空三加密POS系統(tǒng)的應(yīng)用與分析

■李小敏

（廣東省地圖院　廣東　廣州　510062）

空三加密POS系統(tǒng)的應(yīng)用與分析

■李小敏

（廣東省地圖院廣東廣州510062）

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，慣性導(dǎo)航技術(shù)和全球定位技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的技術(shù),也讓空三加密可以使用少許的控制點(diǎn)進(jìn)行測量工作。POS的出現(xiàn)使得空三加密更加趨于數(shù)字化、技術(shù)化。本文通過對(duì)某市高精度數(shù)碼航空攝影中POS系統(tǒng)的應(yīng)用，經(jīng)過常規(guī)、加帶POS系統(tǒng)等空三加密作業(yè)方法的作業(yè)對(duì)比和數(shù)學(xué)精度分析，研究和分析了POS輔助空中三角測量成果精度的影響，探討滿足各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的前提下，POS輔助空中三角測量中野外像控點(diǎn)施測的最優(yōu)方案，并探討了POS系統(tǒng)輔助空三加密的原理以及測量方法等等。

POS系統(tǒng)空三加密

1　引言

社會(huì)在不斷進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)也在不斷進(jìn)步，所以說測繪技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)也在突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。在我國，傳統(tǒng)的航空攝影測量主要側(cè)重于攝影技術(shù)的運(yùn)用，周期短、價(jià)格低、準(zhǔn)確性高是傳統(tǒng)航空攝影的優(yōu)點(diǎn)，他已經(jīng)成為繪制地形圖的重要技術(shù)手段。精密空間定位系統(tǒng)(Positioning Orientation System，POS)技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，增強(qiáng)了導(dǎo)航定位精度，也大大提升了數(shù)碼航空攝影的質(zhì)量。POS系統(tǒng)是準(zhǔn)確性和精度都很高的定位定向系統(tǒng)，它把差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合在一起，發(fā)揮更強(qiáng)大的功能，他可以從中得到空間位置的信息和三軸姿態(tài)信息，也就是獲取瞬時(shí)攝影像片的空間位置和三軸姿態(tài)信息。系統(tǒng)包括GPS接收機(jī)和IMU兩個(gè)部分，也稱GPS/IMU集成系統(tǒng)。

2　POS系統(tǒng)的概述

2.1POS系統(tǒng)組成介紹

圖1　POS系統(tǒng)的流程圖

POS系統(tǒng)是在全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性測量單元(IMU)的基礎(chǔ)上，而形成的一種系統(tǒng)，該項(xiàng)系統(tǒng)可以直接對(duì)航空攝影影像的外方位元素直接進(jìn)行測定工作,也能夠在沒有地面控制或者地面控制很少的情況下，順利完成定位和圖像采集的工作。POS技術(shù)的引進(jìn)，在實(shí)踐過程中的數(shù)據(jù)采集以及處理都大大提高了工作效率，對(duì)工程的進(jìn)展也有很大的幫助。POS系統(tǒng)中的接收機(jī)，主要作用是接收GPS數(shù)據(jù),IMU的作用是提供設(shè)備瞬間的速度,加速度以及方向信息,并且接收POS數(shù)據(jù)處理軟件發(fā)出的問題，從而獲得定位的信息。

2.2POS系統(tǒng)的技術(shù)分析

IMU是一種不受外界干擾，可以傳輸能量，而且不依靠任何外界事物的的一種導(dǎo)航設(shè)備，它的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的隱蔽性，數(shù)據(jù)更新速度快，更新率高，穩(wěn)定性也好。所以在軍事和民用領(lǐng)域有著舉足輕重的地位，扮演著越來越重要的角色。但是它也具有一定的缺點(diǎn)，比如，單獨(dú)使用時(shí)具有一定的誤差，它的應(yīng)用程序和所接受的任務(wù)也是他的缺點(diǎn)。GPS是一種無線電導(dǎo)航和定位系統(tǒng),他是一個(gè)接收站可以提供精確度高的位置信息。圖1是POS系統(tǒng)的流程圖。

2.2.1數(shù)碼航空攝影

某市數(shù)碼航空攝影采用基于POS系統(tǒng)數(shù)字航空遙感技術(shù)獲取攝區(qū)影像數(shù)據(jù)。使用最新型號(hào)的大像幅數(shù)字航空遙感像機(jī)（集成飛行管理系統(tǒng)、POS系統(tǒng)、三軸穩(wěn)定平臺(tái)采用焦距79.8mm,像片像素5.2um,幅面6.80cm×13.08cm（解壓縮后數(shù)據(jù)量748M左右）,地面分辨率0.18m的影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)，采用先進(jìn)的集成傳感器定向（簡稱ISO-Integrated Sensor Orientation）攝影測量方案，輔助地面基站、布設(shè)檢校場，通過少量外業(yè)控制點(diǎn)測量，經(jīng)過IMU/DGPS數(shù)據(jù)處理與數(shù)字空中三角測量解算，獲取航空攝影像片的高精度外方位元素。地面基準(zhǔn)站采用廣州市連續(xù)運(yùn)行參考站（SYCORS）的數(shù)據(jù)進(jìn)行攝影的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理，確保數(shù)碼航空攝影數(shù)據(jù)成果的精確程度。

