基于航空測(cè)量試驗(yàn)的數(shù)據(jù)獲取與處理方法探討

吳寄托

摘 要：該文以POS輔助航空攝影測(cè)量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理為研究對(duì)象，首先分析了POS的工作原理，進(jìn)而探討了以廣東某地區(qū)航攝測(cè)量為背景的POS輔助航攝測(cè)量試驗(yàn)，論文詳細(xì)探討了整個(gè)試驗(yàn)的流程和方法，給出了試驗(yàn)結(jié)論，相信對(duì)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(cè)量 輔助 試驗(yàn) RC-30

中圖分類號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）04（b）-0011-02

機(jī)載POS系統(tǒng)集GPS技術(shù)與慣性導(dǎo)航技術(shù)于一體，使準(zhǔn)確地獲取航攝相機(jī)曝光時(shí)刻的外方位元素（GPS測(cè)量得到位置參數(shù)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)得到姿態(tài)參數(shù)）成為可能，從而實(shí)現(xiàn)了無（或少量）地面控制點(diǎn)，甚至無需空中三角測(cè)量加密工序，即可直接定向測(cè)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(jìn)而引起航空攝影理論與技術(shù)的重大飛躍。隨著計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力都會(huì)有質(zhì)的提高，將會(huì)在航空攝影測(cè)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(dòng)POS系統(tǒng)的發(fā)展。

1 POS工作原理

IMU慣性測(cè)量單元最大優(yōu)點(diǎn)是不依賴于任何外界信息，能夠進(jìn)行完全自主的導(dǎo)航。慣性測(cè)量單元能夠連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的工作，可以提供多種導(dǎo)航信息如位置、速度、航程、航向，還可以提供水平及方位基準(zhǔn)，精度較高。但是，慣性測(cè)量單元的精度主要取決于慣性器件（陀螺儀和加速度計(jì)）的精度，并且其定位誤差隨時(shí)間積累，精度逐漸降低，這對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間工作的情況是極為不利的。而且其初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間長(zhǎng)，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(duì)慣性測(cè)量單元進(jìn)行綜合校正，對(duì)慣性器件的漂移進(jìn)行補(bǔ)償。

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有定位精度高的特點(diǎn)，而且能夠進(jìn)行全球、全天候、全天時(shí)、多維連續(xù)定位，其精度不隨時(shí)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(yùn)動(dòng)載體上的GPS接收機(jī)不易捕獲和穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星信號(hào)，動(dòng)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(hào)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(cè)量單元各有所長(zhǎng)，具有可互補(bǔ)的特點(diǎn)，兩者的組合不僅具有兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)各自的主要優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)，組合系統(tǒng)的總體性能要遠(yuǎn)優(yōu)于任一獨(dú)立系統(tǒng)。組合導(dǎo)航把無線電導(dǎo)航長(zhǎng)期精度高與慣性測(cè)量短期精度高和不受干擾的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，因而GPS與IMU的組合被認(rèn)為是目前導(dǎo)航領(lǐng)域最理想的組合方式。

2 試驗(yàn)概況

POSAV510輔助RC30相機(jī)在2006年廣東地區(qū)進(jìn)行了兩次試驗(yàn)飛行。根據(jù)試驗(yàn)的目的和技術(shù)要求，結(jié)合實(shí)際工作的需要選定試驗(yàn)測(cè)區(qū)。測(cè)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(duì)設(shè)備精度的評(píng)估。選擇了1：10000和1：40000兩個(gè)攝影比例尺。如表1所示。

3 試驗(yàn)區(qū)控制點(diǎn)的布設(shè)

為了對(duì)POS的精度作出客觀的評(píng)估，在廣東某試驗(yàn)區(qū)內(nèi)根據(jù)《GB/T13977-921：5000、1：10000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》、《GB/T13990-92 1：5000、1：10000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?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(jì)書進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)控制點(diǎn)布設(shè)。

3.1 A區(qū)控制點(diǎn)布設(shè)方案

根據(jù)《POS/TRACKER系統(tǒng)試驗(yàn)區(qū)航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)書》要求，A區(qū)范圍覆蓋6幅（3x2）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(diǎn)及構(gòu)架航線的布點(diǎn)要求，A區(qū)控制點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。

