POS輔助空中三角測量的技術(shù)現(xiàn)狀概述

白洪偉，吳滿意

（1.宿州學(xué)院 安徽省煤礦勘探工程技術(shù)研究中心，安徽 宿州 234000；2.國家測繪地理信息局第一地形測量隊，陜西 西安 710054）

作為攝影測量學(xué)分支之一的航空攝影測量，擔(dān)負著為國民經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)提供基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)及信息資料的重要任務(wù)，是實現(xiàn)數(shù)字地球的重要部門.空中三角測量作為航空攝影測量內(nèi)業(yè)成圖的第一步，是整個航測過程的核心與精髓，重要性不言而喻，所以歷來是人們研究的重點.空中三角測量亦稱解析空三加密，傳統(tǒng)的手段是量測像片獲取像點坐標，并以野外測量的若干分布于特定位置上的地面控制點為基準進行最小二乘平差，確定地面目標的空間位置，這種方式嚴重依賴地面控制點.而野外控制點的測量歷來是一項工作量大、作業(yè)成本高的工序，尤其是在無法涉足的無人區(qū)或在諸如沙漠、戈壁、大草原、密林區(qū)等無法找到合適控制點的地區(qū).因此最大限度的減少外業(yè)點數(shù)量，甚至實現(xiàn)無控作業(yè)一直是攝影測量工作者不斷追求的目標.

從20世紀50年代初，人們就著手研究利用各種輔助數(shù)據(jù)進行空三加密.80年代后期全球定位系統(tǒng)(GPS)被應(yīng)用于輔助空中三角測量，通過GPS獲得投影光束的三個線元素，實現(xiàn)了部分元素的直接獲取.近20年以來出現(xiàn)的POS系統(tǒng)利用所記錄的航攝儀位置和姿態(tài)參數(shù)，經(jīng)過后處理計算出每張航片精確的外方位元素，并加入少量的外業(yè)控制成果進行空三加密[1-2].這項技術(shù)使傳統(tǒng)攝影測量擺脫了對地面控制點的依賴，從而引起攝影測量理論和技術(shù)的重大飛躍.

1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位技術(shù)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)是由慣性測量元件(IMU)及導(dǎo)航電腦所組成，這是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，其基本原理是根據(jù)牛頓力學(xué)定律，利用陀螺、加速度計等慣性元件確定載體的位置及姿態(tài).

目前的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)都是在被導(dǎo)航的載體中安裝一個穩(wěn)定的平臺模擬當(dāng)?shù)厮矫妫|北天坐標系，該坐標系三個軸分別指向正東e、正北n及天頂方向u，并在這三個軸向上都安裝上一個加速度計，直接觀測量為載體在這三個方向上的加速度，將這三個加速度分別進行積分就可得到載體在某一時刻沿著三個方向上的速度分量，再對速度積分可得到載體用經(jīng)、緯度和高程表示的在地球上的位置，就是目前慣性導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛采用的定位技術(shù)方法[3-4].

1.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)測量技術(shù)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)普遍使用陀螺作為其姿態(tài)測量的核心部件.目前業(yè)內(nèi)常用的陀螺主要有以下三類：

(1)DTG(Dry Tuned Gyros動力調(diào)諧陀螺).漂移穩(wěn)定性為0.01-0.05度/時，具有小噪聲，小尺寸的優(yōu)點，但耐沖擊性較弱.

(2)RLG(Ring Laser Gyros環(huán)型激光陀螺).漂移穩(wěn)定性為0.001度/時，精度是這三類陀螺中最高的，但體積卻是限制其廣泛應(yīng)用的重要因素.

(3)FOG(Fiber Optic Gyros光纖陀螺).漂移穩(wěn)定性0.01-10度/時，精度是三者中最低的，優(yōu)點是噪聲小，尺寸較小，且耐沖擊能力較強.

POS輔助空中三角測量中要求陀螺尺寸小、漂移小、體積小并且能夠抵抗由于一些特殊原因下的沖擊.因此綜合考慮，目前這一方面應(yīng)用最為廣泛的是FOG.

