DMC230檢校場布設(shè)方案及檢校精度分析

宗偉麗 甘 俊

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

GPS差分定位技術(shù)、IMU慣性導(dǎo)航技術(shù)以及高性能數(shù)碼航攝相機技術(shù)的發(fā)展，使得基于DGPS/IMU輔助航空攝影在實現(xiàn)無外控(或少外控)測圖方面表現(xiàn)出日益明顯的優(yōu)勢。在航攝相機實際作業(yè)過程中，相機參考坐標系與IMU慣性平臺參考坐標系的坐標軸之間會存在微小的角度偏差，即偏心角(Misalignment Angle);同時受制于地球曲率、相機焦距的變化以及GPS定位精度等影響，曝光點時刻相機中心的位置亦存在偏移誤差，即線元素偏移值，這些誤差因子使得經(jīng)過DGPS/IMU解算獲取的初始外方位元素存在較大誤差，對后續(xù)的無控(或少控)測圖應(yīng)用影響較大。因此，通過相機(視軸)檢校求取偏心角和線元素偏移值在基于DGPS/IMU輔助航空攝影測圖中顯得尤為重要。

1 航攝相機檢校的基本原理

航攝相機檢校是為了求出IMU與航攝儀之間的偏心角以及線元素分量偏移值，即在一個有足夠數(shù)量且精度較高控制點的試驗區(qū)進行檢校飛行，采用空三加密方法計算出每張像片的外方位元素，含投影中心的位置和姿態(tài)角(φ，ω，κ)。然后通過與 DGPS/IMU解算獲得的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)(φ，θ，ψ)進行差值平差計算，求得偏心角及線元素分量偏移值。

利用檢校處理獲取的偏心角和偏移值，對整個攝區(qū)范圍加入角度系統(tǒng)差改正和線元素分量偏移值改正后，即可得到系統(tǒng)誤差改正后的外方位元素成果，從而實現(xiàn)在整個攝區(qū)的無(或少)地面控制航空攝影測量。相機檢校的基本流程如圖1所示。

圖1 相機檢?；玖鞒?/p>

2 檢校場布設(shè)方案

2.1 檢校場選擇

檢校場應(yīng)選擇在高大建筑物較少、地面控制點選刺方便、同時易于連接點自動匹配的區(qū)域，檢校場布設(shè)時應(yīng)盡量布設(shè)在測區(qū)內(nèi)或者在測區(qū)附近能夠?qū)嵤┮巴庀窨販y量的區(qū)域。

2.2 檢校場航線布設(shè)

檢校場檢校的目的是為了檢校IMU與航攝儀之間的偏心角(側(cè)滾角 ROLL、俯仰角 PITCH、航偏角HEADING)以及線元素分量偏移值(即3個角元素和3個線元素)。因此，檢校場的航飛策略應(yīng)最大程度體現(xiàn)偏心角和偏移值對定向精度的影響。采用平行同向飛行時，其不同航線飛行時側(cè)滾角和航偏角的偏移方向是一致的，同時短時間內(nèi)受風向影響的方向也是一致的，不利于側(cè)滾角和航偏角的檢校。而在只布設(shè)平行航線的情況下，每條航線的俯仰角方向都是一致的，不利用俯仰角的檢校。因此，采取平行對飛與十字交叉飛行相結(jié)合是理想的相機檢校航飛方式。

在實際作業(yè)中，數(shù)碼航攝相機的檢校場布設(shè)采用對飛和十字交叉飛行相結(jié)合的方式，航向重疊和旁向重疊一般不小于常規(guī)航飛作業(yè)要求，即旁向不小于30%，航向不小于65%;可按照布設(shè)4條平行對飛航線和2條垂直交叉航線的方式來進行航飛設(shè)計，同時要求每條航線一般不少于10幅影像。如圖2所示。

2.3 檢校場外控點布設(shè)

