深圳市IMU/GPS輔助區(qū)域網(wǎng)平差布點(diǎn)方案

任治敏，盧永華

(深圳市勘察研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

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深圳市IMU/GPS輔助區(qū)域網(wǎng)平差布點(diǎn)方案

任治敏*，盧永華

(深圳市勘察研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

采用深圳市一組帶有IMU/GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)的航攝資料，根據(jù)地形劃分空三區(qū)域，對(duì)各個(gè)空三區(qū)域不同的像控點(diǎn)布設(shè)方案產(chǎn)生的空三結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。以此為基礎(chǔ)，從理論上得出深圳市各類地形基于IMU/GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差最佳布點(diǎn)方案。

深圳市；地形；IMU/GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差；布點(diǎn)方案

1 引 言

航空攝影測量數(shù)據(jù)是深圳市空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重要組成部分，為各類基礎(chǔ)調(diào)查提供基礎(chǔ)圖件或影像證據(jù)，廣泛應(yīng)用于土地利用現(xiàn)狀調(diào)查、建設(shè)用地遙感監(jiān)測、建筑現(xiàn)狀調(diào)查、土地監(jiān)察執(zhí)法等業(yè)務(wù)中。

深圳市的整體地勢(shì)為東南高，西北低，多數(shù)地塊屬于低丘陵地，并有平緩臺(tái)地相間。市區(qū)有梧桐山、筆架山、馬巒山等山峰。

IMU/GPS(Inertial Measurement Unit/Global Position System)輔助航空攝影測量可以直接獲取像片的6個(gè)外方位元素，包括三個(gè)線元素和三個(gè)角元素[1～4]。是利用慣性測量單元(IMU)和全球定位系統(tǒng)(GPS)的組合測量技術(shù)，獲取攝影瞬間攝影中心的位置參數(shù)和影像姿態(tài)參數(shù)的一種航空攝影技術(shù)[5]。

本文采用深圳市一組帶有IMU/GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)的航攝資料為基礎(chǔ)，根據(jù)深圳市的地形分布及特點(diǎn)，通過不同像控點(diǎn)布設(shè)方案得到平差精度，從理論上優(yōu)化深圳市IMU/GPS輔助區(qū)域網(wǎng)平差布點(diǎn)方案。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

研究區(qū)域深圳市位于中國南部沿海，廣東省東南部，毗鄰香港，位于北回歸線以南。陸域位置東經(jīng)113°46′～114°37′，北緯22°27′～22°52′。東臨大鵬灣，西連珠江口，南與香港新界接壤，北靠東莞、惠州兩市。深圳全境地勢(shì)東南高，西北低，大部分為低丘陵地，間以平緩的臺(tái)地，西部為濱海平原。境內(nèi)最高山為梧桐山，海拔 943.7 m。

所用的航攝資料覆蓋了整個(gè)深圳市，航攝實(shí)施共三個(gè)有效架次，有效架次航攝時(shí)間分別為2014年12月21日、2014年12月22日，2014年12月31日。共37條航線，其中北部航線N1～N9采用航向65%、旁向35%的敷設(shè)方法，南部航線N10～N32為中心城區(qū)，擁有較多高層建筑，為了減少建筑投影差，采用采用航向75%、旁向40%的敷設(shè)方法。影像地面分辨率為 0.18 m，可滿足 1∶2 000數(shù)字地形圖成圖要求。

航攝資料相關(guān)參數(shù)如表1所示。

航攝資料參數(shù) 表1

慣導(dǎo)系統(tǒng)采用Applanix公司生產(chǎn)POS AV510系統(tǒng)獲取位置與姿態(tài)參數(shù)。該系統(tǒng)記錄相機(jī)飛行的空中姿態(tài)，利用機(jī)載GPS接收機(jī)記錄的位置信息，將基站數(shù)據(jù)、機(jī)載GPS數(shù)據(jù)及IMU數(shù)據(jù)融合，再加上檢校場所獲得的偏心分量，就可精確計(jì)算出每張像片曝光瞬間的6個(gè)外方位元素[6]。

3 空三分區(qū)

區(qū)域網(wǎng)的劃分一般按圖廓線整齊劃分，可根據(jù)航攝分區(qū)、地形條件等情況劃分，力求網(wǎng)的圖形呈方形或矩形。區(qū)域網(wǎng)的大小和像片控制點(diǎn)間的跨度主要依據(jù)成圖精度、航攝資料條件以及對(duì)系統(tǒng)誤差的處理等因素[7]。

