POS系統(tǒng)在空三加密中的應(yīng)用與分析

龍海奎，曾慶友，吳珊

(烏魯木齊市城市勘察測(cè)繪院，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊 830000)

1 前言

隨著數(shù)碼航空攝影技術(shù)在測(cè)繪工作中的推廣，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，特別是精密空間定位系統(tǒng)(Positioning Orientation System，POS)技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，提高了導(dǎo)航定位精度，數(shù)碼航空攝影質(zhì)量也大大提高。POS系統(tǒng)是高精度定位定向系統(tǒng)，集差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)于一體，可以獲取運(yùn)動(dòng)載體的空間位置和三軸姿態(tài)信息，也就是獲取瞬時(shí)攝影像片的空間位置和三軸姿態(tài)信息。系統(tǒng)包括GPS接收機(jī)和IMU(慣性測(cè)量單元)兩個(gè)部分，也稱GPS/IMU集成系統(tǒng)。

本文結(jié)合烏魯木齊高精度數(shù)碼航空攝影項(xiàng)目中采用POS技術(shù)的實(shí)踐，對(duì)東部區(qū)域航攝地面分辨率優(yōu)于20 cm的數(shù)碼航攝資料在航測(cè)內(nèi)業(yè)工作中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

2 POS系統(tǒng)

在開展數(shù)碼航空攝影時(shí)，將POS系統(tǒng)和數(shù)碼航攝儀集成在一起，通過GPS載波相位差分定位獲取數(shù)碼航攝儀的位置參數(shù)及IMU測(cè)定的數(shù)碼航攝儀的姿態(tài)參數(shù)，經(jīng)后續(xù)IMU、DGPS數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理，獲取航空攝影瞬間像片的位置(3個(gè)線元素)和姿態(tài)(3個(gè)角元素)，即像片定向的6個(gè)外方位元素，這樣在航測(cè)內(nèi)業(yè)時(shí)能恢復(fù)攝影時(shí)像片與地面的關(guān)系，從而進(jìn)行像片的解析測(cè)量。這些參數(shù)的直接獲取給數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量帶來了深刻的影響，能夠極大減少乃至無需地面控制直接進(jìn)行航空影像的空間地理定位，為航空影像的進(jìn)一步應(yīng)用提供快速、便捷的技術(shù)手段，部分?jǐn)?shù)字?jǐn)z影測(cè)量的算法，甚至是整個(gè)作業(yè)流程都面臨新的改進(jìn)［1］。

3 技術(shù)分析

3.1 數(shù)碼航空攝影

烏魯木齊市數(shù)碼航空攝影使用UCX數(shù)碼航攝儀，采用焦距100.5 mm，像片像素 7.2 um，幅面6.8 cm×10.4 cm(解壓縮后數(shù)據(jù)量 400 M左右)，開展了3400 km2不同區(qū)域、地面分辨率分別優(yōu)于 20 cm、15 cm、10 cm的航空攝影，地面基準(zhǔn)站采用烏魯木齊連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(URCORS)參考站的數(shù)據(jù)進(jìn)行攝影的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理，保證數(shù)碼航空攝影數(shù)據(jù)成果的準(zhǔn)確、可靠。

3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

通過POS系統(tǒng)聯(lián)合平差計(jì)算的攝影瞬間像主點(diǎn)的坐標(biāo)是由GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)驗(yàn)算而來，其數(shù)據(jù)是采用國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000坐標(biāo)系)的成果。目前無論在航測(cè)外業(yè)還是內(nèi)業(yè)測(cè)圖，所采用的坐標(biāo)系主要是1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，與攝影瞬間像點(diǎn)的坐標(biāo)是不一樣的，為了使用攝影瞬間像片的位置(3個(gè)線元素)和姿態(tài)(3個(gè)角元素)，必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，在統(tǒng)一的坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行航測(cè)內(nèi)業(yè)運(yùn)算和測(cè)圖。

根據(jù)航測(cè)生產(chǎn)的目的，測(cè)繪成果服務(wù)城市規(guī)劃建設(shè)使用，需要將國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000坐標(biāo)系)的攝站像主點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成烏魯木齊市地方坐標(biāo)系下的成果，依據(jù)URCORS系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，將攝站像主點(diǎn)坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到烏魯木齊地方坐標(biāo)系下，坐標(biāo)三維數(shù)學(xué)精度滿足生產(chǎn)需要［4］。

4 航測(cè)作業(yè)

4.1 外業(yè)像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)

航測(cè)成圖采用地面分辨率優(yōu)于20 cm的數(shù)碼航攝資料，為提高工效，減輕外業(yè)作業(yè)強(qiáng)度，外業(yè)控制點(diǎn)布點(diǎn)采用區(qū)域網(wǎng)法，考慮常規(guī)作業(yè)，航線按每隔4條基線布設(shè)一對(duì)平高控制點(diǎn)。測(cè)區(qū)如圖1所示，3條航線。每條航線20個(gè)像對(duì)，共布設(shè)4排6列像控點(diǎn)。根據(jù)數(shù)碼航片的特點(diǎn)，結(jié)合外業(yè)像控點(diǎn)選刺，依據(jù)布點(diǎn)方案，噴繪布設(shè)像控點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)碼像片的放大片(一般選擇A3幅面大小)，提供野外作業(yè)。

