輕小型航空遙感系統(tǒng)空對地檢校試驗分析

韓曉冬，楊 娜，3，劉力榮，關(guān)艷玲

（1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266510；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100039；3.北京四維遠見信息技術(shù)有限公司，北京 100039）

一、引 言

機載POS直接地理定位技術(shù)的核心是通過建立檢校場，檢校IMU與航攝儀軸系之間安裝的系統(tǒng)誤差，進而通過嚴密檢校模型，將POS獲取的定向、定位參數(shù)轉(zhuǎn)換成攝影測量需要的外方位元素。一旦直接地理定位精度滿足要求，就會大大減少航空攝影測量的成本和工作量。檢校場的布設(shè)對于后續(xù)工作有很大的影響，因此必須結(jié)合項目實際需求，設(shè)計符合要求的檢校場。檢校場的布設(shè)包括:檢校場的選址、地面基準站的布設(shè)和觀測、檢校場控制點的布設(shè)和量測、精度驗證區(qū)檢查點的布設(shè)和量測。相應(yīng)要考慮基站點、控制點、檢查點布設(shè)數(shù)量及控制點和檢查點布設(shè)標志，并根據(jù)最終成圖比例尺要求提出航攝飛行方案，包括構(gòu)架航線數(shù)目、航高、攝影比例尺等。本文從以上幾個方面提出滿足項目需要的空對地檢校場布設(shè)方案，并用最終空三解算的精度驗證布設(shè)方案的合理性。通過比較國內(nèi)外POS直接地理定位采集驗證區(qū)檢查點精度，評價國產(chǎn)POS直接地理定位精度。

二、檢校場布設(shè)概況及飛行方案

1.檢校場的要求及選址

檢校場空域要求最好是1000 m以下的開放性空域。檢校場地內(nèi)地面植被不是很密集，不要有大面積的水域或成片的水域，可以包括平地、丘陵、部分山區(qū)；場地外附近應(yīng)有一定的水域（最小為100 m×5 m）方便起降飛機，場地離機場距離較近且交通方便，以便于運輸設(shè)備和場地內(nèi)作業(yè)。

為了最大限度地保護地標，場地最好遠離居民區(qū)；檢校場空域地面范圍為10 km×3 km。

按照以上要求，檢校場選擇河南平頂山，范圍為南北向距離3 km，東西向距離5 km，區(qū)內(nèi)以平地為主，最低高程75 m，最大高程170 m。精度驗證區(qū)南北距離1.5 km，東西距離2 km。具體范圍如圖1所示。

圖1 檢校場及精度驗證區(qū)分布示意圖

2.航線設(shè)計

根據(jù)試驗，使用中國測繪科學(xué)院研制的國產(chǎn)SWDC攝影儀的參數(shù)、成圖比例尺及檢校場范圍進行設(shè)計。

SWDC 4個獨立參數(shù)分別為:焦距f=50.2 mm、CCD 尺寸δ=6.8 μ、M=14.5 K、N=10 K。因此航攝儀獲取影像大小為10000像素×14500像素的窄像對。根據(jù)不同成圖比例尺要求，1∶500檢校場設(shè)計5條東西向航線，每條航線21張像片。1∶1000設(shè)計3條航線，每條航向相應(yīng)12張影像。航向重疊度為65%，旁向重疊度為60%。檢校場設(shè)計依據(jù)參數(shù)見表1。

表1 航線設(shè)計依據(jù)

3.控制點、檢查點和基站布設(shè)以及施測方案

集成系統(tǒng)的檢校需要以檢校場空三結(jié)果作為真值，并結(jié)合POS獲取數(shù)據(jù)，確定POS與航攝儀之間的檢校參數(shù)，因此空三的精度很重要。試驗中采取GPS輔助空三的結(jié)果作為檢校模型的真值。研究表明:無構(gòu)架航線時，采用IMU/GPS輔助空三加密，一般平面控制點應(yīng)多于6個，高程控制點應(yīng)多于13個［1］。結(jié)合試驗實現(xiàn)高精度大比例尺測圖的要求，布設(shè)24個平高點。

檢查點布設(shè)以均勻分布精度驗證區(qū)，并保證每張影像不少于30點為標準?？紤]實際項目需要，以及檢查點的長久重復(fù)可用性、檢校的精度等因素，在精度驗證區(qū)布設(shè)不少于100個檢查點。

