IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)方法應(yīng)用研究——以貴陽市航空攝影測量項目為例

石　平，張文安

(1. 貴陽市測繪院，貴州 貴陽 550002； 2. 西安煤航信息產(chǎn)業(yè)有限公司，陜西 西安 710054)

Application of IMU/GPS Assisted Aerial Photogrammetry

——A Case Study in Guiyang，China

SHI Ping，ZHANG Wenan

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IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)方法應(yīng)用研究
——以貴陽市航空攝影測量項目為例

石平1，張文安2

(1. 貴陽市測繪院，貴州 貴陽 550002； 2. 西安煤航信息產(chǎn)業(yè)有限公司，陜西 西安 710054)

Application of IMU/GPS Assisted Aerial Photogrammetry

——A Case Study in Guiyang，China

SHI Ping，ZHANG Wenan

摘要：通過貴陽市航空攝影測量項目的實施，形成了一套有效可行的IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)方法。介紹了項目所采用的檢校場的布設(shè)方法、IMU/GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)像控布點方法，以及IMU/GPS輔助空中三角測量技術(shù),分析了IMU/GPS輔助空中三角測量和DEM/DOM成果精度，論述了該項目所形成的IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)方法的適用范圍和局限性。

關(guān)鍵詞：慣性測量單元(IMU)；GPS；DMC數(shù)碼相機；IMU/GPS輔助空三；精度分析

近年來，GPS、慣性測量單元(IMU)精度的不斷提高及其成本的不斷降低，使IMU/GPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空攝影測量中，并推進了航空攝影測量長足的發(fā)展，提高了航空攝影測量的生產(chǎn)效率和成果精度。但由于目前出臺的IMU/GPS輔助航空攝影測量規(guī)范比較籠統(tǒng),沒有明確的技術(shù)參數(shù)和方法可參照執(zhí)行，IMU/GPS輔助航空攝影測量項目的實施大多基于項目前期的試驗基礎(chǔ)進行。因此，IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)方法的應(yīng)用研究成為國內(nèi)關(guān)注的熱點問題。

在貴陽市航空攝影測量項目中，采用了IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)，完成了4000多平方千米航空攝影和DEM、DOM成果的制作。在該項目的實施中，形成了IMU/GPS輔助航空攝影測量檢校場的布設(shè)、外業(yè)像控測量、IMU/GPS輔助空中三角測量等技術(shù)方法。

一、IMU/GPS組合技術(shù)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和GPS已廣泛應(yīng)用于航空攝影測量中，由于二者均具有各自的優(yōu)點及缺陷。它們組合到一起使用，可達到優(yōu)勢互補、彌補對方不足的特點。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)的主要部件由陀螺、加速度計及相關(guān)的輔助電路構(gòu)成,稱為慣性測量單元(IMU)。IMU是一個高精度慣性測量單元,它不依賴于任何外界信息，能夠進行完全自主的導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠連續(xù)長時間的工作，可以提供多種導(dǎo)航信息如位置、速度、航程、航向，還可以提供水平基準(zhǔn)及方位基準(zhǔn)，精度較高。將它與航攝儀緊密固連,能直接測定航攝儀的姿態(tài)參數(shù),通過對IMU、GPS數(shù)據(jù)進行聯(lián)合后處理,可以快速獲取測圖所需的每張航片的高精度外方位元素。但是，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度主要取決于慣性器件(陀螺儀和加速度計)的精度，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載體來說是極為不利的。

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(xù)定位，其精度不隨時間變化。然而，GPS是非自主式的系統(tǒng)，不能提供諸如載體姿態(tài)等導(dǎo)航參數(shù)，運動載體上的接收機不易捕獲和跟蹤衛(wèi)星信號，動態(tài)環(huán)境中由于信噪比的下降及其他原因，易產(chǎn)生周跳。而且信號在傳播途中的干擾，使得系統(tǒng)定位精度有所下降，定位結(jié)果離散較大。同時，數(shù)據(jù)輸出的頻率低是動態(tài)應(yīng)用的另一個主要問題。

綜上所述，GPS系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)各有所長，具有互補的特點，兩者的組合不僅具有兩個獨立系統(tǒng)各自的主要優(yōu)點，而且隨著組合水平的提高，它們之間互相傳遞、使用信息的加強，組合系統(tǒng)的總體性能要遠優(yōu)于任一獨立系統(tǒng)。組合導(dǎo)航把無線電導(dǎo)航長期精度高與慣性導(dǎo)航短期精度高和不受干擾的優(yōu)點結(jié)合了起來，因此，GPS與IMU的組合被認(rèn)為是目前導(dǎo)航領(lǐng)域最理想的組合方式。

