ADS100航攝影像空中三角測量精度分析

屈偉軍

（湖南省第二測繪院，湖南 長沙 410114）

目前，我國基本比例尺地形圖的測制主要是采用航空攝影測量成圖的方法。傳統(tǒng)的航空攝影測量成圖流程主要包括航空攝影、控制點(diǎn)

測量、空中三角測量和立體測圖4個(gè)階段，因?yàn)榭罩腥菧y量階段需要引入大量地面控制點(diǎn)來解算相片外方位元素，從而導(dǎo)致成圖過程周期長，野外工作量大[1]，尤其在荒漠、密林和高山等測區(qū)，很難獲取地面控制點(diǎn)，無法采用常規(guī)的航空攝影測量方法。為了縮短作業(yè)周期，減少外業(yè)工作量和降低費(fèi)用，近年來，出現(xiàn)了大量高精度的機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備，航攝儀定向數(shù)據(jù)的利用在國際攝影測量界引起了廣泛的高度重視[2]。國內(nèi)外大量的試驗(yàn)研究證明，把POS數(shù)據(jù)作為附加觀測值引入空中三角測量可以有效減少地面控制點(diǎn)的數(shù)量[3-4]。

隨著科技的發(fā)展，新一代航攝儀基本實(shí)現(xiàn)了POS系統(tǒng)的集成。在國內(nèi)使用的主流數(shù)碼航攝儀中，大致可以分為3個(gè)系列：

1）微軟公司的UC系列，包括UC LP、UC XP、UC Eagle等；

2）徠卡公司的DMC系列，包括DMC I、DMC II、DMC III；

3）徠卡公司的ADS系列，包括ADS 40、ADS 80、ADS 100。

前2個(gè)系列為框幅式數(shù)碼航攝儀，第3個(gè)系列為推掃式數(shù)碼航攝儀。ADS100航攝儀作為ADS系列的最新款航攝儀，具有優(yōu)秀的航空攝影技術(shù)指標(biāo)，目前國內(nèi)已投入使用超過20余臺。本文利用ADS100航攝儀集成有高精度POS系統(tǒng)的特點(diǎn)[3]，對ADS100航攝影像使用不同方式進(jìn)行的空中三角測量精度進(jìn)行分析，探討減少航測空中三角測量過程中地面控制點(diǎn)數(shù)量的方法，以期縮短項(xiàng)目工期、節(jié)約項(xiàng)目成本。

1 ADS100數(shù)字航攝儀簡介

ADS100數(shù)字航攝儀由瑞士徠卡公司于2013年推出，是世界上先進(jìn)的推掃式航攝儀[5]。ADS100數(shù)字航攝儀集成了高精度的POS系統(tǒng)（包含慣性測量單元IMU和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS），采用三線陣CCD掃描，一次飛行可以同時(shí)獲取前視、下視和后視具有100%三度重疊的影像，其前視和下視具有高達(dá)0.8的基高比，能夠保證良好的高程精度。徠卡ADS100航攝系統(tǒng)所集成的POS精度為POS AV 610級別，可以獲取攝影瞬間相機(jī)精確的空間位置和姿態(tài)，為空中三角測量提供準(zhǔn)確的外方位元素初值，POS AV 610的精度指標(biāo)如表1所示。

表1 POS AV 610 絕對精度Tabel 1 Absolute accuracy of POS AV 610

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)概況

2.1 攝區(qū)基本情況

選擇湖南省境內(nèi)的2個(gè)攝區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，2個(gè)攝區(qū)的航攝地面分辨率均為0.2 m，航攝時(shí)間均為2014年11月。攝區(qū)一為丘陵地形，攝影面積約1 400 km2，共11條航線，飛行方向?yàn)槟媳毕颍韵蛑丿B度30%，攝區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)了46個(gè)地面控制點(diǎn)；攝區(qū)二屬山地地形，攝影面積約1 000 km2，共10條航線，飛行方向?yàn)闁|西向，旁向重疊度35%，攝區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)了38個(gè)地面控制點(diǎn)。

2.2 機(jī)載IMU/GNSS數(shù)據(jù)處理情況

機(jī)載IMU/GNSS數(shù)據(jù)使用徠卡公司的Inertial Explorer（簡稱IE）軟件進(jìn)行處理，攝區(qū)一利用湖南省CORS基站數(shù)據(jù)，采用差分GNSS方式對機(jī)載IMU/GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行緊耦合處理，攝區(qū)二分別利用湖南省CORS基站數(shù)據(jù)和IGS精密星歷數(shù)據(jù)，采用差分GNSS和精密單點(diǎn)定位[6]2種方式對機(jī)載IMU/GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行緊耦合處理。

3 空中三角測量結(jié)果及分析

空中三角測量使用徠卡公司的XPro軟件，平差時(shí)坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS 2000坐標(biāo)系統(tǒng)，高程采用橢球高（可保證平差計(jì)算的數(shù)學(xué)嚴(yán)密性，后期可進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換）。攝區(qū)一分別按照使用較多控制點(diǎn)、使用少量控制點(diǎn)和無控制點(diǎn)三種不同的方案進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，控制點(diǎn)布設(shè)方案如圖1所示（圖1中三角形為控制點(diǎn)，圓形為檢查點(diǎn)）。

圖1 攝區(qū)一三種控制點(diǎn)布設(shè)方案Fig.1 3 control point layout options of photography area I

