊和旁向重疊均按正常重疊度設(shè)計(jì);每個(gè)固定檢校場周邊布設(shè)4個(gè)平面、高程控制點(diǎn)，控制點(diǎn)點(diǎn)位與像片邊緣不小于1.5cm。

在進(jìn)行檢校場控制點(diǎn)測量的同時(shí)，在檢校場范圍內(nèi)明顯地物處布設(shè)了至少2個(gè)檢查點(diǎn)，以便檢校場空三結(jié)果的檢核。檢校點(diǎn)布設(shè)后應(yīng)拍攝檢校點(diǎn)的數(shù)碼像片和檢校點(diǎn)的景觀數(shù)碼像片。為了檢核檢校區(qū)域的精度，在檢校場范圍內(nèi)選擇成像清晰明顯的地物作為檢校場附帶點(diǎn)。每個(gè)檢校場選2個(gè)，共4個(gè)，按檢校點(diǎn)的要求進(jìn)行觀測。在高于自然地面上布設(shè)標(biāo)志(如在建筑物頂布標(biāo))，應(yīng)量比高至0.1m并記錄在點(diǎn)之記中。附帶點(diǎn)布設(shè)后應(yīng)拍攝附帶點(diǎn)的數(shù)碼像片和附帶點(diǎn)的景觀數(shù)碼像片。

4.3 GPS測量

每時(shí)段結(jié)束后要立即下載數(shù)據(jù)，進(jìn)行轉(zhuǎn)換、檢查、備份。觀測時(shí)要認(rèn)真量取GPS天線高，填寫觀測手簿。地面GPS接收機(jī)應(yīng)與航攝飛機(jī)上的GPS接收機(jī)盡可能地同廠商，采用雙頻靜態(tài)同步觀測，觀測時(shí)采樣間隔設(shè)為1s，觀測時(shí)間從飛機(jī)滑行前10分鐘到降落靜止后10分鐘，一般長4～6h，GPS設(shè)定截至高度角為5°～10°。測前、測中、測后分別記錄觀測手簿，三次量測儀器高至毫米級，較差不大于2mm。

每個(gè)檢校場應(yīng)單獨(dú)聯(lián)測成一個(gè)GPS網(wǎng)，網(wǎng)中含檢校場附帶點(diǎn)及國家大地點(diǎn)。該網(wǎng)和就近的1個(gè)基準(zhǔn)站聯(lián)測。基準(zhǔn)站應(yīng)和GPS網(wǎng)內(nèi)與基準(zhǔn)站相近的2個(gè)點(diǎn)同步聯(lián)測。航攝開始前完成所有檢校點(diǎn)和檢校場附帶點(diǎn)的布設(shè)，其觀測可在航攝前后進(jìn)行。

5 建議

(1)加密區(qū)的選擇要適當(dāng)，跨度不宜過大，一般選取航線為4～6條，每條航線13～20片左右作為一個(gè)加密分區(qū)，每區(qū)應(yīng)布設(shè)適量的檢查點(diǎn)。IMU/DGPS航空攝影中，平面精度容易達(dá)到要求，高程方面由于地形變化，而需要根據(jù)具體情況布設(shè)像控點(diǎn)，否則地勢平緩地區(qū)高程精度達(dá)不到要求。

(2)像控點(diǎn)的布設(shè)。IMU/DGPS輔助空中三角測量對丘陵地和山地而言，僅采用四角點(diǎn)布設(shè)平高控制點(diǎn)即可滿足航測成圖精度要求;平坦地區(qū)以加密區(qū)為單位，采用加密區(qū)域四角點(diǎn)+兩排高程點(diǎn)方案可滿足航測成圖精度要求;不規(guī)則區(qū)域須在其周邊增設(shè)像片控制點(diǎn)，山地和丘陵地一般在轉(zhuǎn)折處布設(shè)平高地面控制點(diǎn)，平地和凸轉(zhuǎn)折處布設(shè)平高地面控制點(diǎn)，凹轉(zhuǎn)折處1條基線時(shí)布設(shè)高程地面控制點(diǎn)。

(3)IMU/DGPS輔助航空攝影測量的特點(diǎn)除減少像控點(diǎn)的布設(shè)外，還有一個(gè)突出特點(diǎn)在于獲取的每張像片外方位元素的平面精度完全滿足航測成圖精度，可直接建立模型進(jìn)行室內(nèi)定位判調(diào)，然后到實(shí)地進(jìn)行定性檢查，在很大程度上提高了調(diào)繪效率。

(4)DGPS計(jì)算精度與基站與飛機(jī)間距離有關(guān)系，距離越小，精度越高。

(5)采用直接定向法時(shí)，必須每架次飛行檢校場，檢校場必須與攝區(qū)同高度。而采用IMU/DGPS輔助空三時(shí)，由于基于少量幾個(gè)地面控制點(diǎn)(一般多于4個(gè))進(jìn)行加密后，可消除角度系統(tǒng)誤差和線元素分量偏移值帶來的影響，不必每架次飛行檢校場。

(6)檢校場可以設(shè)置在離攝區(qū)較遠(yuǎn)的地方(200～300km)，也可以用攝區(qū)中任取4條航線(需足夠數(shù)量的地面控制點(diǎn)，一般多于6個(gè))來代替。

總之，IMU/DGPS輔助空中三角測量正處于引進(jìn)實(shí)際生產(chǎn)階段，有些技術(shù)問題有待于進(jìn)一步探索研究，使其日臻完善。IMU/DGPS輔助空中三角測量技術(shù)含量高，涉及范圍廣，需要不同部門間的協(xié)作完成，相互間的技術(shù)交流是這項(xiàng)技術(shù)走向成熟的重要保障。

參考文獻(xiàn)

[1]李德仁.GPS用于攝影測量與遙感.北京:測繪出版社，1996.

[2]劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法.北京:科學(xué)出版社，2003.

[3]袁修孝.GPS輔助空中三角測量原理及應(yīng)用.北京:測繪出版社，2001.