根據(jù)以上劃分原則，在深圳市范圍內(nèi)劃分出4個(gè)區(qū)域網(wǎng)作為本文實(shí)驗(yàn)區(qū)域，如圖1所示。

地形類別的確定 表2

圖1 區(qū)域網(wǎng)分布

各區(qū)域網(wǎng)參數(shù)如表3所示。

各個(gè)區(qū)域網(wǎng)參數(shù) 表3

4 像控點(diǎn)布設(shè)

4.1 點(diǎn)位布設(shè)

IMU/GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差時(shí)，布點(diǎn)要求為：平高控制點(diǎn)采用四角布點(diǎn)法，即在區(qū)域四個(gè)角處布設(shè)平高控制點(diǎn)，四角宜采用雙點(diǎn)布設(shè)，平坦地區(qū)區(qū)域網(wǎng)中根據(jù)需要加布高程控制點(diǎn)；當(dāng)布設(shè)構(gòu)架航線時(shí)，可適當(dāng)減少像控點(diǎn)點(diǎn)數(shù)[8]。

對(duì)不同地形類別的區(qū)域網(wǎng)，分別布設(shè)平高點(diǎn)和高程點(diǎn)，每個(gè)區(qū)域網(wǎng)按照4種方案布設(shè)，每種方案平面和高程控制的基線和航線跨度參照表4所示。4種方法布點(diǎn)示意圖如圖2所示。

點(diǎn)位布設(shè)基線和航線跨度 表4

圖2 布點(diǎn)方案示意圖

4.2 點(diǎn)位測量

深圳市1∶1 000地形圖時(shí)效性好，幾何精度高，其地物點(diǎn)的平面及高程精度如下：

主要地物點(diǎn)相對(duì)于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差應(yīng) ≤±10 cm，次要地物點(diǎn)相對(duì)于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差 ≤±15 cm；平坦地區(qū)高程點(diǎn)相對(duì)于鄰近控制點(diǎn)的高程中誤差應(yīng) ≤±15 cm，鋪裝地面高程點(diǎn)相對(duì)于鄰近控制點(diǎn)的高程中誤差應(yīng) ≤±7 cm。

以上精度完全滿足1∶2 000像控點(diǎn)的選取要求：像片平高控制點(diǎn)相對(duì)鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的平面位置中誤差不超過 0.24 m；像片高程控制點(diǎn)相對(duì)鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的高程中誤差不超過1/10(平丘地 0.1 m，山地 0.2 m)基本等高距。

因此，在地形圖覆蓋的地區(qū)，將地形圖疊加深圳已有影像，選取特征點(diǎn)位的高程點(diǎn)，并且讀取三維坐標(biāo)。

部分點(diǎn)位在地形圖上找不到合適的像控點(diǎn)，這類像控點(diǎn)通過外業(yè)實(shí)地測量。GPS外業(yè)觀測采用(標(biāo)稱精度不低于 5 mm+1 ppm×D)的雙頻GPS接收機(jī)(Trimble 5700)進(jìn)行。

5 平差精度計(jì)算

5.1 平差精度測算

除了布設(shè)像控點(diǎn)，另需在空三分區(qū)中布設(shè)一定數(shù)量的檢查點(diǎn)，平差結(jié)束后，計(jì)算檢查點(diǎn)的坐標(biāo)已知值和解算值之差，并根據(jù)以下公式計(jì)算平面中誤差和高程中誤差[9]：

(1)

式中：m1—中誤差，單位為m；

△—野外實(shí)測值與解算值的誤差，單位為m；

n—參與評(píng)定精度的點(diǎn)數(shù)。

5.2 平差精度要求

對(duì)于1∶2 000比例尺數(shù)字地形圖成圖要求，檢查點(diǎn)的限差值如表5所示[9]。

檢查點(diǎn)誤差最大限值 表5

5.3 平差結(jié)果及分析

各個(gè)區(qū)域內(nèi)均布設(shè)10個(gè)檢查點(diǎn)，4個(gè)空三分區(qū)均采用4種方案進(jìn)行空三解算，每種方案再通過pos數(shù)據(jù)是否參與平差計(jì)算分為兩種情況，每個(gè)區(qū)域組合出8種平差方案，4個(gè)區(qū)域共計(jì)32種平差方案。分別計(jì)算各個(gè)檢查點(diǎn)的限差和區(qū)域網(wǎng)中誤差。其平差后結(jié)果如表6所示。