二、IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)方法

1. 項目概況

為了滿足貴陽市的發(fā)展需要，為數(shù)字貴陽提供現(xiàn)勢性強的測繪資料，進行了貴陽市數(shù)字航空攝影測量項目，總面積為4 073.38 km2。項目地處云貴高原的東斜坡上，地貌形態(tài)多樣，有高原山地和丘陵，又有臺地和盆地、河谷，海拔872～1659 m。常年受西風(fēng)帶控制，氣候溫和濕潤，陰雨天多，四季不甚分明。“天無三日晴，地?zé)o三里平”是該區(qū)域的典型寫照，同時也是該項目實施的困難所在。

2. IMU/GPS輔助航空攝影

為了滿足貴陽市1∶500、1∶1000、1∶2000大比例尺航空攝影測量，根據(jù)攝區(qū)特有的氣候、地形條件，選用了UCX數(shù)字航攝儀、AeroControl-Ⅱd慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、塞斯納208飛行器，并采用了一系列先進的軟件作為航攝數(shù)據(jù)處理的支持，如WinMp航線設(shè)計軟件、OPC影像數(shù)據(jù)處理軟件、AEROoffice V5.1f IMU/DGPS數(shù)據(jù)處理軟件、WPG GPS 7.60 IMU/DGPS數(shù)據(jù)濾波計算軟件、SSK空三測量解算軟件等。全區(qū)采用了兩種地面分辨率的飛行方案，即1308攝區(qū)，地面分辨率(GSD)=0.06 m；1309攝區(qū)，地面分辨率(GSD)=0.14 m。機載和地面GPS測量均采用Trimble 5700型雙頻GPS，航空攝影主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3. 檢校場的布設(shè)與飛行

由于IMU/GPS輔助航空攝影測量中，GPS相位中心、IMU幾何中心及相機的投影中心不重合，必須在攝區(qū)或攝區(qū)附近選取包含若干條航線的區(qū)域，采用空中三角測量方法確定各航片的外方位元素，與系統(tǒng)獲取的含有偏心角及線元素分量偏移值的各航片觀測量進行矩陣運算，求出偏心角及線元素分量偏移值。這樣就可以利用解算所得參數(shù)對整個測區(qū)進行系統(tǒng)校正，以獲得更高精度的外方位元素。用于系統(tǒng)誤差校正的區(qū)域就稱為檢校場。

表1　航空攝影主要技術(shù)參數(shù)

為減少航攝時間，檢校場均布設(shè)在攝區(qū)內(nèi)，采用附加航線的飛行方法，這是本次檢校場飛行與布設(shè)的一個顯著特點。其中1308攝區(qū)布設(shè)4個檢校場，即08/09線、49/50線、79/80線、305/306線，如圖1所示。1309攝區(qū)布設(shè)2個檢校場，即26/52線、08/17線，如圖2所示。兩攝區(qū)均采用相同的4個連續(xù)運行參考站(CORS)作為地面基站。其次，檢校場的控制點、檢查點均選在目標(biāo)影像清晰、定位性好的自然地物地標(biāo)上，未敷設(shè)人工地面標(biāo)志，這也是本項目檢校場布設(shè)的另一特點。檢校場的飛行基線數(shù)不少于10條，飛行高度與攝區(qū)飛行高度保持一致。

圖1　1308攝區(qū)4個檢校場布設(shè)圖

圖2　1309攝區(qū)2個檢校場布設(shè)圖

4. IMU/GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)像控測量

為測制1∶2000 DEM、DOM成果,該項目采用IMU/GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)像控布點，基于以往項目的經(jīng)驗,該項目采用的區(qū)域網(wǎng)為6條航線和60條基線，每個區(qū)域采用9點法的布點方案。對于不規(guī)則區(qū)域，相鄰平高點間隔30條基線以上時應(yīng)在中間布一個平高點。共布設(shè)像控點313個，其中檢校場布設(shè)62個，其他區(qū)域布設(shè)98個，檢查點共布設(shè)153個。

5. IMU/GPS輔助空中三角測量

IMU/GPS輔助空中三角測量是將IMU/GPS組合系統(tǒng)直接獲取的外方位元素作為初始帶權(quán)觀測值,參與攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差，可以同時獲得高精度的內(nèi)、外方位元素成果，實現(xiàn)更精確的像片定向。貴陽項目IMU/GPS輔助空中三角測量采用SSK全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站進行，作業(yè)方式為影像自動匹配與人工干預(yù)相結(jié)合的方式，全區(qū)共分為14個加密分區(qū)進行觀測，實行IMU/GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差。