檢校場內(nèi)平高點應(yīng)選在目標影像清晰，能準確判斷點位(平面和高程)，GPS測量施測方便，并在長期飛行中均能在像片上準確識別的地方。如果在檢校場區(qū)域內(nèi)控制點點位附近選取平高點無法滿足上述要求時，必須在地面人工布設(shè)控制點。同時，應(yīng)采取必要的措施，確保作業(yè)期間所有地標點的保存完整無損，且在航攝像片上成像清晰完整。每個固定檢校場的周邊須布設(shè)不少于6個平高控制點，點位與像片邊緣不小于1.5 cm。如圖3所示。

圖2 檢校場航線布設(shè)示意

圖3 檢校場外控點布設(shè)示意

在進行檢校場控制點測量的同時，需在檢校場范圍內(nèi)明顯地物處布設(shè)至少2個檢查點，用于檢校場空三結(jié)果的檢核。

2.4 檢校場基站選擇

基站盡量布設(shè)在檢校場區(qū)域范圍內(nèi)，距離不宜超過5 km。檢校場基站應(yīng)與首級控制網(wǎng)進行聯(lián)測。

3 試驗精度分析

3.1 試驗簡介

以東北某鐵路航測項目為例，簡要分析相機檢校的精度以及對DGPS/IMU輔助空三的影響。項目航飛使用DMCⅡ230數(shù)字航攝儀，檢校場航線采用了5 cm的地面分辨率。

3.2 檢校過程

利用POSPac軟件進行原始POS數(shù)據(jù)解算，解算后輸出初始EO文件。

在數(shù)字攝影測量工作站LPS中，導(dǎo)入初始EO文件，進行DGPS/IMU輔助空三加密，加入外控點后，對原來的POS數(shù)據(jù)進行改正，輸出一套改正后的EO數(shù)據(jù)。通過對原始EO數(shù)據(jù)和空三解算的EO數(shù)據(jù)進行平差解算，得到相機檢校結(jié)果(如表1所示)。

表1 檢校場檢校結(jié)果

3.3 DGPS/IMU輔助空三精度分析

在項目航飛測區(qū)內(nèi)選定某一塊區(qū)域作為實驗區(qū)域，分別利用檢校前的EO數(shù)據(jù)和檢校后的EO數(shù)據(jù)進行直接定向，將外業(yè)測量的檢查點在測區(qū)中量測，得到檢查點的殘差(如表2、表3所示)。

表2 檢校前檢查點精度統(tǒng)計(中誤差) m

表3 檢校后檢查點精度統(tǒng)計(中誤差) m

從表1中可以看到，3個角元素和3個線元素的檢校中誤差小于0.5 arcmin和0.5 m，完全符合檢校精度要求。從表2和表3可以看出，在DGPS/IMU無控空三中檢校后的EO數(shù)據(jù)相比于檢校前的EO數(shù)據(jù)精度有了普遍性的提高。為了更直觀的分析檢校前后平面和高程的精度，將檢校前后平面和高程的精度進行對比(如圖4所示)。

圖4 檢校前后誤差對比

從圖4中看出，無論是檢查點的平面精度還是高程精度都有了明顯提高，說明相機檢校在DGPS/IMU輔助航測中起著重要的作用。

4 結(jié)束語

檢校場的檢校精度直接決定著初始EO的精度，因此，檢校場位置的選擇、航線的布設(shè)、外控點的布設(shè)以及地面基站的布設(shè)都直接影響著相機檢校的結(jié)果。盡管在DGPS/IMU輔助空三加密時加入外業(yè)控制點可以提高空三加密的精度乃至地形圖的精度，但在無控空三和直接定向法測圖時，檢校場的檢校精度至關(guān)重要。在控制點輔助空三的情形下，良好的檢校精度可以起到減少控制點數(shù)量的效果。

［1］張祖勛，張劍清．數(shù)字攝影測量［M］．武漢:武漢測繪科技大學(xué)出版社，1997

［2］王長進．機載激光雷達鐵路勘察技術(shù)［M］．北京:中國鐵道出版社，2010

［3］段福洲，宮輝力，朱琳．變基線航空攝影航線設(shè)計與飛行控制［J］．自然災(zāi)害學(xué)報，2008，17(6)