2 GPS與INS組合技術(shù)

2.1 GPS與INS組合的需求分析

一方面，GPS和INS性能的互補性和客觀應(yīng)用的需要，促使二者走向了一起.GPS具有恒定高精度的優(yōu)點，但動態(tài)性較差，且易受到外界因素的干擾.INS精度和動態(tài)性都較高，且是自主導(dǎo)航系統(tǒng)，受外界條件的干擾小，但誤差會隨時間積累.二者在性能上有著得天獨厚的互補關(guān)系，在實際應(yīng)用中，也確實有這方面的需求；另一方面，計算機技術(shù)的進步也為二者組合的發(fā)展創(chuàng)造了一個很好的技術(shù)條件，現(xiàn)代控制理論的成就，特別是最優(yōu)估計理論的數(shù)據(jù)處理方法，為二者組合提供了理論基礎(chǔ)，加之近些年GPS和INS在精度不斷提高的同時成本也在不斷降低.綜上所述，無論是從主觀需求還是客觀條件，二者的組合的現(xiàn)狀勢在必行.其組合技術(shù)流程如圖1所示：

圖1 POS組合系統(tǒng)的原理圖

2.2 GPS與INS組合的特點

(1)精度高.高精度GPS信息作為外部測量值輸入，在載體運動過程中不斷修正INS，以彌補其誤差隨時間積累的缺陷，而INS的高頻定位解算結(jié)果則解決了GPS在動態(tài)環(huán)境中由于信號失鎖和周跳導(dǎo)致的精度下降問題.因而組合系統(tǒng)的精度要比單獨的GPS或INS的都高.

(2)抗干擾能力強.GPS易受到外界因素的影響而導(dǎo)致精度降低，而INS抗干擾能力較強且是自主導(dǎo)航，因此當(dāng)GPS信號受到干擾時，INS的導(dǎo)航解可作為輔助信息，對GPS信號再捕獲起輔助作用，從而提高接收機的跟蹤能力.而GPS信息可輔助INS在運動中不斷進行初始對準.

(3)解決了GPS動態(tài)應(yīng)用采樣頻率低的問題.GPS數(shù)據(jù)采樣率低的缺點使其在某些時候不能達到諸如航空攝影之類的動態(tài)應(yīng)用要求，而INS頻率卻很高，此時高頻INS數(shù)據(jù)可以在GPS定位結(jié)果之間高精度內(nèi)插事件發(fā)生的位置，如航攝儀曝光瞬間的位置，從而保證了組合系統(tǒng)對整個測區(qū)各個攝影位置的高精度定位.

(4)對INS的要求降低.長期以來，INS高昂的價格是限制其廣泛應(yīng)用的主要因素.而組合系統(tǒng)主要利用INS的速度信號解決GPS的動態(tài)跟蹤問題，而高精度定位則由GPS來實現(xiàn)，因而即使采用較廉價，性能較低的INS，在絕大多數(shù)時候也能達到要求.

3 POS輔助空中三角測量的技術(shù)

目前POS輔助空中三角測量廣泛采用的技術(shù)方法是將獲取的每張像片的外方位元素作為帶權(quán)觀測值參與攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差，以獲得更高精度的像片外方位元素成果，國際上稱之為集成傳感器定向，簡稱ISO(Integrated Sensor Orientation)，ISO的產(chǎn)生和攝影測量、非攝影測量觀測值的聯(lián)合平差的發(fā)展密不可分.聯(lián)合平差以攝影測量觀測值為主，綜合利用非攝影測量信息，采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和算法，整體測量點位并對其質(zhì)量進行評價.它使像片控制點的測定精度不斷提高，從而帶動了輔助設(shè)備迅速發(fā)展和使用，以及各學(xué)科、專業(yè)間的相互滲透[5-7].

3.1 POS輔助空中三角測量的技術(shù)原理

傳統(tǒng)的空中三角測量是量測像片連接點并觀測足夠數(shù)量的控制點，進行自檢校區(qū)域網(wǎng)平差.其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是經(jīng)過變換后的共線方程.

POS輔助空中三角測量就是將POS獲得的數(shù)據(jù)代入到空三運算中，利用像片量測的連接點和觀測的地面控制點作為輔助數(shù)據(jù)，以獲得更高精度的結(jié)果.

