POS工作原理及輔助攝影測量流程研究

朱正榮

摘 要：本文基于筆者多年從事航空攝影測量的相關工作經驗，以POS輔助航空攝影測量為研究對象，論文首先分析了POS的工作原理，進而探討了以關中某地區航攝測量為背景的POS輔助航攝測量試驗，論文詳細探討了整個試驗的流程和方法，給出了試驗結論，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：POS 航空攝影測量 輔助 試驗 RC-30

中圖分類號：P23 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（c）-0060-02

航空攝影測量技術是在飛機上利用航攝相機對地面連續攝取像片，結合地面控制點測量、處理和立體測繪等步驟，繪制出地形圖的作業，是我國獲取基礎地理信息數據的主要手段之一。目前，我國重大自然災害監測與預警、資源利用與環境監測等領域都需要大量的高分辨率、高精度的地理信息數據，這些數據與我國經濟的可持續發展緊緊相關。

傳統航空攝影測量一般需要使用野外控制點并通過空中三角測量加密求解外方位元素，而野外控制點的布設工作繁瑣，在荒漠、高山等困難地區野外控制點更是難以布設，因此，盡量減少乃至擺脫對野外控制點的依賴而直接對像片定向一直是攝影測量的重要研究方向之一。為此，人們一直試圖在航空攝影飛行過程中直接記錄或確定航攝相機的位置和方向，并利用這些定向數據實現航攝像片的絕對定向。

20世紀90年代，GPS（Global Position System，全球定位系統）輔助空中三角測量的方法得到了廣泛應用，利用GPS獲得的定位信息用來輔助空中三角測量，展現了導航技術在測繪領域的應用前景。GPS技術雖然解決了像片的定位問題，但是無法獲取像片的姿態參數，不能徹底擺脫地面控制。隨著航空攝影測量技術和慣性導航技術的發展，一種新的方法開始應用于航空攝影測量—— 定位定向系統（Position and Orientation System，簡稱POS系統）輔助航空攝影。機載POS系統集GPS技術與慣性導航技術于一體，使準確地獲取航攝相機曝光時刻的外方位元素（GPS測量得到位置參數，慣性導航系統得到姿態參數）成為可能，從而實現了無（或少量）地面控制點，甚至無需空中三角測量加密工序，即可直接定向測圖，從而大大縮短航空攝影作業周期、提高生產效率、降低成本。因此，POS系統的出現，將從根本上改變傳統航空攝影的方法，進而引起航空攝影理論與技術的重大飛躍。隨著計算機技術的發展及其慣性、GPS器件精度水平的提高，POS無論定位定向精度還是實時數據處理能力都會有質的提高，將會在航空攝影測繪方面發揮越來越重要的作用。POS系統高精度定位定向技術是POS系統應用的關鍵技術，它的研究可以極大的推動POS系統的發展。

1 POS工作原理

IMU慣性測量單元最大優點是不依賴于任何外界信息，能夠進行完全自主的導航。慣性測量單元能夠連續長時間的工作，可以提供多種導航信息如位置、速度、航程、航向，還可以提供水平及方位基準，精度較高。但是，慣性測量單元的精度主要取決于慣性器件（陀螺儀和加速度計）的精度，并且其定位誤差隨時間積累，精度逐漸降低，這對于需要長時間工作的情況是極為不利的。而且其初始對準時間長，所以想到利用其它定位手段作為參考信息源，定期或不定期地對慣性測量單元進行綜合校正，對慣性器件的漂移進行補償。

GPS衛星導航系統具有定位精度高的特點，而且能夠進行全球、全天候、全天時、多維連續定位，其精度不隨時間變化。然而，GPS是非自主式的系統，不能提供諸如載體姿態等參數，運動載體上的GPS接收機不易捕獲和穩定跟蹤衛星信號，動態環境造成中信噪比下降。這些原因都容易產生周跳。而且由于GPS信號在傳播途中的干擾，使得系統定位精度有所下降，定位結果較為離散。

