POS工作原理及輔助攝影測量流程研究

朱正榮

摘 要：本文基于筆者多年從事航空攝影測量的相關(guān)工作經(jīng)驗，以POS輔助航空攝影測量為研究對象，論文首先分析了POS的工作原理，進而探討了以關(guān)中某地區(qū)航攝測量為背景的POS輔助航攝測量試驗，論文詳細探討了整個試驗的流程和方法，給出了試驗結(jié)論，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：POS 航空攝影測量 輔助 試驗 RC-30

中圖分類號：P23 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（c）-0060-02

航空攝影測量技術(shù)是在飛機上利用航攝相機對地面連續(xù)攝取像片，結(jié)合地面控制點測量、處理和立體測繪等步驟，繪制出地形圖的作業(yè)，是我國獲取基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的主要手段之一。目前，我國重大自然災(zāi)害監(jiān)測與預警、資源利用與環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域都需要大量的高分辨率、高精度的地理信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展緊緊相關(guān)。

傳統(tǒng)航空攝影測量一般需要使用野外控制點并通過空中三角測量加密求解外方位元素，而野外控制點的布設(shè)工作繁瑣，在荒漠、高山等困難地區(qū)野外控制點更是難以布設(shè)，因此，盡量減少乃至擺脫對野外控制點的依賴而直接對像片定向一直是攝影測量的重要研究方向之一。為此，人們一直試圖在航空攝影飛行過程中直接記錄或確定航攝相機的位置和方向，并利用這些定向數(shù)據(jù)實現(xiàn)航攝像片的絕對定向。

20世紀90年代，GPS（Global Position System，全球定位系統(tǒng)）輔助空中三角測量的方法得到了廣泛應(yīng)用，利用GPS獲得的定位信息用來輔助空中三角測量，展現(xiàn)了導航技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用前景。GPS技術(shù)雖然解決了像片的定位問題，但是無法獲取像片的姿態(tài)參數(shù)，不能徹底擺脫地面控制。隨著航空攝影測量技術(shù)和慣性導航技術(shù)的發(fā)展，一種新的方法開始應(yīng)用于航空攝影測量—— 定位定向系統(tǒng)（Position and Orientation System，簡稱POS系統(tǒng)）輔助航空攝影。機載POS系統(tǒng)集GPS技術(shù)與慣性導航技術(shù)于一體，使準確地獲取航攝相機曝光時刻的外方位元素（GPS測量得到位置參數(shù)，慣性導航系統(tǒng)得到姿態(tài)參數(shù)）成為可能，從而實現(xiàn)了無（或少量）地面控制點，甚至無需空中三角測量加密工序，即可直接定向測圖，從而大大縮短航空攝影作業(yè)周期、提高生產(chǎn)效率、降低成本。因此，POS系統(tǒng)的出現(xiàn)，將從根本上改變傳統(tǒng)航空攝影的方法，進而引起航空攝影理論與技術(shù)的重大飛躍。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展及其慣性、GPS器件精度水平的提高，POS無論定位定向精度還是實時數(shù)據(jù)處理能力都會有質(zhì)的提高，將會在航空攝影測繪方面發(fā)揮越來越重要的作用。POS系統(tǒng)高精度定位定向技術(shù)是POS系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，它的研究可以極大的推動POS系統(tǒng)的發(fā)展。

1 POS工作原理

IMU慣性測量單元最大優(yōu)點是不依賴于任何外界信息，能夠進行完全自主的導航。慣性測量單元能夠連續(xù)長時間的工作，可以提供多種導航信息如位置、速度、航程、航向，還可以提供水平及方位基準，精度較高。但是，慣性測量單元的精度主要取決于慣性器件（陀螺儀和加速度計）的精度，并且其定位誤差隨時間積累，精度逐漸降低，這對于需要長時間工作的情況是極為不利的。而且其初始對準時間長，所以想到利用其它定位手段作為參考信息源，定期或不定期地對慣性測量單元進行綜合校正，對慣性器件的漂移進行補償。

GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有定位精度高的特點，而且能夠進行全球、全天候、全天時、多維連續(xù)定位，其精度不隨時間變化。然而，GPS是非自主式的系統(tǒng)，不能提供諸如載體姿態(tài)等參數(shù)，運動載體上的GPS接收機不易捕獲和穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星信號，動態(tài)環(huán)境造成中信噪比下降。這些原因都容易產(chǎn)生周跳。而且由于GPS信號在傳播途中的干擾，使得系統(tǒng)定位精度有所下降，定位結(jié)果較為離散。

如上所述，GPS和IMU慣性測量單元各有所長，具有可互補的特點，兩者的組合不僅具有兩個獨立系統(tǒng)各自的主要優(yōu)點，而且隨著組合水平的提高，它們之間信息傳遞、融合、使用的加強，組合系統(tǒng)的總體性能要遠優(yōu)于任一獨立系統(tǒng)。

