IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)方法應(yīng)用研究——以貴陽市航空攝影測量項(xiàng)目為例

石　平，張文安

(1. 貴陽市測繪院，貴州 貴陽 550002； 2. 西安煤航信息產(chǎn)業(yè)有限公司，陜西 西安 710054)

Application of IMU/GPS Assisted Aerial Photogrammetry

——A Case Study in Guiyang，China

SHI Ping，ZHANG Wenan

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IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)方法應(yīng)用研究
——以貴陽市航空攝影測量項(xiàng)目為例

石平1，張文安2

(1. 貴陽市測繪院，貴州 貴陽 550002； 2. 西安煤航信息產(chǎn)業(yè)有限公司，陜西 西安 710054)

Application of IMU/GPS Assisted Aerial Photogrammetry

——A Case Study in Guiyang，China

SHI Ping，ZHANG Wenan

摘要：通過貴陽市航空攝影測量項(xiàng)目的實(shí)施，形成了一套有效可行的IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)方法。介紹了項(xiàng)目所采用的檢校場的布設(shè)方法、IMU/GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)像控布點(diǎn)方法，以及IMU/GPS輔助空中三角測量技術(shù),分析了IMU/GPS輔助空中三角測量和DEM/DOM成果精度，論述了該項(xiàng)目所形成的IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)方法的適用范圍和局限性。

關(guān)鍵詞：慣性測量單元(IMU)；GPS；DMC數(shù)碼相機(jī)；IMU/GPS輔助空三；精度分析

近年來，GPS、慣性測量單元(IMU)精度的不斷提高及其成本的不斷降低，使IMU/GPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空攝影測量中，并推進(jìn)了航空攝影測量長足的發(fā)展，提高了航空攝影測量的生產(chǎn)效率和成果精度。但由于目前出臺的IMU/GPS輔助航空攝影測量規(guī)范比較籠統(tǒng),沒有明確的技術(shù)參數(shù)和方法可參照執(zhí)行，IMU/GPS輔助航空攝影測量項(xiàng)目的實(shí)施大多基于項(xiàng)目前期的試驗(yàn)基礎(chǔ)進(jìn)行。因此，IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)方法的應(yīng)用研究成為國內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

在貴陽市航空攝影測量項(xiàng)目中，采用了IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)，完成了4000多平方千米航空攝影和DEM、DOM成果的制作。在該項(xiàng)目的實(shí)施中，形成了IMU/GPS輔助航空攝影測量檢校場的布設(shè)、外業(yè)像控測量、IMU/GPS輔助空中三角測量等技術(shù)方法。

一、IMU/GPS組合技術(shù)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和GPS已廣泛應(yīng)用于航空攝影測量中，由于二者均具有各自的優(yōu)點(diǎn)及缺陷。它們組合到一起使用，可達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)、彌補(bǔ)對方不足的特點(diǎn)。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)的主要部件由陀螺、加速度計(jì)及相關(guān)的輔助電路構(gòu)成,稱為慣性測量單元(IMU)。IMU是一個高精度慣性測量單元,它不依賴于任何外界信息，能夠進(jìn)行完全自主的導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠連續(xù)長時(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，還可以提供水平基準(zhǔn)及方位基準(zhǔn)，精度較高。將它與航攝儀緊密固連,能直接測定航攝儀的姿態(tài)參數(shù),通過對IMU、GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合后處理,可以快速獲取測圖所需的每張航片的高精度外方位元素。但是，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度主要取決于慣性器件(陀螺儀和加速度計(jì))的精度，其定位誤差隨時(shí)間積累，精度逐漸降低，這對于需要長時(shí)間工作的載體來說是極為不利的。

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)等導(dǎo)航參數(shù)，運(yùn)動載體上的接收機(jī)不易捕獲和跟蹤衛(wèi)星信號，動態(tài)環(huán)境中由于信噪比的下降及其他原因，易產(chǎn)生周跳。而且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)果離散較大。同時(shí)，數(shù)據(jù)輸出的頻率低是動態(tài)應(yīng)用的另一個主要問題。

綜上所述，GPS系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)各有所長，具有互補(bǔ)的特點(diǎn)，兩者的組合不僅具有兩個獨(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，它們之間互相傳遞、使用信息的加強(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)航長期精度高與慣性導(dǎo)航短期精度高和不受干擾的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合了起來，因此，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。

二、IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)方法

1. 項(xiàng)目概況

為了滿足貴陽市的發(fā)展需要，為數(shù)字貴陽提供現(xiàn)勢性強(qiáng)的測繪資料，進(jìn)行了貴陽市數(shù)字航空攝影測量項(xiàng)目，總面積為4 073.38 km2。項(xiàng)目地處云貴高原的東斜坡上，地貌形態(tài)多樣，有高原山地和丘陵，又有臺地和盆地、河谷，海拔872～1659 m。常年受西風(fēng)帶控制，氣候溫和濕潤，陰雨天多，四季不甚分明?！疤鞜o三日晴，地?zé)o三里平”是該區(qū)域的典型寫照，同時(shí)也是該項(xiàng)目實(shí)施的困難所在。