如上所述，GPS和IMU慣性測量單元各有所長，具有可互補的特點，兩者的組合不僅具有兩個獨立系統各自的主要優點，而且隨著組合水平的提高，它們之間信息傳遞、融合、使用的加強，組合系統的總體性能要遠優于任一獨立系統。

組合導航把無線電導航長期精度高與慣性測量短期精度高和不受干擾的優點結合起來，因而GPS與IMU的組合被認為是目前導航領域最理想的組合方式，其基本原理如圖1所示。POS都是采用這樣的組合系統，其優點主要表現在以下幾方面。

（1）GPS/IMU組合提高了系統的精度。

高精度GPS信息作為外部測量信息輸入系統，在運動過程中頻繁修正IMU測量值，以控制減弱其隨時間積累的誤差；而短時間內IMU定位結果可以很好的解決GPS動態環境中由于信號失鎖和周跳導致的精度跳躍下降問題。因而，GPS/IMU組合測量誤差實際上比單獨的GPS或IMU的誤差都小。

（2）GPS/IMU組合加強系統的抗干擾能力。

由于IMU可以獨立進行導航，因而當GPS信號受到干擾時，IMU不僅能提供導航信息，而且其導航解可作為輔助信息，對GPS碼和載波的再捕獲起輔助作用，大大縮短了GPS恢復工作的時間，提高了GPS接收機的跟蹤能力。而GPS信息對IMU的輔助可使IMU在運動中不斷進行初始對準。

（3）GPS/IMU組合解決了GPS動態應用采樣頻率低的問題。

由于GPS的數據采樣率低，不能達到某些動態應用中的要求，這時高頻IMU數據可以在GPS定位結果之間高精度內插所求事件發生的位置，如航空相機曝光瞬間的位置，從而保證了組合系統對整個航線的各個攝影位置的高精度定位。當然GPS本身的采樣頻率也隨著設備的發展不斷提高。

（4）GPS/IMU組合將降低對慣導系統的要求。

長期以來，IMU的高價格一直是限制其廣泛應用的主要原因。而組合系統提供另一種解決方案，利用IMU的速度信號解決動態跟蹤問題，而高精度定位則由GPS來實現，因此可以采用較低性能的IMU，從而降低了組合系統的成本。

2 試驗概況

POSAV510輔助RC30相機在2006年關中地區進行了兩次試驗飛行。根據試驗的目的和技術要求，結合實際工作的需要選定試驗測區。測區內分布有水系河流、城鎮市區、山區和主要交通道路等典型地形地貌，較有利于對設備精度的評估。選擇了1∶10000和1∶40000兩個攝影比例尺。如表1所示。

3 試驗區控制點的布設

為了對POS的精度做出客觀的評估，在關中某試驗區內根據《GB/T13977-921∶5000、1∶10000地形圖航空攝影測量外業規范》《GB/T13990-92 1∶5000、1∶10000地形圖航空攝影測量內業規范》《P0S/TRACKER系統應用航空攝影試飛方案》技術設計書進行試驗區控制點布設。

3.1 A區控制點布設方案

根據《POS/TRACKER系統試驗區航空攝影技術設計書》要求，A區范圍覆蓋6幅（3×2）1∶50000地形圖。依據關于1∶50000比例尺成圖丘陵地和山地的區域網布點及構架航線的布點要求，A區控制點布設如圖1所示。

3.2 B區控制點布設方案

根據《POS/TRACKER系統試驗區航空攝影技術設計書》要求，B區范圍覆蓋2幅（1×2）1∶10000地形圖。關于1∶10000比例尺成圖平地的區域網布點要求，同時結合檢校場控制點布設要求。B區控制點布設如圖2所示。

為了提高量測精度，在像片上更準確地判別出控制點的位置，本次試驗在B區采用了先布控后飛行的方法。根據控制點周圍的環境情況，對B區100 km2內的42個控制點分別用埋石、砸木樁及鐵釘的方法將控制點標記到位，其中大標石6個（預計作為檢校場控制點永久保留）、小標石11個、木樁19個、鐵釘6個。