基站布設(shè)的合理性主要從兩方面討論:①基站與測區(qū)的合理距離；②當(dāng)多個基站都獲得了符合精度的GPS成果時，應(yīng)選擇其中一個還是多個基站的聯(lián)合組網(wǎng)平差結(jié)果作為最終DGPS結(jié)果。

試驗表明:機載GPS接收機的差分定位精度與基站距離正相關(guān)，即基站離飛機距離越遠，差分GPS得到的位置精度就越低。當(dāng)基站距離飛機60 km以內(nèi)時，DGPS精度在厘米級（即優(yōu)于0.1 m）；當(dāng)基站距離飛機在400 km以內(nèi)時，DGPS精度優(yōu)于0.5 m；當(dāng)基站距離飛機600 km以內(nèi)時，DGPS精度優(yōu)于10 m。而采用單基站或多基站組網(wǎng)平差精度相當(dāng)。

因此，試驗中將基站布設(shè)在檢校區(qū)內(nèi)，且與測區(qū)距離不大于60 km。測區(qū)布設(shè)兩個GPS基站，并采用距離測區(qū)最近的基站進行差分計算，另一基站數(shù)據(jù)用于復(fù)核。

控制點、加密點以及基站布設(shè)如圖2所示?？刂泣c測量采用Trimble 5700接收機，測量時間不低于1 h，天線高測量方式為斜高，采樣頻率15 s，加密點采用8 min快速GPS靜態(tài)解算。

GPS采集數(shù)據(jù)用TGO與Grafnet兩種軟件同時處理，相差毫米級。TGO得到WGS-84系下大地坐標（B，L，H），經(jīng)過高斯投影得到平面坐標（x，y，H）。

圖2 控制點、加密點及基站分布圖

4.地標設(shè)計

光學(xué)地標一般選擇7～10個像元的圓形黑白相間（內(nèi)黑外白）的標志，筆者以8個GSD為準選擇。故地面標志點的物理尺寸為:1∶500測圖為0.06×8=0.48 m，1∶1000測圖為0.1×8=0.8 m。

綜上所述，可以將地標設(shè)計為外面是1 m×1 m的正方形，里面直徑為0.8 m的黑色圓形，其余為白色木板。地標以黑白相間的圖案為主，示意圖如圖3所示。

圖3 地標圖

5.檢校飛行方案

在檢校場獲取數(shù)據(jù)時，飛行高度盡可能與航攝分區(qū)的飛行高度一致。實際生產(chǎn)作業(yè)中，在保持檢校場的飛行高度與航攝分區(qū)作業(yè)高度一致的情況下，還存在多種檢校場的飛行方案，如在常規(guī)航線作業(yè)前飛行檢校場、常規(guī)航線之后飛行檢校場、常規(guī)航線作業(yè)前后各飛行一條檢校場航線等。試驗表明，聯(lián)合檢校的方法與單一的前檢校或后檢校方法進行精度比較，精度相近。

結(jié)合實際試驗測區(qū)范圍，采用前檢校方法。從嚴密檢校的原則出發(fā)，采用DG方法時每架次進行檢校場飛行。

三、系統(tǒng)檢校精度

在計算集成系統(tǒng)檢校參數(shù)時，需要外方位元素真值。通過對比分析，GPS輔助空三與純空三計算精度相當(dāng)，前者精度稍高，因此選擇GPS輔助空三結(jié)果作為真值。在同一空三方式下，選擇不同檢查點個數(shù)進行空三結(jié)果比較，檢查點數(shù)目對空三精度影響較小。以下結(jié)果為同樣的空三方式，即均為GPS輔助空三，將控制點全部用于定向點，兩次試驗均按照1∶500成圖要求設(shè)計的航線進行飛行試驗。

POS AV610后處理標準差:位置0.05～0.3 m，速度0.005 m/s，水平姿態(tài)橫滾俯仰角0.002 5°，航向角0.005°，漂移小于0.01（°）/h。國產(chǎn)激光陀螺POS（TX-R20）技術(shù)指標（標準差）:位置0.05 m，速度 0.01 m/s，方位 0.005°，姿態(tài) 0.002 5°，IMU 重量6.7 kg。圖4為空三輸出航線及其定向點、檢查點分布狀況圖。