2. IMU/GPS輔助航空攝影

為了滿足貴陽市1∶500、1∶1000、1∶2000大比例尺航空攝影測量，根據(jù)攝區(qū)特有的氣候、地形條件，選用了UCX數(shù)字航攝儀、AeroControl-Ⅱd慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、塞斯納208飛行器，并采用了一系列先進(jìn)的軟件作為航攝數(shù)據(jù)處理的支持，如WinMp航線設(shè)計(jì)軟件、OPC影像數(shù)據(jù)處理軟件、AEROoffice V5.1f IMU/DGPS數(shù)據(jù)處理軟件、WPG GPS 7.60 IMU/DGPS數(shù)據(jù)濾波計(jì)算軟件、SSK空三測量解算軟件等。全區(qū)采用了兩種地面分辨率的飛行方案，即1308攝區(qū)，地面分辨率(GSD)=0.06 m；1309攝區(qū)，地面分辨率(GSD)=0.14 m。機(jī)載和地面GPS測量均采用Trimble 5700型雙頻GPS，航空攝影主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3. 檢校場的布設(shè)與飛行

由于IMU/GPS輔助航空攝影測量中，GPS相位中心、IMU幾何中心及相機(jī)的投影中心不重合，必須在攝區(qū)或攝區(qū)附近選取包含若干條航線的區(qū)域，采用空中三角測量方法確定各航片的外方位元素，與系統(tǒng)獲取的含有偏心角及線元素分量偏移值的各航片觀測量進(jìn)行矩陣運(yùn)算，求出偏心角及線元素分量偏移值。這樣就可以利用解算所得參數(shù)對整個測區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)校正，以獲得更高精度的外方位元素。用于系統(tǒng)誤差校正的區(qū)域就稱為檢校場。

表1　航空攝影主要技術(shù)參數(shù)

為減少航攝時(shí)間，檢校場均布設(shè)在攝區(qū)內(nèi)，采用附加航線的飛行方法，這是本次檢校場飛行與布設(shè)的一個顯著特點(diǎn)。其中1308攝區(qū)布設(shè)4個檢校場，即08/09線、49/50線、79/80線、305/306線，如圖1所示。1309攝區(qū)布設(shè)2個檢校場，即26/52線、08/17線，如圖2所示。兩攝區(qū)均采用相同的4個連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)作為地面基站。其次，檢校場的控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)均選在目標(biāo)影像清晰、定位性好的自然地物地標(biāo)上，未敷設(shè)人工地面標(biāo)志，這也是本項(xiàng)目檢校場布設(shè)的另一特點(diǎn)。檢校場的飛行基線數(shù)不少于10條，飛行高度與攝區(qū)飛行高度保持一致。

圖1　1308攝區(qū)4個檢校場布設(shè)圖

圖2　1309攝區(qū)2個檢校場布設(shè)圖

4. IMU/GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)像控測量

為測制1∶2000 DEM、DOM成果,該項(xiàng)目采用IMU/GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)像控布點(diǎn)，基于以往項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn),該項(xiàng)目采用的區(qū)域網(wǎng)為6條航線和60條基線，每個區(qū)域采用9點(diǎn)法的布點(diǎn)方案。對于不規(guī)則區(qū)域，相鄰平高點(diǎn)間隔30條基線以上時(shí)應(yīng)在中間布一個平高點(diǎn)。共布設(shè)像控點(diǎn)313個，其中檢校場布設(shè)62個，其他區(qū)域布設(shè)98個，檢查點(diǎn)共布設(shè)153個。

5. IMU/GPS輔助空中三角測量

IMU/GPS輔助空中三角測量是將IMU/GPS組合系統(tǒng)直接獲取的外方位元素作為初始帶權(quán)觀測值,參與攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差，可以同時(shí)獲得高精度的內(nèi)、外方位元素成果，實(shí)現(xiàn)更精確的像片定向。貴陽項(xiàng)目IMU/GPS輔助空中三角測量采用SSK全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站進(jìn)行，作業(yè)方式為影像自動匹配與人工干預(yù)相結(jié)合的方式，全區(qū)共分為14個加密分區(qū)進(jìn)行觀測，實(shí)行IMU/GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差。

