GPS/IMU輔助超高分辨率航空影像加密精度分析

史桂波，胡海駒，朱紫陽

（1.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500）

GPS/IMU輔助超高分辨率航空影像加密精度分析

史桂波1，胡海駒1，朱紫陽1

（1.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500）

利用GPS/IMU輔助對超高分辨率航空影像進行加密，通過9種不同的加密方案，探討了不同方案下的加密精度。結(jié)果表明，地面控制點、GPS/IMU觀測值對輔助航空攝影加密均能起到一定的作用，對如何進行數(shù)據(jù)處理提出了相應的建議。

GPS/IMU；地面控制點；加密精度

隨著航空攝影裝備的不斷更新，出現(xiàn)了一系列數(shù)字航攝儀，如框幅式的DMC系列、推掃式的ADS系列及國產(chǎn)的SWDC系列等。針對數(shù)字航攝儀成圖精度分析已有大量的研究成果[1]。航攝儀在更新的同時，輔助裝備也在更新，GPS/IMU輔助航空攝影是目前最常用也是效率最高的設備，已有大量的研究成果[2-4]，并形成了相關的國家標準[5]，且廣泛應用于生產(chǎn)。在精度要求不是特別高的情況下，利用GPS/IMU得到的外方位元素能直接進行影像定位；而對于超高精度要求，直接定位成果能否滿足精度要求，值得懷疑。為此，空中三角測量（簡稱“加密”）還是必不可少的[6]。為探討超高分辨率航空影像的加密精度，筆者結(jié)合東莞市2011年航攝的影像，利用GPS/IMU輔助進行加密，通過不同的加密方案，探討了其加密精度。

1 數(shù)據(jù)源概況

東莞市位于珠江三角洲珠江口東岸，東經(jīng)113°31'～114°15'，北緯22°39'～23°09'。全市陸地面積2 465 km2，海域面積150 km2。地貌以丘陵臺地、沖積平原為主， 丘陵臺地占44．5%；沖積平原占43．3%；山地占6．2%。東南部多山，海拔多在200～600 m， 坡度30°左右，最高峰——銀瓶嘴山主峰高898．2 m；中南部為丘陵臺地區(qū)；東北部陸地和河谷平原分布其中，海拔在30～80 m之間，坡度小，地勢起伏和緩；西北部是三角洲平原，是地勢低平、水網(wǎng)縱橫的圍田區(qū)；西南部是瀕臨珠江口的江河沖積平原，地勢平坦而低陷。

2011-05-10采用運-12飛機，GPS/IMU輔助DMCII-140數(shù)碼航攝儀進行了超高分辨率航空攝影，根據(jù)測區(qū)地形劃分3個航攝分區(qū)，如圖1所示。各航攝分區(qū)主要技術參數(shù)區(qū)選取了航攝分區(qū)Ⅰ中的一塊區(qū)域，該區(qū)域位于虎門鎮(zhèn)與長安鎮(zhèn)交界處（表1）。實驗區(qū)地形類別為平地，建筑物縱橫交錯，選點目標眾多，為進行比較，共選擇了4條航線、每條航線16條基線，按照區(qū)域網(wǎng)布點方式每隔4條基線布設一個平高控制點（P點），共25個地面控制點，另外在其中均勻布設了12個平高檢查點（J點）。

圖1 航攝分區(qū)示意圖

表1 各航攝分區(qū)主要技術參數(shù)

對所獲取的GPS數(shù)據(jù)采用精密單點定位技術進行解算，獲取曝光時刻的外方位線元素，利用GPS/IMU系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)后處理軟件GPS/IMUPac進行IMU 觀測值的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理，得到曝光時刻航攝儀的空間位置和姿態(tài)。利用DGCORS基準站W(wǎng)GS84坐標系與1980西安坐標系之間的轉(zhuǎn)換關系，將航攝儀的空間位置和姿態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換到1980西安坐標系，再利用東莞市高精度的似大地水準面模型將航攝儀空間位置參數(shù)的大地高換算成水準高，得到航攝儀初始的空間位置?？紤]測區(qū)范圍比較小，坐標系之間差異對姿態(tài)角的影響成系統(tǒng)性，在后續(xù)的檢校中大部分系統(tǒng)差能消除，故未按照文獻[7]進行姿態(tài)角轉(zhuǎn)換。同時，根據(jù)附帶GPS/ IMU航空攝影規(guī)范要求[5]，針對不同次安裝航攝儀分別布設了4個檢校場，實驗區(qū)的檢校場位于實驗區(qū)域外，是對檢校結(jié)果的一種驗證，每個檢校場分別選擇了相鄰不同飛行方向的兩條航線，每條航線選擇6條基線，每隔3條基線布設了一個平高控制點，共9個控制點，另外在中間布設了2個檢查點，檢校內(nèi)符合精度線元素優(yōu)于0．5 m、角元素優(yōu)于0．02°，經(jīng)檢校場檢校改正系統(tǒng)誤差后獲得影像最終外方位元素初始值。