圖4 控制航線及定向點、檢查點分布圖

GPS輔助空三解算精度見表2。

表2 兩次試驗空三解算定向點精度 m

從以上兩次試驗空三解算的結(jié)果可以看出，檢校場控制點的布設(shè)是符合要求的。平面和高程精度均在2～5 cm。檢校場布設(shè)的合理性以及檢校模型的嚴密與否，還需要檢校參數(shù)解算的精度和最終直接地理定位的精度予以驗證。

在空三解算精度滿足要求的前提下，進行相應(yīng)集成系統(tǒng)檢校參數(shù)的計算。集成檢校參數(shù)實際是IMU中心與相機中心之間的安裝系統(tǒng)誤差，包括3個線元素和3個角元素。對兩次試驗進行檢校參數(shù)解算并評定其精度，見表3。

表3 檢校參數(shù)解算結(jié)果及精度

檢校參數(shù)均值是指各曝光點時刻解算的檢校參數(shù)的平均值。標準差通過每個曝光點時刻的檢校參數(shù)與均值比較解算得到。以Δφ為例，其標準差計算公式為

從以上結(jié)果可以看出，兩次POS試驗獲取的POS數(shù)據(jù)與相應(yīng)空三獲取的外方位元素真值進行嚴密計算，得到的集成系統(tǒng)之間的系統(tǒng)檢校參數(shù)的精度相當(dāng)且較高。偏心距在2～7 cm，偏心角檢校精度在千分之二到千分之五之間。

四、直接地理定位精度

此次試驗中，按照1∶500比例尺設(shè)計飛行，檢校場布設(shè)5條航線，每條航線獲取26張影像。為保證試驗的嚴密性，先將第4、5兩條航線，每條航線26張影像作為兩個精度驗證分區(qū)，并將前3條航線作為檢校場獲取檢校參數(shù)。驗證分區(qū)獲取的POS數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)檢校參數(shù)改正，轉(zhuǎn)換為航空攝影需要的影像外方位元素。在JX4-G上直接安置定向，建立立體模型，并采集外業(yè)檢查點。將內(nèi)業(yè)采集檢查點與野外GPS觀測解算得到的檢查點坐標值進行比較，剔除粗差點，評定采集檢查點精度，即直接地理定位的精度，野外原始檢查點精度可達厘米級。評定精度的計算公式如下

式中，n為采集檢查點數(shù)量；MS為平面標準差；MZ為高程標準差。

對國內(nèi)外兩種POS獲取的數(shù)據(jù)分別進行檢校模型轉(zhuǎn)換，并分別在JX4-G上立體測圖，根據(jù)精度計算公式進行精度評定。

POS AV610DG結(jié)果:所測驗證分區(qū)24個檢查點與外業(yè)實測的平面中誤差為0.13 m，高程中誤差為0.22 m，平面最大差值為0.3 m，高程最大差值為0.4 m。

國產(chǎn)北航研制POS DG結(jié)果:所測驗證分區(qū)24個檢查點與外業(yè)實測的平面中誤差為0.15 m，高程中誤差為0.23 m，平面最大差值為0.4 m，高程最大差值為0.5 m。

兩種POS直接地理定向精度見表4。

表4 國內(nèi)外兩種POS直接地理定向精度比較 m

從以上采集檢查點精度看出，兩種POS直接地理定向精度相當(dāng)，均符合1∶500成圖規(guī)范平面0.175 m，高程0.28 m（丘陵）的精度要求。

五、結(jié)束語

本文在已有檢校場布設(shè)方案、飛行以及基站、控制點、檢查點布設(shè)的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合實際項目要求，重點給出該項目檢校場布設(shè)方案，并結(jié)合不同試驗的空三解算精度評定檢校場布設(shè)合理性。根據(jù)檢校獲取參數(shù)的精度，評定檢校模型的嚴密性。最終，通過JX4-G攝影測量工作站構(gòu)建立體模型，采集檢查點分別對兩次國內(nèi)外不同POS試驗，在相同檢校條件下，進行直接地理定位的精度評定。從檢校參數(shù)以及采集檢查點的精度比較結(jié)果可知，國產(chǎn)POS完全可以達到國外成熟POS直接地理定位精度，并且完全可以滿足大比例尺成圖的精度要求。

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