免像控航空攝影測量技術精度分析
——以國產TWX-09B 型組合導航系統為例

王小麗，王春來*，王 斐，劉俊龍

（1.廣州南方測繪科技股份有限公司，廣州 510663；2.東方通用航空攝影有限公司，太原 030031）

近年來，隨著技術的發展及IMU-GPS 組合導航系統的位置和姿態精度不斷提高的同時，其生產成本也大幅度下降，使IMU-GPS 組合導航技術的普及應用成為可能。基于IMU-GPS 組合導航的免像控航空攝影測量技術成為國內應用和研究的熱點[1-4]。但是對比近幾年國內研究文獻[5-10]，發現其采用的方法均為國外和國內的GPS 動態后處理（PPK）技術，針對國內IMU-GPS組合導航系統的應用研究較少。

川氣東送二線天然氣管道工程項目，采用了國產IMU-GPS 組合導航的免像控航空攝影測量技術，完成了長度487 km，面積487 km2航空攝影和激光雷達數據的獲取，并完成了數字表面模型（DSM）和數字正射影像圖（DOM）成果的制作。文章選取了其中44 km2的數據進行實驗，最終證明，免像控航空攝影測量技術方法不僅快捷高效，而且精度可靠。同時說明，國產TWX-09B 型組合導航系統不僅可靠穩定而且精度高，達到甚至超過了國際領先水平。

1 IMU-GPS 組合導航技術

慣性導航系統（INS）的組成由陀螺儀、加速度計及相關的輔助電路構成，簡稱慣性測量單元（IMU）。IMU高精度慣性測量單元，不依賴于任何外界信息連續長時間自主導航，可以提供多種導航信息如位置、速度、航程、航向、水平基準和方位基準，且精度可靠。

IMU-GPS 組合導航把無線電導航長期精度高與慣性導航短期精度高和不受干擾的優點結合了起來，因此，GPS 與IMU 的組合被認為是導航領域最佳的組合方式。

將IMU-GPS 組合導航系統與激光雷達、航攝儀緊密固連，可準確測定航攝儀和激光雷達的姿態參數，通過對IMU、GPS 數據進行聯合解算，可快速獲取每張航片高精度的外方位元素和激光雷達中心的實時位置及姿態信息。

2 SZT-R1000 移動測量系統

移動測量系統（Mobile Mapping System，MMS），集成了全球定位系統、慣性導航、三維激光掃描儀、影像系統和里程計等傳感器的移動測量系統，是當今測繪界最前沿的技術之一，代表著未來測繪領域的發展主流。SZT-R1000 移動測量系統，是南方測繪控股子公司征圖三維（北京）激光技術有限公司研發，作為一款高性能的移動測量系統，集成了RIEGL VUX-1LR22 激光掃描儀，一臺1 億像素的Phase 相機，并搭載了中國航天33 所的TWX-09B 型IMU-GPS 組合導航系統。

RIEGL VUX-1LR22 是一款輕便小巧的機載激光雷達，可以搭載在多種平臺上，輕松應對各種項目。RIEGL VUX-1LR22 的設計充分考慮了平臺的特點，具體的約束和飛行特性，能以任意方向進行安裝。其低功耗的特點，使得整個設備僅需采用單一電源供電，從而大大減輕了整個系統的重量，滿足了平臺苛刻的載荷要求。測量過程中獲取的數據都保存在VUX-1LR22 內置的1 TB 固態硬盤上。基于RIEGL 獨一無二的回波數字化和在線波形處理技術VUX-1LR22 可實現高精度的激光測量，即使在大氣條件不佳的情況下也可以獲得高質量的測量結果，并且可識別多目標回波。VUX-1LR22 采用超高速旋轉鏡掃描，產生完全線性、單向、平行的掃描線，進而獲得極好的均勻分布的點云數據。RIEFL VUX-LR22 激光掃描儀最大激光發射頻率為1 500 KHZ，最大視場角360°，可接收無窮次回波，測量速率200 線/s，最大測距為1 845 m。

Phase One 是世界領先的中畫幅數碼攝影系統及專為攝影師提供成像解決方案和工業應用的供應商。Phase 相機因其畸變小、像素高、穩定性好等優點，被廣泛應用到航空攝影測量中，其主要技術參數如下。面陣尺寸：53.4 mm×40.4 mm；像元大小：4.6 μm；像素數：8 708×11 608；感光度（ISO）：35～800；曝光時間：最快可達1/4 000s；焦距：40 mm；最快曝光速度：2 s/幅。

中國航天33 所的TWX-09B 型IMU-GPS 組合導航系統，是中國航天集團自主研發的航天級別的組合導航系統，其主要參數指標見表1。

表1 TWX-09B 型IMU-GPS 組合導航系統主要精度表

3 搭載平臺

實驗測區選用美國羅賓遜R44 直升機作為航測平臺。美國羅賓遜直升機公司生產的R44 輕型直升機于1996 年正式投入市場，因其廣泛的通用性，得到了世界各地的認可，其特點為靈活機動，安全系數高。日常巡航速度可達180 km/h，最大航程達640 km，最大爬升率超過4 000 m。經過對測區最大高差的分析評估，試驗區選擇羅賓遜R44 直升機可滿足航攝要求。