組合導航把無線電導航長期精度高與慣性測量短期精度高和不受干擾的優(yōu)點結(jié)合起來，因而GPS與IMU的組合被認為是目前導航領(lǐng)域最理想的組合方式，其基本原理如圖1所示。POS都是采用這樣的組合系統(tǒng)，其優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）GPS/IMU組合提高了系統(tǒng)的精度。

高精度GPS信息作為外部測量信息輸入系統(tǒng)，在運動過程中頻繁修正IMU測量值，以控制減弱其隨時間積累的誤差；而短時間內(nèi)IMU定位結(jié)果可以很好的解決GPS動態(tài)環(huán)境中由于信號失鎖和周跳導致的精度跳躍下降問題。因而，GPS/IMU組合測量誤差實際上比單獨的GPS或IMU的誤差都小。

（2）GPS/IMU組合加強系統(tǒng)的抗干擾能力。

由于IMU可以獨立進行導航，因而當GPS信號受到干擾時，IMU不僅能提供導航信息，而且其導航解可作為輔助信息，對GPS碼和載波的再捕獲起輔助作用，大大縮短了GPS恢復工作的時間，提高了GPS接收機的跟蹤能力。而GPS信息對IMU的輔助可使IMU在運動中不斷進行初始對準。

（3）GPS/IMU組合解決了GPS動態(tài)應(yīng)用采樣頻率低的問題。

由于GPS的數(shù)據(jù)采樣率低，不能達到某些動態(tài)應(yīng)用中的要求，這時高頻IMU數(shù)據(jù)可以在GPS定位結(jié)果之間高精度內(nèi)插所求事件發(fā)生的位置，如航空相機曝光瞬間的位置，從而保證了組合系統(tǒng)對整個航線的各個攝影位置的高精度定位。當然GPS本身的采樣頻率也隨著設(shè)備的發(fā)展不斷提高。

（4）GPS/IMU組合將降低對慣導系統(tǒng)的要求。

長期以來，IMU的高價格一直是限制其廣泛應(yīng)用的主要原因。而組合系統(tǒng)提供另一種解決方案，利用IMU的速度信號解決動態(tài)跟蹤問題，而高精度定位則由GPS來實現(xiàn)，因此可以采用較低性能的IMU，從而降低了組合系統(tǒng)的成本。

2 試驗概況

POSAV510輔助RC30相機在2006年關(guān)中地區(qū)進行了兩次試驗飛行。根據(jù)試驗的目的和技術(shù)要求，結(jié)合實際工作的需要選定試驗測區(qū)。測區(qū)內(nèi)分布有水系河流、城鎮(zhèn)市區(qū)、山區(qū)和主要交通道路等典型地形地貌，較有利于對設(shè)備精度的評估。選擇了1∶10000和1∶40000兩個攝影比例尺。如表1所示。

3 試驗區(qū)控制點的布設(shè)

為了對POS的精度做出客觀的評估，在關(guān)中某試驗區(qū)內(nèi)根據(jù)《GB/T13977-921∶5000、1∶10000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》《GB/T13990-92 1∶5000、1∶10000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》《P0S/TRACKER系統(tǒng)應(yīng)用航空攝影試飛方案》技術(shù)設(shè)計書進行試驗區(qū)控制點布設(shè)。

3.1 A區(qū)控制點布設(shè)方案

根據(jù)《POS/TRACKER系統(tǒng)試驗區(qū)航空攝影技術(shù)設(shè)計書》要求，A區(qū)范圍覆蓋6幅（3×2）1∶50000地形圖。依據(jù)關(guān)于1∶50000比例尺成圖丘陵地和山地的區(qū)域網(wǎng)布點及構(gòu)架航線的布點要求，A區(qū)控制點布設(shè)如圖1所示。

3.2 B區(qū)控制點布設(shè)方案

根據(jù)《POS/TRACKER系統(tǒng)試驗區(qū)航空攝影技術(shù)設(shè)計書》要求，B區(qū)范圍覆蓋2幅（1×2）1∶10000地形圖。關(guān)于1∶10000比例尺成圖平地的區(qū)域網(wǎng)布點要求，同時結(jié)合檢校場控制點布設(shè)要求。B區(qū)控制點布設(shè)如圖2所示。

為了提高量測精度，在像片上更準確地判別出控制點的位置，本次試驗在B區(qū)采用了先布控后飛行的方法。根據(jù)控制點周圍的環(huán)境情況，對B區(qū)100 km2內(nèi)的42個控制點分別用埋石、砸木樁及鐵釘?shù)姆椒▽⒖刂泣c標記到位，其中大標石6個（預計作為檢校場控制點永久保留）、小標石11個、木樁19個、鐵釘6個。