3.2 現(xiàn)行POS輔助空中三角測量系統(tǒng)的改造狀況

POS輔助空中三角測量的第一步是要采用載波相位動態(tài)GPS定位技術(shù)測定攝站坐標以及采用慣性導(dǎo)航技術(shù)測定航攝儀的姿態(tài)角.為此，必須對現(xiàn)行航空攝影系統(tǒng)進行改造.圖2所示為捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的改造示意圖，即在飛機頂部安裝動態(tài)航空GPS天線，在航攝儀上固聯(lián)INS.系統(tǒng)中的GPS、INS和航攝儀通過計算機控制協(xié)同工作，可在曝光的瞬間獲取航攝儀的空間位置和姿態(tài)角.

圖2 航空攝影系統(tǒng)改造示意圖

3.3 POS輔助空中三角測量的技術(shù)方法

(1)觀測值系統(tǒng)誤差模型

目前空中三角測量廣泛采用的是光束法.對于POS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差，像點坐標、GPS測定的攝站坐標和INS測定的航攝儀姿態(tài)角這三數(shù)據(jù)被作為原始觀測值.由于底片變形、鏡頭畸變等因素的影響，像點坐標觀測值存在著系統(tǒng)誤差，一般采用帶3個附加參數(shù)的Bauer模型對其進行補償.

(2)區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程

在POS輔助空中三角測量的聯(lián)合平差過程中，將像點坐標、GPS攝站坐標和INS姿態(tài)角作為觀測值，將物點地面坐標、影像外方位元素和各種系統(tǒng)誤差改正參數(shù)作為待定參數(shù).由于航攝儀內(nèi)方位元素在出廠時已經(jīng)過檢定，因此在未知數(shù)近似值鄰域范圍內(nèi)對POS系統(tǒng)各個觀測方程按照泰勒級數(shù)展開到一次項即可得以矩陣形式表示的誤差方程.

當(dāng)用POS系統(tǒng)測定了區(qū)域網(wǎng)內(nèi)的m張影像的6個定向參數(shù)并量測n個像點后，則可列出6m+2n個方程，這6m+2n個方程即構(gòu)成了POS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的基礎(chǔ)誤差方程.若依照像點坐標、POS提供的攝站坐標及姿態(tài)角的測量精度，分別給予這三者觀測值不同的權(quán)重，則可用最小二乘法求解物點的地面三維坐標和像片外方位元素的數(shù)值.

3.4 現(xiàn)行POS輔助空中三角測量的技術(shù)缺陷

盡管目前的POS輔助空中三角測量技術(shù)正逐步完善，但這種作業(yè)方式在某些方面依然存在缺陷，直接影響到空三加密的成果.這些缺陷主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)機載GPS定位精度不高.GPS定位精度主要受到兩個方面因素的影響，一是GPS信號接收因素，如信號失鎖、大氣折射、多路徑效應(yīng)等，二是GPS處理技術(shù)，如采用偽距差分和采用載波相位差分所能夠達到的精度是不同的.

(2)INS姿態(tài)測量精度不高.在POS輔助空中三角測量中，姿態(tài)是通過INS測量的.一方面源于系統(tǒng)的本身存在的各種漂移，加速度計也存在動態(tài)誤差，另一方面，INS的核心部件——陀螺制造工藝復(fù)雜，目前基本處于壟斷態(tài)勢，各國對其出口陀螺的精度也進行了限制，兩方面因素共同影響了姿態(tài)測量的精度.

(3)GPS和INS仍然無法完善集成.由于目前的航空攝影測量系統(tǒng)是由航攝儀和機載POS通過固聯(lián)進行集成，并非一個整體，因此不可避免的存在聯(lián)接誤差.此外航攝時相機會有不同角度的傾斜或旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致攝影前測定的偏心分量與攝影時刻不一致.

(4)就目前的技術(shù)狀況而言，GPS、INS與航攝儀三者很難同步，即不可能做到GPS和INS同時記錄在攝影瞬間的數(shù)據(jù).

