IMU/DGPS輔助航測(cè)技術(shù)在1∶2000航測(cè)成圖中的應(yīng)用及成圖精度分析

梁龍帥 楊國創(chuàng)

（廣東省地質(zhì)測(cè)繪院 廣東 廣州 510800）

IMU/DGPS輔助航測(cè)技術(shù)在1∶2000航測(cè)成圖中的應(yīng)用及成圖精度分析

梁龍帥 楊國創(chuàng)

（廣東省地質(zhì)測(cè)繪院 廣東 廣州 510800）

以廣東省佛山市高明區(qū)測(cè)區(qū)1：2000航測(cè)成圖技術(shù)方案為例，簡(jiǎn)要介紹IMU/DGPS輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用，并對(duì)IMU/DGPS輔助空三加密成果進(jìn)行精度分析。通過外業(yè)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)DLG進(jìn)行數(shù)學(xué)精度評(píng)定，論證采用IMU/DGPS輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)在大比例尺測(cè)圖中的數(shù)學(xué)精度。

IMU/DGPS；航空攝影測(cè)量；空中三角測(cè)量；精度分析；生產(chǎn)作業(yè)率

1 前言

目前，運(yùn)用IMU/DGPS系統(tǒng)和航攝儀集成的方法，通過GPS載波相位差分定位獲取航攝儀的位置參數(shù)和慣性測(cè)量單元IMU測(cè)定航攝儀的姿態(tài)參數(shù)，由IMU/DGPS集成系統(tǒng)可以獲取攝影瞬間航攝儀的位置參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)，也就是攝影像片的外方位元素，將此6種參數(shù)與少量地面控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合平差計(jì)算，即IMU/DGPS輔助空三加密解算，可得到各航片精確的外方位元素。

通過中小比例尺測(cè)圖實(shí)踐可以證明：上述方法可大大減少航空攝影測(cè)量作業(yè)量，甚至完全免除地面像控點(diǎn)，達(dá)到無需空中三角測(cè)量即可測(cè)圖，進(jìn)而減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短作業(yè)周期，提高生產(chǎn)效率。

本文以廣東省佛山市高明區(qū)測(cè)區(qū)1：2000航測(cè)成圖中的技術(shù)方案為例，簡(jiǎn)要介紹IMU/DGPS輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用，以及GPS地面基站的布設(shè)方案、外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)方案及內(nèi)業(yè)加密方案，并對(duì)IMU/DGPS輔助空三加密成果進(jìn)行精度分析，通過外業(yè)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)線劃圖進(jìn)行數(shù)學(xué)精度評(píng)定，論證采用少量像控點(diǎn)的IMU/DGPS輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)在大比例尺測(cè)圖中的數(shù)學(xué)精度。

2 IMU/DGPS輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)施方案

2.1 IMU/DGPS輔助航空攝影

為提高定位精度，在精密定位應(yīng)用中通常采用差分GPS(DGPS)技術(shù):將一臺(tái)(或幾臺(tái))GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上，與機(jī)載接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并對(duì)機(jī)載接收機(jī)的定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。采用UCXP數(shù)碼航攝儀與IMU/DGPS航空攝影技術(shù)恢復(fù)攝影瞬間的位置和姿態(tài)，得到航攝像片及其外方位元素。依據(jù)相關(guān)規(guī)范［4］要求：1:2000成圖地面基準(zhǔn)站間距離不超過30km。佛山市高明區(qū)，東西跨度約 55km，南北長(zhǎng)度約42km。在明城鎮(zhèn)、荷城街道、西岸鎮(zhèn)沿省道S5、S113、S272在縣界附近布設(shè)6個(gè)地面基準(zhǔn)站，均連接四等水準(zhǔn)高程。

本項(xiàng)目航跡線按照東北—西南方向斜向敷設(shè)，航攝像片短邊平行于飛行航線。攝區(qū)絕對(duì)航高為1800米，平均面高程133米，最大旋偏角為28°。航向重疊為60%—75%，旁向重疊為25%—40%，航線間接合良好，重疊符合規(guī)范要求，無絕對(duì)漏洞和相對(duì)漏洞。全區(qū)航攝33條航線（其中9條為補(bǔ)飛航線），共計(jì)2992張自然彩色數(shù)碼像片。UCXP數(shù)碼航攝儀焦距100.5mm，UCXp數(shù)碼影像實(shí)際物理像幅大小為20cm×13cm，大部分影像清晰，反差適中，目視效果良好。

