利用模擬GPS/IMU數據快速制作DOM的方法

韓 濤，宋 起，李 紅

（1.地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054；2.西安測繪總站，陜西 西安 710054）

在航空攝影測量中，利用高精度的GPS/IMU組合定位定向系統能夠獲取航攝儀曝光瞬間的外方位元素（POS數據），可實現稀少控制甚至無控制點的區域網平差和后期產品制作，大大減少了外業工作量，縮短了成圖周期[1]。目前，市場上主流的全數字攝影測量系統都將POS數據作為生產作業中不可或缺的重要數據。但在一些情況下，航空遙感影像缺少POS數據的支持，使生產作業無法正常進行。近年來，通過實踐探索，逐步找到了解決問題的方法，為困難條件下利用已有資料進行相關作業提供了技術依據。

1 研究方法和技術路線

通常情況下，快速制作DOM的關鍵環節是空中三角測量成果的快速完成和DEM的及時獲取。

利用全數字攝影測量工作站完成空中三角測量，獲取航攝儀曝光瞬間的外方位元素[2,3]，是制約工程展開、影響任務進度的關鍵。在無POS數據情況下，為了快速獲取空中三角測量成果，必須解決初始外方位元素獲取問題，模擬出相關測區的POS數據。

得到空中三角測量成果后，要想得到現勢性很強的DOM成果，關鍵在于獲取支持DOM生成的DEM數據。在模擬POS數據快速制作DOM的過程中，充分發揮原有DEM數據的作用，或直接利用，或適當修改后利用，達到快速獲取DOM的目的（圖1）。

2 空中三角測量

2.1 初始外方位元素解決方案

要在沒有POS數據的情況下正常進行空中三角測量，需給定初始的外方位元素，即模擬POS數據的外方位元素。初始外方位元素獲取包括對線元素的獲取以替代GPS傳感器接收的絕對方位參數；角元素的獲取以替代IMU傳感器生成相對方位參數和俯仰ω、側滾φ、航偏κ旋轉參數。

2.1.1 線元素的獲取

線元素的獲取可以從已有資料（線劃圖或控制資料）中推算并判讀出航線首末影像主點在選定空間直角坐標系中的平面坐標，并通過內方位元素及攝影比例尺推算出航高，以獲取外方位元素中的線元素。由于像主點和相片中心點基本重合，實際操作時可不加區分。

圖1 數據處理流程

1）像主點在選定空間直角坐標系中平面坐標的獲取。通常情況下先獲取航線首末影像主點在選定空間直角坐標系中的平面坐標和攝影基線，然后根據航片之間攝影基線基本一致的技術常識[4]，推算航線內部其他影像主點的平面坐標。首末影像主點在選定空間直角坐標系中平面坐標一般可以通過以下方式獲取：①利用GPS實地量測，該方式是最直接也是相對準確的獲取方式，但費時費力；②利用老圖判點量測，該方式用時短、效率高，但易引入判讀誤差，精度受限；③利用已知控制點推算，通過同一個模型上的2個已知控制點A、B（如圖2所示），計算2點之間距離c，并量測A、B點與影像主點C之間組成的三角形角度。通過A、B、C之間的三角關系，求得C點在選定空間直角坐標系中的平面坐標。

2個已知控制點之間距離c為：

式中，X1、X2、Y1、Y2為2個已知控制點坐標值。

其他兩邊距離為：

式中，A、C為兩條邊組成的夾角；a、c為兩點間距離。根據式（1）、（2），在已知2點坐標情況下，很容易求得第3點也就是相片主點在選定空間直角坐標系中的平面坐標。該方式較方式①用時短、效率高，較方式②精度高。另外，在首末影像主點平面坐標獲取有困難的情況下，也可考慮選擇航線中任意2張影像的主點進行量測，進而推算出其他影像主點的平面坐標。

圖2 控制點與相片中心點之間三角關系

2）像主點在選定空間直角坐標系中高程坐標的獲取：

式中，H為航攝時飛機相對航高；f為航攝儀主距；m為航攝比例尺分母。

2.1.2 角元素的獲取

模擬航拍時的俯仰ω、側滾φ、航偏κ三個角元素，ω、φ是影像分別繞X軸、Y軸的旋轉角度，也就是影像相對于基準面的平面夾角。由于上述角度在航攝時有嚴格控制（≤3°），這里可忽略。κ是影像繞Z軸的旋轉角度，也就是航線方向與東西方向的夾角，在規則航線中，κ角度一般為0°或180°、90°或270°。但在非規則航線中，需在曝光中心點確定后，通過量測航線與東西方向的夾角，來確定κ角度，如圖3所示。

圖3 非規則航線與東西方向夾角關系

2.2 內業點匹配

由于POS數據是模擬的，同航線模型之間、航線與航線之間鏈接較為松散，相對數學關系并不嚴密，所以，內業點匹配采用像方匹配或物方匹配，均存在一定局限。

1）采用像方匹配時，針對精度有限的初始外方位元素數據，需調整合適的匹配窗口、匹配策略，往往需調整到比有精確POS數據大3～5倍的搜索半徑，方能匹配出內業點。

2）采用物方匹配對于POS精度要求相對較高，并且必須有外部高程數據作為參考。往往利用已知的DEM作為輔助數據，如采用全球ASTER GDEM作為參考DEM，內業點匹配在參考ASTER GDEM支持下成功率較高。

2.3 平差解算

內業點匹配完成后，即可進行粗差探測和區域網平差計算。首先需剔除粗差，將內業點匹配過程中量測質量不高的點進行挑選剔除，經過多次剔除粗差后，打開運算報告文件，查看每個點上的具體殘差。如果粗差點已剔除干凈（誤差小于2個像素），可進行區域網平差計算。如果點上的誤差不能滿足要求，則應返回進行交互式量測修改，直至符合要求，再進行區域網平差計算，直到精度滿足要求為止。

3 DOM制作

1）DEM獲取。①DEM自動匹配。采用系統自動匹配方式實時獲取，此方式模型符合較好，且格網間距可根據成果精度要求修改，通常作為DEM獲取的首選方式。但受地形、植被、資料等條件限制，有的測區DEM匹配準確度不高，格網點不能切準地形表面，需要人工編輯，費時費力。②利用已有DEM成果。現在，國內大部分區域有已存檔的DEM，將數據轉換為和空三成果一致的坐標系統即可。對于困難地區或國外地區，可利用ASTER GDEM等數據，填補空白。③對于高程變化不明顯的平地、丘陵地地形，特殊情況下，可采用讀取平均高程的方法獲取DEM。

2）DOM制作。制作時，可直接使用正射影像制作模塊，在DEM支持下，以航空影像單片為單位，糾正生成DOM，再將各單片正射影像拼接，制作整區DOM。

4 結 語

在全數字攝影測量系統上利用模擬POS數據進行航空遙感影像DOM快速制作，通常情況下對空中三角測量成果和DEM的精度要求較低，適用于搶險救災等類似應急測繪保障任務。該方法已在定西地震救災等應急任務中得到了應用，取得了較為滿意的效果。

[1]王之卓.攝影測量原理[M].武漢:武漢大學出版社,2007

[2]寧津生,陳俊勇,李德仁,等.測繪學概論[M].武漢:武漢大學出版社,2008

[3]張劍清,潘勵,王樹根.攝影測量學[M].武漢:武漢大學出版社,2009

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[5]袁修孝.GPS輔助空中三角測量原理及應用[M].北京:測繪出版社,2001

[6]王鐵軍,鄭福海,王俊杰.IMU/DGPS輔助空中三角測量精度分析[J].地理信息世界,2009,6(4):47-50

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