圖1 航線及像控點(diǎn)分布圖

外業(yè)像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)采用URCORS技術(shù)，配置GNSS/GPS接收機(jī)、GPRS模塊、SIM卡等設(shè)備，首先獲得URCORS數(shù)據(jù)中心授權(quán)的用戶名、密碼、IP地址、端口設(shè)置等參數(shù)，接入CORS中心，開展網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)，直接得到像控點(diǎn)在烏魯木齊地方坐標(biāo)系下的坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)。

4.2 解析空三加密

(1)技術(shù)分析及作業(yè)流程

空三加密是航測(cè)內(nèi)業(yè)測(cè)圖的第一道工序，是測(cè)圖的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，采用VirtuoZo AAT 3.4和PATB軟件空三加密作業(yè)，流程如圖2所示。應(yīng)用VirtuoZo 3.7全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)采集1∶1000比例尺地形圖數(shù)據(jù)。

空三加密軟件利用影像處理和多影像匹配技術(shù)自動(dòng)完成像對(duì)連接點(diǎn)的點(diǎn)位選擇和自動(dòng)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，但由于攝影區(qū)域的多樣性，造成影像中存在諸如遮擋、紋理缺乏、影像變形等情況，由于是軟件自動(dòng)選取連接點(diǎn)，就會(huì)存在點(diǎn)位不好、不清晰和錯(cuò)點(diǎn)等問題，而在空三加密中像片選點(diǎn)和轉(zhuǎn)點(diǎn)是質(zhì)量控制過程中非常重要的環(huán)節(jié)，要求在連接點(diǎn)編輯環(huán)節(jié)必須一對(duì)一進(jìn)行相對(duì)定向點(diǎn)位的檢查，保證每個(gè)像對(duì)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位有連接點(diǎn)，點(diǎn)位分布均勻，連接點(diǎn)一般不少于30點(diǎn)。

圖2 空三加密作業(yè)流程(常規(guī)和配置POS系統(tǒng))

(2)作業(yè)

根據(jù)VirtuoZo AAT 3.4和PATB軟件進(jìn)行空三加密作業(yè)，首先按常規(guī)方法進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)加密，解算加密點(diǎn)成果。然后依據(jù)POS系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行加帶POS系統(tǒng)的區(qū)域網(wǎng)加密，解算加密點(diǎn)成果?？紤]POS系統(tǒng)參與解算，空三加密時(shí)分兩種情況進(jìn)行作業(yè)，一是選擇10條基線布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)的方案進(jìn)行加密，二是選擇20條基線布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)的方案進(jìn)行加密，分別解算加密成果，最后進(jìn)行精度分析。

(3)精度分析

空三加密成果有3個(gè)，分別是常規(guī)空三加密(不加POS系統(tǒng)，4條基線布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)的區(qū)域法)、加帶POS系統(tǒng)的空三加密(10條基線布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)的區(qū)域法)和加帶POS系統(tǒng)的空三加密(2條基線布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)的區(qū)域法)，在帶POS系統(tǒng)空三加密中，通過多次作業(yè)，反復(fù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)有GPS獲取的外方位線元素比慣性導(dǎo)航IMU獲取的角元素對(duì)空三加密精度的影響值大而且有效。在測(cè)區(qū)均勻的選取了12個(gè)野外檢查點(diǎn)與內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值比較和精度分析，精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

與此同時(shí)，利用3個(gè)空三加密成果，選擇同一區(qū)域進(jìn)行1∶1000比例尺航測(cè)內(nèi)業(yè)數(shù)字化成圖，通過野外散點(diǎn)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)地物和地貌點(diǎn)的數(shù)學(xué)精度，精度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

空三加密精度分析統(tǒng)計(jì)表(單位/m) 表1

航測(cè)圖野外檢測(cè)精度統(tǒng)計(jì)表(單位/m) 表2

從表1、表2可以看出，三種加密成果的野外檢查點(diǎn)的誤差在限差內(nèi)，常規(guī)空三加密成果所成大比例尺地形圖的高程檢測(cè)誤差超過限差值，而帶POS系統(tǒng)空三加密成果所成大比例尺地形圖的平面、高程檢測(cè)誤差均在限差內(nèi)，數(shù)學(xué)精度滿足規(guī)范的技術(shù)指標(biāo)，適合技術(shù)生產(chǎn)。從檢查點(diǎn)和航測(cè)成圖的數(shù)學(xué)精度分析中可以看到帶POS系統(tǒng)后，空三加密數(shù)學(xué)精度有所提高，特別是在高程精度方面效果顯著，滿足大比例尺航測(cè)成圖規(guī)范要求。

5 結(jié)論

通過常規(guī)空三加密和帶POS系統(tǒng)空三加密在大比例尺航測(cè)成圖中的實(shí)踐應(yīng)用，可以看到，帶POS系統(tǒng)后，空三加密精度有所提高，適合城市大比例尺航測(cè)成圖工作需要。而且在使用POS系統(tǒng)后，減少了的野外像控點(diǎn)的布點(diǎn)數(shù)量，布點(diǎn)方案靈活，產(chǎn)品的質(zhì)量準(zhǔn)確、可靠，提高了工作效率和效益。

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