2區(qū)域網(wǎng)設(shè)計(jì)及像片控制測(cè)量像片控制點(diǎn)航向基線數(shù)跨度估算公式：

式中：

ms--連接點(diǎn) （空三加密點(diǎn)）的平面位置中誤差（單位：mm）

mh--連接點(diǎn)（空三加密點(diǎn)）的高程中誤差（單位：m）

mq--視差量測(cè)的單位權(quán)中誤差（單位：mm）

K--像片放大成圖的倍數(shù)

H--相對(duì)航高（單位：m）

b--像片基線長(zhǎng)度（單位：mm）

n--航線方向相鄰平面控制點(diǎn)之間的間隔基線數(shù)

對(duì)于常規(guī)航空攝影，根據(jù)以上公式，可以估算出不同地形類別的平高點(diǎn)、高程點(diǎn)間隔基線數(shù)如下表：

表1 作業(yè)區(qū)域地形類別、相關(guān)間隔基線及精度

采用IMU／DGPS輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)時(shí)，依據(jù)低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量規(guī)范要求，平面控制點(diǎn)采用角點(diǎn)布設(shè)法，區(qū)域網(wǎng)的航線數(shù)和和基線數(shù)可適當(dāng)放寬，可根據(jù)需要加布高程控制點(diǎn)，區(qū)域網(wǎng)中應(yīng)至少布設(shè)一個(gè)平面檢查點(diǎn)。山地區(qū)域網(wǎng)布設(shè)航線跨度不超過7條航線，平高點(diǎn)基線跨度不超過20條基線（放大約0.5倍），高程點(diǎn)基線跨度不超過20條基線（放大約0.5倍），共布設(shè)區(qū)域網(wǎng)17個(gè)，第6網(wǎng)采用9點(diǎn)法布點(diǎn)，其余各網(wǎng)采用5點(diǎn)法布點(diǎn)，布設(shè)平高控制點(diǎn)144個(gè)，山地布設(shè)高程控制點(diǎn)120個(gè)。平地區(qū)域網(wǎng)平高點(diǎn)間隔不超過基線跨度不超過35條基線，高程點(diǎn)間隔不超過1條基線。6網(wǎng)、7網(wǎng)為實(shí)驗(yàn)區(qū)，實(shí)驗(yàn)區(qū)控制點(diǎn)數(shù)27個(gè)。已有1：500地形圖(DWG格式)數(shù)據(jù)覆蓋面積達(dá)368km2，用于補(bǔ)充控制點(diǎn)分布不足地區(qū)的控制點(diǎn)選?。▓D1）。

圖1 作業(yè)區(qū)域已有圖件數(shù)據(jù)分布圖

3 IMU/DGPS輔助空中三 角測(cè)量、外業(yè)調(diào)繪及DOM、DEM、DLG制作

地面控制網(wǎng)的平面坐標(biāo)依據(jù)相關(guān)規(guī)范，通過靜態(tài)GPS方法獲取，GPS觀測(cè)、計(jì)算須滿足相關(guān)規(guī)范要求?；?、角點(diǎn)、檢測(cè)點(diǎn)的高程通過聯(lián)測(cè)已知水準(zhǔn)點(diǎn)獲取，也可采用國家有關(guān)部門公布的高精度似大地水準(zhǔn)面模型計(jì)算獲取。采用高精度的支持載波相位差分GPS定位技術(shù)的高精度動(dòng)態(tài)處理軟件，基于精確的基站坐標(biāo)（WGS84坐標(biāo)），差分解算機(jī)載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，內(nèi)插GPS攝站坐標(biāo)，GPS攝站坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換為佛山市獨(dú)立坐標(biāo)系，攝站高程采用高精度似大地水準(zhǔn)面模型內(nèi)插獲取。利用機(jī)載GPS處理數(shù)據(jù)，將基于IMU/DGPS技術(shù)直接獲取的每張像片的外方位元素，作為帶權(quán)觀測(cè)值參與攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差，獲得更高精度的像片外方位元素成果。經(jīng)過內(nèi)業(yè)加密，在JX4全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)上進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)自動(dòng)空中三角測(cè)量，根據(jù)航線影像自動(dòng)進(jìn)行影像匹配，建立數(shù)字地面模型，內(nèi)業(yè)進(jìn)行地物、地貌立體測(cè)繪，利用JX4成圖軟件進(jìn)行編輯，生成1：2000數(shù)字線劃調(diào)繪底圖。通過采集的特征點(diǎn)、線構(gòu)建TIN三角網(wǎng)，由TIN生成建立DEM，并完成影像的全數(shù)字微分糾正，按照統(tǒng)一的要求，進(jìn)行色差調(diào)整、影像鑲嵌，最后對(duì)DOM進(jìn)行分幅裁切，制作1：2000彩色數(shù)字正射影像圖。疊加DOM、DLG數(shù)據(jù)，形成外業(yè)調(diào)繪巡查底圖進(jìn)行調(diào)繪、補(bǔ)測(cè)，內(nèi)業(yè)修改后、再編輯形成最終的1:2000數(shù)字線劃圖。