為了使控制點在像片上容易判別，飛行前對測區100 km2內的42個控制點進行標志布設。根據控制點的情況，采用1 m×1 m的標志布和刷漆等辦法，在飛機起飛前將標布設到位。

4 基準站布設

為保證POS輔助航空攝影飛行，需要在測區內布設基準站。考慮到基準站觀測數據備份和檢核，根據測區大小和試驗為中、小比例尺航攝的特點，按照GB/T18314與GJB2228-1994規定的GPS基準站選址原則，結合已知大地測量控制成果，并經過現場踏勘，在攝區內布設1個地面GPS基準站。同時為了驗證基準站距離對測量精度的影響，在寶雞（距測區約200 km）和鄭州（距測區約500 km）地區分別布設長基線和超長基線GPS基準站。

5 航攝飛行

根據《POS/TRACKER系統試驗區航空攝影技術設計書》和《POS/TRACKER系統試驗區航空攝影實施計劃》，共飛行5架次，完成了試驗區1∶10000及1∶40000的航攝工作，獲取了1∶10000、1∶40000有效黑白像片323片，l∶10000彩色有效像片133片隨后再次完成POS輔助RC30相機B區1∶10000飛行。

6 POS外方位元素解算

（l）偏心角解算。在1∶10000黑白影像掃描完畢，獲得檢校場像控測量數據以及檢校場空三加密數據后，結合POS原始數據及基準站數據，利用PosPac軟件中的PosGPs、PosPro及CalQc模塊對偏心角進行解算，獲得了305 mm鏡頭進行1∶10000飛行時的偏心角。同時解算出152 mm鏡頭進行1∶40000飛行時的偏心角。

（2）像片外方位元素的解算。將獲得的偏心角輸入PosPac軟件的PosPEO模塊進行解算，獲得像片的外方位元素EO。

7 空三處理

由于現有的海拉瓦軟件和適普軟件都不支持POS數據的空三處理，因此，數據后期的空三解算采用了Leica公司的LPS軟件。在LPS中建立與EO數據坐標相一致的工程，進行了直接定向法和POS輔助空三法兩種方法的試驗。

直接定向法。在LPS中建立工程，輸入試驗區影像，生成縮小片。在自動完成內定向后，在Fiducial orientation and Exterior Orientation Parameter Editor直接輸入EO解算出的外方位元素，將其作為確定值，試驗區的立體即可完全恢復，最終進行精度檢測。

POS輔助空三法。前期與直接定向法一致，不過在輸入外方位元素后，將其設為初始值，再按直接定向法檢測出的精度給出一個外方位元素合適的標準方差。進入Orima軟件，通過APM選點，判讀合適的控制點，進行平差解算，最后將結果寫出。退回到LPS中，進行精度檢測。試驗進行了僅有連接點無控制的平差、加入1個控制點的平差、加入4個控制點的平差。

8 POS數據直接定向精度分析研究

在內定向結束后，輸入RC30的POS數據按照LPS中影像的數據順序，依次將其對應的EO數據拷貝到相應的位置，獲得POSEO數據直接定向的結果。從表2中可以看出：

（1）200X年B區直接定向，精度已經可以滿足1∶10000成圖要求。

（2）200X年B區直接定向，平面精度可以滿足1∶10000成圖要求，但高程精度超限。這是因為我國的外業大地高均為ITRF97或與其相似的框架下的大地高，而我們所采用的EO數據的大地高是初始WGS84的大地高，兩者之間有固定差，在引入一個控制點平差后，高程精度馬上符合精度要求。

9 結論

通過本次課題試驗精度分析，POS輔助RC3相機航攝，在成小于1∶10000地形圖時，可采用直接定向的方法。在成1∶10000或更大比例尺地形圖時，應采用POS輔助空中三角測量的方法。

參考文獻

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