三、數(shù)據(jù)分析與技術(shù)方法論證

1. IMU/GPS輔助空中三角測量精度分析

IMU/GPS輔助空三加密全區(qū)分為14個加密分區(qū)進(jìn)行觀測、平差，共觀測平面定向點(diǎn)396個，高程定向點(diǎn)392個，平面檢查點(diǎn)97個，高程檢查點(diǎn)95個。按不同分辨率的攝區(qū)，即0.14 m攝影分區(qū)、0.06 m攝影分區(qū)及全區(qū)進(jìn)行了加密定向點(diǎn)和多余野外控制點(diǎn)不符值的中誤差統(tǒng)計(jì)見表2。

表2　空三加密精度

從表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知：

1) 定向點(diǎn)平面精度滿足1∶1000、1∶2000城市測量規(guī)范的要求，不能滿足1∶500的平面精度要求(規(guī)范要求0.125 m)。

2) 定向點(diǎn)高程精度滿足1∶2000城市測量規(guī)范的要求，滿足1∶500、1∶1000丘陵山地區(qū)域的要求，不能滿足1∶500、1∶1000平地(0.5 m等高距)的精度要求(規(guī)范要求0.05 m)。

3) 6 cm攝區(qū)多余野外控制點(diǎn)平面精度滿足1∶500、1∶1000、1∶2000的要求，14 cm攝區(qū)多余野外控制點(diǎn)平面精度滿足1∶1000、1∶2000的要求，不能滿足1∶500平面精度的要求(規(guī)范要求0.22 m)。

4) 多余野外控制點(diǎn)高程精度滿足1∶2000的要求，不能滿足1∶500、1∶1000平地(0.5 m等高距)的精度要求(規(guī)范要求0.05 m)。

2. DOM、DEM精度分析

利用保密點(diǎn)對本測區(qū)DEM及DOM成果進(jìn)行位置精度檢測，分批次共檢測DEM高程精度301幅，DOM平面精度304幅。經(jīng)統(tǒng)計(jì)DEM高程中誤差為0.593 m，滿足1∶2000 DEM二級高程精度要求，優(yōu)于設(shè)計(jì)的要求。DOM平面中誤差為0.367 m，滿足1∶1000、1∶2000平面精度的要求。

3. IMU/GPS輔助像控區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方法的適用性

該項(xiàng)目所采用的IMU/GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)像控布點(diǎn)，即6條航線和60條基線的區(qū)域網(wǎng)規(guī)模，由IMU/GPS輔助空中三角測量精度分析可知，該區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方法完全滿足1∶2000航空攝影測量平面和高程精度的要求，對于1∶500、1∶1000航空攝影測量，該區(qū)域網(wǎng)規(guī)模不能滿足其高程精度的要求，需

要加密控制點(diǎn)的布設(shè)。也不能滿足14 cm攝區(qū)1∶500、1∶1000航空攝影測量平坦地區(qū)的平面精度的要求。其原因有二：一是IMU/GPS輔助航空攝影14 cm的地面分辨率不能滿足1∶500、1∶1000比例尺平坦地區(qū)的規(guī)范要求；二是IMU/GPS輔助航空攝影測量的像控區(qū)域網(wǎng)規(guī)模不適宜1∶500、1∶1000比例尺平坦地區(qū)的規(guī)范要求。

四、結(jié)束語

基于IMU/GPS輔助航空攝影測量貴陽項(xiàng)目，從IMU/GPS輔助航空攝影、IMU/GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)像控測量，到IMU/GPS輔助光束法空中三角測量形成了一套可行的技術(shù)方法。該方法經(jīng)空三加密和DEM、DOM成果精度分析，完全滿足1∶2000比例尺IMU/GPS輔助航空攝影測量的要求，不適用于1∶500、1∶1000比例尺平坦地區(qū)的IMU/GPS輔助航空攝影測量。為此，在實(shí)施1∶500、1∶1000 IMU/GPS輔助航空攝影測量時(shí)，對此套方案應(yīng)進(jìn)行全方位優(yōu)化和進(jìn)一步試驗(yàn)。

該項(xiàng)目采用了IMU/GPS輔助航空攝影測量，與傳統(tǒng)航空攝影測量相比，不僅可以利用IMU/GPS組合系統(tǒng)直接獲取影像的外方位元素，而且大幅度減少了野外控制點(diǎn)測量，從而降低了大比例尺測圖成本，提高了生產(chǎn)效率。

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引文格式： 石平，張文安. IMU/GPS輔助航空攝影測量技術(shù)方法應(yīng)用研究——以貴陽市航空攝影測量項(xiàng)目為例[J].測繪通報(bào)，2016(1)：88-90.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0022.

作者簡介：石平(1964—)，男，高級工程師，長期從事測繪工程、遙感、GIS應(yīng)用與行政管理工作。E-mail：511323825@qq.com

收稿日期：2015-10-15

中圖分類號：P231

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)01-0088-03