4 數(shù)學(xué)精度分析

4.1 空三加密精度統(tǒng)計(jì)

表2 空三加密精度統(tǒng)計(jì)表

以上誤差均在各項(xiàng)檢測(cè)誤差允許值內(nèi)，符合現(xiàn)有規(guī)范及設(shè)計(jì)要求（表2）。

4.2 1：2000數(shù)字線劃圖(DLG)數(shù)學(xué)精度檢驗(yàn)

外業(yè)利用全站儀檢測(cè)地物點(diǎn)平面坐標(biāo)1136處，粗差4處，粗差率為0.35%，允許值為5%；檢測(cè)點(diǎn)平面位置中誤差為：±0.662m，允許值為±1.2m。平面位置精度滿足1:2000數(shù)字線劃圖成圖需要。

外業(yè)利用全站儀檢測(cè)高程注記點(diǎn)1262處，粗差20處，粗差率為1.58%，允許值為5%，檢測(cè)點(diǎn)高程中誤差為：±0.521m，允許值為±0.75m。高程精度滿足1: 2000數(shù)字線劃圖成圖需要。

4.3 1∶2000數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)學(xué)精度檢驗(yàn)

內(nèi)業(yè)檢測(cè)1:2000數(shù)字高程模型 （DEM）1307個(gè)特征點(diǎn)高程，檢測(cè)點(diǎn)高程中誤差為±0.306m，允許值為±0.7m；粗差38個(gè)，粗差率為2.90%，允許值為5%；

外業(yè)檢測(cè)1:2000數(shù)字高程模型（DEM）230個(gè)特征點(diǎn)高程，檢測(cè)點(diǎn)高程中誤差為±0.521m，允許值為±0.75m；粗差5個(gè)，粗差率為2.20%，允許值為5%。

高程精度滿足1:2000數(shù)字高程模型 （DEM）成圖要求。

4.4 1∶2000數(shù)字正射影像圖（DOM）數(shù)學(xué)精度檢驗(yàn)

內(nèi)業(yè)檢測(cè)1:2000數(shù)字正射影像圖（DOM）7487個(gè)特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)，檢測(cè)點(diǎn)平面位置中誤差為± 0.434m，允許值為±1.4m；粗差22個(gè)，粗差率為0.29%，允許值為5%；

外業(yè)檢測(cè)1:2000數(shù)字正射影像圖（DOM）102個(gè)特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)，檢測(cè)點(diǎn)平面位置中誤差為± 0.429m，允許值為±1.4m；粗差2個(gè)，粗差率為1.96%，允許值為5%。

5 結(jié)論

5.1 DGPS平面計(jì)算精度與基站與飛機(jī)間距離有關(guān)系，距離越小，精度越高。

5.2 若能夠充分利用已有大比例尺數(shù)字化測(cè)圖成果，建立與當(dāng)?shù)氐匦胃呛系膮^(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型，以獲取高精度的攝站高程，外業(yè)高程控制點(diǎn)的布設(shè)，將會(huì)有更大幅度的減少，甚至無需布設(shè)高程控制點(diǎn)。

5.3 加密區(qū)大小的選擇：運(yùn)用IMU/DGPS數(shù)字航空攝影測(cè)量技術(shù)，在1:2000成圖中的山地、高山地地區(qū)，對(duì)于短邊平行航線的像片而言，平高控制點(diǎn)基線跨度最大可放寬2倍，平面、高程精度均可達(dá)到規(guī)范要求；對(duì)于平地、丘陵地而言，平面控制點(diǎn)基線跨度最大可放寬1倍；高程點(diǎn)基線跨度可放寬0.5倍。

5.4 運(yùn)用IMU/DGPS輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行大比例尺測(cè)圖，能滿足測(cè)量的各項(xiàng)精度要求，同時(shí)減少作業(yè)成本的投入，大幅度提高了工作效率，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］李學(xué)友，等．IMU/DGPS輔助航測(cè)技術(shù)在大比例尺航測(cè)成圖中的應(yīng)用［J］．測(cè)繪科學(xué)，2006，(1)：60—62．

［2］蔡文惠，梁國華．IMU/DGPS輔助航空攝影測(cè)量應(yīng)用探討［J］．測(cè)繪通報(bào)，2009，(4)：41—43．

［3］GB/T7930-20081：5001：10001：2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范［S］．

［4］GB/T7931-20081：5001：10001：2000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范［S］．

［5］CH/Z_3004-2010低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范［S］