第1種方案使用19個(gè)控制點(diǎn)，27個(gè)檢查點(diǎn)；第2種方案使用5個(gè)控制點(diǎn)，41個(gè)檢查點(diǎn)；第3種方案無控制點(diǎn)，46個(gè)全為檢查點(diǎn)。三種方案平差后控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的中誤差及最大值如表2所示。

表2 攝區(qū)一3種方案空三平差結(jié)果Table 2 Adjustment result of the photography area I m

從表中數(shù)據(jù)可以看出，3種方案的空三平差結(jié)果檢查點(diǎn)的平面和高程中誤差都在0.2 m左右，均小于空三規(guī)范[7]對1∶2 000比例尺丘陵地檢查點(diǎn)中誤差的要求（平面誤差為0.70 m、高程誤差為0.35 m）。因此，使用ADS100航攝影像進(jìn)行空中三角測量，若采用差分GNSS方式處理機(jī)載IMU/GNSS數(shù)據(jù)，可以做到無控制點(diǎn)平差，其結(jié)果精度與使用大量控制點(diǎn)時(shí)基本一致，均能滿足規(guī)范要求，且空中三角測量結(jié)果的精度不隨地面控制點(diǎn)數(shù)量增加而提高。

攝區(qū)二對機(jī)載IMU/GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行了差分GNSS和精密單點(diǎn)定位2種不同方式的處理，處理后均采用無控制點(diǎn)的空中三角測量方案，平差后38個(gè)檢查點(diǎn)的中誤差及最大值如表3所示。

表3 攝區(qū)二無控制點(diǎn)空三平差結(jié)果Table 3 Adjustment result without control points of photography area II m

從表中數(shù)據(jù)可以看出，2種方式的空三平差結(jié)果相差較大，采用差分GNSS方式處理機(jī)載IMU/GNSS數(shù)據(jù)時(shí)，檢查點(diǎn)的中誤差能夠滿足空三規(guī)范對1∶2 000比例尺山地檢查點(diǎn)中誤差的要求（平面誤差為1.0 m、高程誤差為0.8 m），采用精密單點(diǎn)定位方式處理機(jī)載IMU/GNSS數(shù)據(jù)時(shí)，雖然檢查點(diǎn)的中誤差也滿足了規(guī)范要求，但進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，其結(jié)果存在一定系統(tǒng)誤差，如圖2所示。

圖2 精密單點(diǎn)定位無控制點(diǎn)空三平差后檢查點(diǎn)平面和高程殘差分布示意圖Fig.2 Distribution of horizontal and vertical residuals for checkpoints after adjustment without control point by accurate single-point positioning method

從圖2可見，空三結(jié)果的平面和高程都存在一定系統(tǒng)誤差，其原因是在采用精密單點(diǎn)定位方式處理機(jī)載IMU/GNSS數(shù)據(jù)時(shí)，IE軟件只進(jìn)行了框架轉(zhuǎn)換，而未進(jìn)行歷元轉(zhuǎn)換。CGCS 2000坐標(biāo)系統(tǒng)采用的框架是ITRF97，歷元為2000.0，而IGS精密星歷的歷元為航攝當(dāng)天（2014年11月），距離參考?xì)v元已有14年之久。從中國在全球參考框架下的速度場[8]可以看出，該系統(tǒng)誤差的方向和大小與大陸板塊運(yùn)動(dòng)的方向和大小吻合（如圖3）。

圖3 中國大陸在全球參考框架下的速度場Fig.3 Velocity field of Chinese mainland under global reference frame

在采用精密單點(diǎn)定位方式處理機(jī)載IMU/GNSS數(shù)據(jù)時(shí)，本文對攝區(qū)二加入1個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行空中三角測量，平差后37個(gè)檢查點(diǎn)的中誤差及最大值如表4所示。

加入1個(gè)控制點(diǎn)后，各檢查點(diǎn)的殘差分布如圖4所示。

從表4和圖4可以看出，在加入1個(gè)控制點(diǎn)后，空三平差結(jié)果已經(jīng)消除了系統(tǒng)誤差，其精度也滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。

圖4 精密單點(diǎn)定位加入1個(gè)控制點(diǎn)空三平差后檢查點(diǎn)平面和高程殘差分布示意圖Fig.4 Distribution of the horizontal and vertical residuals for checkpoints after adjustment with 1 control point by accurate singlepoint positioning method

表4 攝區(qū)二1個(gè)控制點(diǎn)空三平差結(jié)果Table 4 Adjustment result with 1 control point of photography area II m

4 結(jié)語

利用ADS100航攝影像，采用差分GNSS方式處理機(jī)載IMU/GNSS數(shù)據(jù)時(shí)，在無地面控制點(diǎn)的情況下達(dá)到了很高的空中三角測量精度，與使用大量控制點(diǎn)時(shí)精度相當(dāng)；在采用精密單點(diǎn)定位方式處理機(jī)載IMU/GNSS數(shù)據(jù)時(shí)，空中三角測量結(jié)果存在一定的系統(tǒng)誤差，但通過加入1個(gè)控制點(diǎn)即可消除該誤差，上述2種方式的空中三角測量結(jié)果精度均能滿足國家規(guī)范要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用ADS100航攝影像進(jìn)行無控制點(diǎn)或者少量控制點(diǎn)的空中三角測量是可行的，其結(jié)果精度可靠，滿足國家規(guī)范要求，可以應(yīng)用于生產(chǎn)作業(yè)。