為了使控制點在像片上容易判別，飛行前對測區(qū)100 km2內(nèi)的42個控制點進行標志布設(shè)。根據(jù)控制點的情況，采用1 m×1 m的標志布和刷漆等辦法，在飛機起飛前將標布設(shè)到位。

4 基準站布設(shè)

為保證POS輔助航空攝影飛行，需要在測區(qū)內(nèi)布設(shè)基準站?？紤]到基準站觀測數(shù)據(jù)備份和檢核，根據(jù)測區(qū)大小和試驗為中、小比例尺航攝的特點，按照GB/T18314與GJB2228-1994規(guī)定的GPS基準站選址原則，結(jié)合已知大地測量控制成果，并經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，在攝區(qū)內(nèi)布設(shè)1個地面GPS基準站。同時為了驗證基準站距離對測量精度的影響，在寶雞（距測區(qū)約200 km）和鄭州（距測區(qū)約500 km）地區(qū)分別布設(shè)長基線和超長基線GPS基準站。

5 航攝飛行

根據(jù)《POS/TRACKER系統(tǒng)試驗區(qū)航空攝影技術(shù)設(shè)計書》和《POS/TRACKER系統(tǒng)試驗區(qū)航空攝影實施計劃》，共飛行5架次，完成了試驗區(qū)1∶10000及1∶40000的航攝工作，獲取了1∶10000、1∶40000有效黑白像片323片，l∶10000彩色有效像片133片隨后再次完成POS輔助RC30相機B區(qū)1∶10000飛行。

6 POS外方位元素解算

（l）偏心角解算。在1∶10000黑白影像掃描完畢，獲得檢校場像控測量數(shù)據(jù)以及檢校場空三加密數(shù)據(jù)后，結(jié)合POS原始數(shù)據(jù)及基準站數(shù)據(jù)，利用PosPac軟件中的PosGPs、PosPro及CalQc模塊對偏心角進行解算，獲得了305 mm鏡頭進行1∶10000飛行時的偏心角。同時解算出152 mm鏡頭進行1∶40000飛行時的偏心角。

（2）像片外方位元素的解算。將獲得的偏心角輸入PosPac軟件的PosPEO模塊進行解算，獲得像片的外方位元素EO。

7 空三處理

由于現(xiàn)有的海拉瓦軟件和適普軟件都不支持POS數(shù)據(jù)的空三處理，因此，數(shù)據(jù)后期的空三解算采用了Leica公司的LPS軟件。在LPS中建立與EO數(shù)據(jù)坐標相一致的工程，進行了直接定向法和POS輔助空三法兩種方法的試驗。

直接定向法。在LPS中建立工程，輸入試驗區(qū)影像，生成縮小片。在自動完成內(nèi)定向后，在Fiducial orientation and Exterior Orientation Parameter Editor直接輸入EO解算出的外方位元素，將其作為確定值，試驗區(qū)的立體即可完全恢復，最終進行精度檢測。

POS輔助空三法。前期與直接定向法一致，不過在輸入外方位元素后，將其設(shè)為初始值，再按直接定向法檢測出的精度給出一個外方位元素合適的標準方差。進入Orima軟件，通過APM選點，判讀合適的控制點，進行平差解算，最后將結(jié)果寫出。退回到LPS中，進行精度檢測。試驗進行了僅有連接點無控制的平差、加入1個控制點的平差、加入4個控制點的平差。

8 POS數(shù)據(jù)直接定向精度分析研究

在內(nèi)定向結(jié)束后，輸入RC30的POS數(shù)據(jù)按照LPS中影像的數(shù)據(jù)順序，依次將其對應(yīng)的EO數(shù)據(jù)拷貝到相應(yīng)的位置，獲得POSEO數(shù)據(jù)直接定向的結(jié)果。從表2中可以看出：

（1）200X年B區(qū)直接定向，精度已經(jīng)可以滿足1∶10000成圖要求。

（2）200X年B區(qū)直接定向，平面精度可以滿足1∶10000成圖要求，但高程精度超限。這是因為我國的外業(yè)大地高均為ITRF97或與其相似的框架下的大地高，而我們所采用的EO數(shù)據(jù)的大地高是初始WGS84的大地高，兩者之間有固定差，在引入一個控制點平差后，高程精度馬上符合精度要求。

9 結(jié)論

通過本次課題試驗精度分析，POS輔助RC3相機航攝，在成小于1∶10000地形圖時，可采用直接定向的方法。在成1∶10000或更大比例尺地形圖時，應(yīng)采用POS輔助空中三角測量的方法。

參考文獻

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