4 航飛注意事項

飛行期間機載GPS 接收機最小采樣間隔不應大于1 s。

起降場地應避免附近有高大樹木或建筑物等遮擋，以免造成GPS 衛星信號失鎖。

飛機上升、下降速率不大于10 m/s，以免造成GPS衛星信號失鎖；航線彎曲度一般不大于1%，當航線長度小于5 km 時，航線彎曲度不大于3%。

在一條航線上連續達到或接近最大航偏角的像片數不應大于3 片；在一個測區內出現最大旋偏角的像片數不應大于測區像片總數的4%。

為避免IMU 誤差積累，每次直線飛行時間不宜大于30 min，以25 min 為佳。

航攝飛行過程中應及時觀察系統工作情況，重點觀察POS 系統信號狀況、回波接收狀況、數據質量狀況和實時天氣狀況，根據實際情況及時處理或記錄出現的問題，決定是否當場補攝或重飛。

5 實驗技術流程

本文以SZT-R1000 移動測量系統的IMU-GPS 組合導航技術為基礎，對獲取的同組影像數據，按照不同處理方式進行數據加工，對比實驗結果，驗證了多種方式下的免像控航空攝影測量成果的平面及高程精度。第一組實驗是基于獲取航片的高精度位置信息，進行免像控高密度點云數據和DOM 生產；第二組實驗是基于航片的高精度位置及姿態信息，進行免像控高密度點云數據和DOM 生產。最終分析2 種免像控模式下生成的高密度點云數據和DOM 數據的高程和平面精度。

5.1 數據獲取

測試區域面積44 km2，采用有人直升機R44 搭載SZT-R1000 移動測量系統進行影像和激光雷達數據獲取。數據獲取時SZT-R1000 移動測量系統的參數設置見表2。

表2 SZT-R1000 移動測量系統的參數設置

5.2 數據加工流程

DOM/DSM 生產需要的資料包括原始航片、POS數據。DOM/DSM 生產的總體工藝流程如下。

在Global Mapper 軟件中疊加POS，按照航線進行挑片處理，去除影像過密區域，轉彎掉頭區域影像，盡量保證相片覆蓋大于攝區范圍。

利用影像勻光GeoDodging 軟件對原始影像進行云光勻色處理。

利用Agisoft Metashape 軟件導入勻色后的影像和pos 進行空三處理，生成密集點云，生成DSM 和DOM。

利用Global Mapper 對DOM 進行分幅裁切，對不同加密分區分幅影像進行接邊處理，確保各個加密分區之間DOM 無縫銜接。再對拼接、整飾合格的影像數據開展分幅裁切，按照出圖要求，生成合格產品。DOM數據的具體生產工藝流程如圖1 所示。

圖1 DOM 生產流程圖

5.3 2 種模式生產DOM/DSM 精度分析

按照基于高精度位置信息免像控生產DOM/DSM和基于高精度位置及姿態信息免像控生產DOM/DSM的2 種模式，分別對外業采集的764 張航片進行數據加工，數據加工采用Agisoft Metashape 軟件進行，最終部分處理報告如圖2 所示。

圖2 中影像攝影中心z值誤差用橢圓顏色來表示，x/y誤差用橢圓形狀來表示，從空三報告中的影像位置誤差評估圖可以看出，2 種免像控模式下z值誤差最大值均不大于2.5 cm，x/y的誤差均小于z值的誤差，從而說明國產國產TWX-09B 型組合導航系統的軌跡經過事后差分處理的位置和姿態精度均小于2.5 cm，達到國際領先水平。

表3 中可以看出，基于高精度位置及姿態信息免像控生產DOM 的方法，平面精度均優于基于高精度位置信息免像控生產DOM 的方法，且2 種模式空三后的平面位置精度均優于1 cm。

通過RTK 采集的40 個已知特征點的平面和高程數據，分別和2 種模式下生產的DOM/DSM 進行對比，基于高精度位置及姿態信息免像控生產DOM/DSM 的方法，DOM 統計中誤差為±0.13 m，DSM 統計中誤差為±0.23 m；基于高精度位置信息免像控生產DOM/DSM 的方法，DOM 統計中誤差為±0.17 m，DSM 統計中誤差為±0.56m。2 種模式生產的DSM 效果圖如圖3 所示。

圖3 2 種模式生產DSM 效果圖

6 結論

2 種模式免像控技術生產的DOM 數據，平面精度相差不大，均能滿足國家大比例尺航測規范要求；但基于高精度位置及姿態信息免像控技術生產DSM 數據的高程精度優于基于高精度位置信息免像控技術，且基于高精度位置及姿態信息免像控技術生產DSM 數據更接近于激光雷達實測的高程值，并滿足國家大比例尺航測規范要求。同時說明國產IMU-GPS 組合導航系統的精度可靠、穩定，達到甚至優于國外同類產品的精度水平。

7 結束語

實驗證明基于國產TWX-09B 型IMU-GPS 組合導航系統免像控航空攝影測量技術，平面精度高，能滿足國家大比例尺航測規范要求。對基于高精度位置、姿態信息免像控技術生產DOM/DSM 測量技術的推廣，具有一定的指導意義。將改變長期以來航空攝影測量嚴重依賴地面像控的現狀，免像控技術的推廣將大幅縮短制圖周期、解決森林、高山、沙漠和水域等人跡罕至地區快速獲取大比例尺基礎地理信息的難題，有利于新型基礎測繪和實景三維中國的建設需求，有利于國家經濟的快速發展。