三、數(shù)據(jù)分析與技術(shù)方法論證

1. IMU/GPS輔助空中三角測量精度分析

IMU/GPS輔助空三加密全區(qū)分為14個加密分區(qū)進行觀測、平差，共觀測平面定向點396個，高程定向點392個，平面檢查點97個，高程檢查點95個。按不同分辨率的攝區(qū)，即0.14 m攝影分區(qū)、0.06 m攝影分區(qū)及全區(qū)進行了加密定向點和多余野外控制點不符值的中誤差統(tǒng)計見表2。

表2　空三加密精度

從表2統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知：

1) 定向點平面精度滿足1∶1000、1∶2000城市測量規(guī)范的要求，不能滿足1∶500的平面精度要求(規(guī)范要求0.125 m)。

2) 定向點高程精度滿足1∶2000城市測量規(guī)范的要求，滿足1∶500、1∶1000丘陵山地區(qū)域的要求，不能滿足1∶500、1∶1000平地(0.5 m等高距)的精度要求(規(guī)范要求0.05 m)。

3) 6 cm攝區(qū)多余野外控制點平面精度滿足1∶500、1∶1000、1∶2000的要求，14 cm攝區(qū)多余野外控制點平面精度滿足1∶1000、1∶2000的要求，不能滿足1∶500平面精度的要求(規(guī)范要求0.22 m)。

4) 多余野外控制點高程精度滿足1∶2000的要求，不能滿足1∶500、1∶1000平地(0.5 m等高距)的精度要求(規(guī)范要求0.05 m)。

2. DOM、DEM精度分析

利用保密點對本測區(qū)DEM及DOM成果進行位置精度檢測，分批次共檢測DEM高程精度301幅，DOM平面精度304幅。經(jīng)統(tǒng)計DEM高程中誤差為0.593 m，滿足1∶2000 DEM二級高程精度要求，優(yōu)于設(shè)計的要求。DOM平面中誤差為0.367 m，滿足1∶1000、1∶2000平面精度的要求。

3. IMU/GPS輔助像控區(qū)域網(wǎng)布點方法的適用性

該項目所采用的IMU/GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)像控布點，即6條航線和60條基線的區(qū)域網(wǎng)規(guī)模，由IMU/GPS輔助空中三角測量精度分析可知，該區(qū)域網(wǎng)布點方法完全滿足1∶2000航空攝影測量平面和高程精度的要求，對于1∶500、1∶1000航空攝影測量，該區(qū)域網(wǎng)規(guī)模不能滿足其高程精度的要求，需

要加密控制點的布設(shè)。也不能滿足14 cm攝區(qū)1∶500、1∶1000航空攝影測量平坦地區(qū)的平面精度的要求。其原因有二：一是IMU/GPS輔助航空攝影14 cm的地面分辨率不能滿足1∶500、1∶1000比例尺平坦地區(qū)的規(guī)范要求；二是IMU/GPS輔助航空攝影測量的像控區(qū)域網(wǎng)規(guī)模不適宜1∶500、1∶1000比例尺平坦地區(qū)的規(guī)范要求。

四、結(jié)束語

基于IMU/GPS輔助航空攝影測量貴陽項目，從IMU/GPS輔助航空攝影、IMU/GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)像控測量，到IMU/GPS輔助光束法空中三角測量形成了一套可行的技術(shù)方法。該方法經(jīng)空三加密和DEM、DOM成果精度分析，完全滿足1∶2000比例尺IMU/GPS輔助航空攝影測量的要求，不適用于1∶500、1∶1000比例尺平坦地區(qū)的IMU/GPS輔助航空攝影測量。為此，在實施1∶500、1∶1000 IMU/GPS輔助航空攝影測量時，對此套方案應(yīng)進行全方位優(yōu)化和進一步試驗。

該項目采用了IMU/GPS輔助航空攝影測量，與傳統(tǒng)航空攝影測量相比，不僅可以利用IMU/GPS組合系統(tǒng)直接獲取影像的外方位元素，而且大幅度減少了野外控制點測量，從而降低了大比例尺測圖成本，提高了生產(chǎn)效率。

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引文格式： 石平，張文安. IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)方法應(yīng)用研究——以貴陽市航空攝影測量項目為例[J].測繪通報，2016(1)：88-90.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0022.

作者簡介：石平(1964—)，男，高級工程師，長期從事測繪工程、遙感、GIS應(yīng)用與行政管理工作。E-mail：511323825@qq.com

收稿日期：2015-10-15

中圖分類號：P231

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)01-0088-03