2 實驗方案

為對加密精度進行分析，采用Lacai的LPS軟件進行了像點、控制點、檢查點量測，并進行平差計算，剔除像點粗差，然后利用控制點與GPS/IMU數(shù)據(jù)進行聯(lián)合平差計算，采用Herlmert方差–分量估計式[8]得到像點、控制點、GPS/IMU數(shù)據(jù)觀測值單位權(quán)中誤差，在此基礎上，采用表2所示的幾種方案進行加密。

表2 不同加密方案

3 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述不同的方案進行區(qū)域網(wǎng)加密，并利用檢查點的加密坐標與野外實測坐標進行比較，得到區(qū)域網(wǎng)加密精度，結(jié)果如表3所示。

表3 不同加密方案精度統(tǒng)計

由表3的數(shù)據(jù)可知，除方案Ⅶ（無地面控制的GPS輔助加密）外，其余加密方案均能滿足1∶500平地加密精度平面位置中誤差±0．175 m、高程中誤差±0．15 m的限差精度要求[9]，可用于1∶500比例尺的4D產(chǎn)品生產(chǎn)，這與文獻[6]的結(jié)論符合。分析表3的結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

1）采用方案Ⅰ～Ⅴ、Ⅶ～Ⅸ均能得到滿足1∶ 500比例尺的4D產(chǎn)品生產(chǎn)的加密成果，其中方案Ⅲ、Ⅷ高程精度略低，中誤差接近限差（0．15 m）要求[10]，并且均有1個點超過2倍限差要求，粗差比例分別為3．6%與3．0%，超過1倍限差的也分別為7、8個點，比例分別為25．0%與24．2%，雖能滿足精度要求，但是接近精度要求極限值，為非理想的方案，對于高程精度要求比較高的成圖不推薦使用。

2）表3的結(jié)果表明，采用高精度GPS/IMU設備及建立檢校場檢校，獲得的影像外方位元素精度相當高，幾乎接近真值。為比較起見，將方案Ⅱ獲取的影像外方位元素作為真值，對比初始GPS/IMU值與真值之間的較差，結(jié)果如表4所示。

表4 GPS/IMU初始精度

3）方案Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅰ為利用GPS/IMU數(shù)據(jù)輔助，適當添加控制點進行加密，結(jié)果表明，隨著控制點的逐步增加，精度變化很小。由此可知，當初始GPS/ IMU精度較高時，增加控制點對精度提高相當有限，因而在實際生產(chǎn)中，為消除可能存在的未能完全檢校的系統(tǒng)誤差，采用方案Ⅴ即可。

4）由方案Ⅱ、Ⅴ、Ⅸ的結(jié)果可知，區(qū)域布點、GPS加兩排控制點、GPS/IMU加四角控制點加密精度基本相當，均為理想的作業(yè)方案，所需外業(yè)逐步減少，特別是大區(qū)域網(wǎng)加密，GPS/IMU的效率優(yōu)勢相當明顯。加密精度前者略高于后兩者，但也不是很明顯，因此從經(jīng)濟和效率考慮應優(yōu)先選擇帶GPS/IMU或GPS輔助的航空攝影。

4 結(jié) 語

GPS/IMU輔助超高分辨率航空攝影與以往的輔助航空攝影一樣能滿足1∶500比例尺的4D產(chǎn)品精度要求。在進行航空攝影測繪時，盡可能帶GPS/IMU或者GPS輔助，這樣能大量減少地面控制點數(shù)量；在進行生產(chǎn)時，檢校場的建立是必需的，高精度的檢校結(jié)果能大量減少后續(xù)控制點，提高成圖精度。

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[10] GB/T 7930-2008． 1∶500 、1∶1 000、1∶2 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范[S]．

P231.5

B

1672-4623（2015）05-0082-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.05.027

史桂波，工程師，主要從事測繪質(zhì)量管理工作。

2015-03-03。