3.2 B區(qū)控制點(diǎn)布設(shè)方案

根據(jù)《POS/TRACKER系統(tǒng)試驗(yàn)區(qū)航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)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(diǎn)要求，同時(shí)結(jié)合檢校場(chǎng)控制點(diǎn)布設(shè)要求。B區(qū)控制點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。

為了提高量測(cè)精度，在像片上更準(zhǔn)確地判別出控制點(diǎn)的位置，該次試驗(yàn)在B區(qū)采用了先布控后飛行的方法。根據(jù)控制點(diǎn)周圍的環(huán)境情況，對(duì)B區(qū)100km2內(nèi)的42個(gè)控制點(diǎn)分別用埋石、砸木樁及鐵釘?shù)姆椒▽⒖刂泣c(diǎn)標(biāo)記到位，其中大標(biāo)石6個(gè)（預(yù)計(jì)作為檢校場(chǎng)控制點(diǎn)永久保留）、小標(biāo)石11個(gè)、木樁19個(gè)、鐵釘6個(gè)。為了使控制點(diǎn)在像片上容易判別，飛行前對(duì)測(cè)區(qū)100km2內(nèi)的42個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)志布設(shè)。根據(jù)控制點(diǎn)的情況，采用lm×lm的標(biāo)志布和刷漆等辦法，在飛機(jī)起飛前將標(biāo)布設(shè)到位。

4 基準(zhǔn)站布設(shè)

為保證POS輔助航空攝影飛行，需要在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)基準(zhǔn)站。考慮到基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)備份和檢核，根據(jù)測(cè)區(qū)大小和試驗(yàn)為中、小比例尺航攝的特點(diǎn)，按照GB/T18314與GJB2228-1994規(guī)定的GPS基準(zhǔn)站選址原則，結(jié)合已知大地測(cè)量控制成果，并經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘，在攝區(qū)內(nèi)布設(shè)1個(gè)地面GPS基準(zhǔn)站。同時(shí)為了驗(yàn)證基準(zhǔn)站距離對(duì)測(cè)量精度的影響，在寶雞（距測(cè)區(qū)約200公里）和鄭州（距測(cè)區(qū)約500公里）地區(qū)分別布設(shè)長(zhǎng)基線和超長(zhǎng)基線GPS基準(zhǔn)站。

5 航攝飛行

根據(jù)《POS/TRACKER系統(tǒng)試驗(yàn)區(qū)航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)書》和《POS/TRACKER系統(tǒng)試驗(yàn)區(qū)航空攝影實(shí)施計(jì)劃》，共飛行5架次，完成了試驗(yàn)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(jī)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(chǎng)像控測(cè)量數(shù)據(jù)以及檢校場(chǎng)空三加密數(shù)據(jù)后，結(jié)合POS原始數(shù)據(jù)及基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，利用PosPac軟件中的PosGPs、PosPro及CalQc模塊對(duì)偏心角進(jìn)行解算，獲得了305mm鏡頭進(jìn)行1：10000飛行時(shí)的偏心角。同時(shí)解算出152mm鏡頭進(jìn)行1：40000飛行時(shí)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(jìn)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(biāo)相一致的工程，進(jìn)行了直接定向法和POS輔助空三法兩種方法的試驗(yàn)。

直接定向法。在LPS中建立工程，輸入試驗(yàn)區(qū)影像，生成縮小片。在自動(dòng)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(yàn)區(qū)的立體即可完全恢復(fù)，最終進(jìn)行精度檢測(cè)。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(cè)出的精度給出一個(gè)外方位元素合適的標(biāo)準(zhǔn)方差。進(jìn)入Orima軟件，通過APM選點(diǎn)，判讀合適的控制點(diǎn)，進(jìn)行平差解算，最后將結(jié)果寫出。退回到LPS中，進(jìn)行精度檢測(cè)。試驗(yàn)進(jìn)行了僅有連接點(diǎn)無控制的平差、加入1個(gè)控制點(diǎn)的平差、加入4個(gè)控制點(diǎn)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(duì)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。

（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?yàn)槲覈?guó)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(gè)控制點(diǎn)平差后，高程精度馬上符合精度要求。

9 結(jié)語(yǔ)

通過該次課題試驗(yàn)精度分析，POS輔助RC3相機(jī)航攝，在成小于1：10000地形圖時(shí)，可采用直接定向的方法。在成1：10000或更大比例尺地形圖時(shí)，應(yīng)采用POS輔助空中三角測(cè)量的方法。

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