通過表6，對(duì)不同組合的平差結(jié)果進(jìn)行分析：

(1)4個(gè)區(qū)域共32種平差方案在平面精度上并沒有太大的變化，其中誤差均在 0.5 m以下，最大殘差均在 1 m以下，均不存在平面精度超限的情況。

(2)1區(qū)(丘陵)和2區(qū)(平地)只有按照方案一進(jìn)行布點(diǎn)，才能保證高程精度不超限，并且在這種布點(diǎn)方式下，pos數(shù)據(jù)對(duì)高程精度影像并不大。

(3)3區(qū)(山地)和4區(qū)(高山地)按照前三種方案布點(diǎn)時(shí)，均能滿足高程精度不超限，第四種方案在pos數(shù)據(jù)參與平差的情況下能滿足這兩種地形的高程精度要求。

平差后檢查點(diǎn)精度 表6

6 結(jié) 論

(1)深圳市基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)較為完善，1∶1 000地形圖上地物點(diǎn)精度完全滿足航空攝影測量 1∶2 000像控點(diǎn)精度，充分利用已有地形圖數(shù)據(jù)可大大減少像控點(diǎn)外業(yè)測量的工作量。

(2)布設(shè)平高點(diǎn)時(shí)，在旁向航線跨度4條，航向基線跨度24條的情況下均可滿足不同地形的平面精度，且pos數(shù)據(jù)對(duì)平面精度影并沒有太大影像。

(3)平地和丘陵的高程控制點(diǎn)在旁向航線跨度1條，航向基線跨度6條的情況下能保證高程精度不超限，放寬航向或者旁向高程點(diǎn)的布設(shè)，即使在pos數(shù)據(jù)參與平差的情況下，也無法滿足這兩種地形對(duì)高程精度的要求。

(4)山地和高山地這兩種地形，在像控點(diǎn)布設(shè)和量測較為困難的情況下，pos數(shù)據(jù)參與平差能較大的提升區(qū)域網(wǎng)的高程精度，將高程控制點(diǎn)的布設(shè)放寬到旁向航線跨度4條，航向基線跨度24條。在深圳市梧桐山、七娘山、筆架山等難以布點(diǎn)和測點(diǎn)的山區(qū)，IMU/GPS輔助區(qū)域網(wǎng)平差具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

[1] 李學(xué)友. IMU/DGPS輔助航空攝影測量原理、方法及實(shí)踐[D]. 鄭州：解放軍信息工程大學(xué)，2005.

[2] Jens Kremer. CCNS/AEROcontrol-an Intergrated GPS/IMU System for Direct Georeferencing of Airborne Image Data[R]. Stuttgart，2002.

[3] M.Mostafa，J.Hutton，B.Reid. GPS/IMU products-the Applanix approach[R]. Germany， 2001.

[4] A.Dorota，Grejner-Brzezinska. Direct Exterior Orientation of Airborne Imagery with GPS/INS System: Performance Analysis[J]. Navigation，1999，46(4)：261～270.

[5] 郭大海，王建超，鄭雄偉. 機(jī)載POS系統(tǒng)直接地理定位技術(shù)理論與實(shí)踐[M] . 北京：地質(zhì)出版社，2009：1～5.

[6] 姜艷武，蘇坤，張鑫鑫. POS AV510系統(tǒng)輔助DMC在航空攝影中的應(yīng)用[J]. 影像技術(shù)，2011(3)：59～61.

[7] GB/T 13977-2012. 1∶5000 1∶10000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范[S].

[8] CH/T 3006-2011. 數(shù)字航空攝影測量 控制測量規(guī)范[S].

[9] GB/T 23236-2009. 數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范[S].

Control Point Layout Schemes for Block Adjustment Based on IMU/GPS in Shenzhen City

Ren Zhimin，Lu Yonghua

(Shenzhen Investigation&Research Insitute Co. ，Ltd. Shenzhen 518026，China)

This paper selects a set of aerial photographs with the camera position determined by IMU/GPS kinematic positioning， divides the aerotriangulation area based on terrain，and compares aerotriangulation results of different control point layout schemes for different aerotriangulation area.Based on the analysis of the test results，the author put forward the best control point layout scheme for IMU/GPS-supported bundle block adjustment of different terrain in Shenzhen city.

Shenzhen city；terrain；IMU/GPS-supported bundle block adjustment；control point layout scheme

1672-8262(2016)05-64-04

P231

B

2016—03—11

任治敏(1986—)，女，碩士，工程師，主要從事攝影測量與遙感方面的項(xiàng)目管理及研究工作。