(5)航攝儀內(nèi)方位元素的變化.航攝儀的內(nèi)方位元素在出廠時已經(jīng)過試驗室的檢定，一般視為已知值.但在試驗室檢定時無法充分顧及動態(tài)航攝條件對于內(nèi)方位元素的影響，再加上時間和環(huán)境等因素，導(dǎo)致飛行時航攝儀的內(nèi)方位元素存在著固定誤差.而在空中三角測量解算過程中，由于內(nèi)方位元素是作為已知值參與計算的，所以它對解算結(jié)果將會有直接影響.

3.5 POS輔助空中三角測量的發(fā)展趨勢

最初的航空攝影測量并無空中三角測量這一步驟，所有的標準點位點全部靠野外業(yè)實測.加密的出現(xiàn)減少了外業(yè)控制點的數(shù)量，提高了工作效率.在經(jīng)歷了模擬、解析階段后，空中三角測量今非昔比，已發(fā)展到了GPS和POS輔助空三，將航空攝影測量推到了一個新的高度.現(xiàn)如今人們依然在不斷探索減少地面控制點的方法，追求更高自動化程度的目標.目前POS輔助空中三角測量已日漸成為主流，然而這也只是一個過渡階段，這種方法發(fā)展的最終階段又會回到無空三，實現(xiàn)POS數(shù)據(jù)的直接定向(DG：Direct Georeferencing)[8-9].

POS系統(tǒng)可以獲取載體的位置和姿態(tài)信息，解算外方位元素參與區(qū)域網(wǎng)平差用于輔助空中三角測量.然而，當(dāng)解算獲得的外方位元素的精度足夠高時，就可以直接應(yīng)用外方位元素的前方交會法進行地面點定向，從而取消外業(yè)控制點和空三加密兩個常規(guī)過程，實現(xiàn)由航空攝影直接到內(nèi)業(yè)成圖.由此可見，ISO與DG最大的區(qū)別是是否進行區(qū)域網(wǎng)平差.

在DG中必須精確修正GPS天線相位中心、INS中心、航攝儀投影中心三者之間的偏心分量以及INS坐標系各軸與航攝儀坐標系各軸之間的偏心角.偏心分量可以采用精密儀器在飛行前進行實測.偏心角和線元素偏移量則需要在地面檢校場上空進行實際航攝，然后用常規(guī)空三的結(jié)果反求姿態(tài)的系統(tǒng)偏差.所以檢校場的精度結(jié)果對DG是至關(guān)重要的.

DG是攝影測量工作者孜孜追求的目標，目前隨著GPS和INS精度的不斷提高，使其逐漸成為可能.雖然DG的精度不如空中三角測量，但已經(jīng)可以用于正射影像圖及小比例尺地形圖項目中，這樣將大大節(jié)省時間和費用，尤其是在環(huán)境惡劣地區(qū)，其優(yōu)勢是常規(guī)空三所無法比擬的.然而DG在應(yīng)用于立體測圖時，不可避免的出現(xiàn)個別模型中視差較大現(xiàn)象.因此利用DG進行大比例尺立體測圖目前還不可靠，這也是未來需要深入研究的問題.

4 結(jié)論

POS輔助空中三角測量是近幾年來才發(fā)展起來的新興技術(shù)，涉及范圍很廣.除了航空攝影的范疇外，還涉及GPS測量、慣性導(dǎo)航等軟硬件設(shè)備的理論和方法.可以預(yù)見，隨著POS技術(shù)在國內(nèi)的日益發(fā)展和廣泛應(yīng)用，必將為傳統(tǒng)的攝影測量帶來一場革命，這是也航空攝影測量技術(shù)未來的發(fā)展趨勢.

然而目前POS系統(tǒng)對于空中三角測量只起到了輔助作用，未能充分發(fā)揮出其作為當(dāng)今世界上最先進的航空攝影測量手段的巨大潛能，且存在一定的缺陷.但不可否認的是，它必將成為未來航空攝影測量的主流手段.隨著科技的發(fā)展及基礎(chǔ)條件的提高，進一步改進設(shè)備的制造工藝和改善設(shè)備的精度，最終取消外業(yè)像控及空中三角測量過程，全面實現(xiàn)DG，達到從航攝直接成圖，是每個攝影測量工作者的共同目標.

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