2.2.2坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

通過POS系統(tǒng)計(jì)算的攝影瞬間像主點(diǎn)的坐標(biāo),是通過GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)信息而獲得的，它的數(shù)據(jù)主要是使用了國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000坐標(biāo)系)的研究結(jié)果。從目前的狀況來看，不論是在航測外業(yè)工作還是內(nèi)業(yè)工作的工作圖中，所使用的的坐標(biāo)系都是是1954年北京坐標(biāo)系，1980西安坐標(biāo)系以及地方獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，它與攝影瞬間像點(diǎn)的坐標(biāo)之間存在一定的差異，為了利用攝影瞬間像片的位置(3個(gè)線元素)和姿態(tài)(3個(gè)角元素)，必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，在統(tǒng)一的坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行航測內(nèi)業(yè)運(yùn)算和測圖。

3　空三組網(wǎng)計(jì)算方案

3.1外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)

圖2　航線及像控點(diǎn)分布圖

航測成圖采用地面分辨率優(yōu)于0.2cm的數(shù)碼航攝資料，該實(shí)驗(yàn)攝區(qū)采用POS輔助航攝，航線東西向飛行，攝影比例尺1：3500，共11條航線，每條航線約有40張像片，共計(jì)431張航片。按照常規(guī)加密要求對(duì)像控點(diǎn)布設(shè)，航線按每隔4條基線布設(shè)一對(duì)平高控制點(diǎn)。如圖2航線及像控點(diǎn)分布圖（見圖2），同向不超20個(gè)航片，旁向不超4航線一個(gè)控制點(diǎn)，共布設(shè)10排5列像控點(diǎn)。

表1　空三加密精度統(tǒng)計(jì)

3.2航測內(nèi)業(yè)空中三角測量

3.2.1全自動(dòng)空中三角測量

數(shù)字航空攝影的測量作業(yè),空中三角測量(簡稱空三加密)在航測內(nèi)業(yè)空中三角測量中起著關(guān)鍵性的作用，它對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量以及工作效率都有著巨大的影響。空中三角測量是來確定區(qū)域范圍內(nèi)的定位以及姿態(tài)測量,用來獲得該區(qū)域范圍內(nèi)的任何一個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)，在定向控制和外部定向參數(shù)的基礎(chǔ)上,準(zhǔn)確找出區(qū)域內(nèi)所有的影像外方位元素,最后確定出對(duì)應(yīng)的對(duì)象空間點(diǎn)的坐標(biāo)。

自動(dòng)空中三角測量的過程中,關(guān)于模型的連接點(diǎn),經(jīng)過多影像匹配算法可以提高準(zhǔn)確性和工作效率，圖像的坐標(biāo)也可以自動(dòng)完成測量。地面控制點(diǎn)中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò),從目前來看，還不能通過有效的算法自動(dòng)完成圖像的定位，只能夠通過數(shù)字?jǐn)z影測量工作站的操作員手動(dòng)完成測量。

3.2.2空中三角測量作業(yè)

第一，要按常規(guī)方法進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)加密計(jì)算，加密網(wǎng)的定向點(diǎn)以及航測外業(yè)中的檢查點(diǎn)都看作內(nèi)業(yè)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確測定。通過加密計(jì)算得到的外業(yè)檢查點(diǎn)的空三解算坐標(biāo)與外業(yè)實(shí)測中得到的坐標(biāo)找出差異，并且研究分析誤差所在的原因，從而獲得滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的加密網(wǎng)。引入POS數(shù)據(jù)輔助空中三角測量的計(jì)算，全部檢查點(diǎn)以及定向點(diǎn)都不需要重新測量，加強(qiáng)像控點(diǎn)權(quán)重的比例系數(shù)的大小，將加密網(wǎng)定向點(diǎn)的數(shù)量以及分布進(jìn)行變化（一是選擇10條基線布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)的方案，二是在10條基線基礎(chǔ)上，隔航線布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)的方案），改變POS數(shù)據(jù)權(quán)重比例（改變POS數(shù)據(jù)的平面權(quán)重，對(duì)加密網(wǎng)平面精度影響不大。

4　POS數(shù)據(jù)輔助下的空三處理

POS數(shù)據(jù)輔助下的空三處理，是一項(xiàng)復(fù)雜性和技術(shù)性較強(qiáng)的工作。在實(shí)際工作中，POS數(shù)據(jù)輔助扮演著重要的角色。與傳統(tǒng)工藝相比較而言，空三加密的過程和高精度將會(huì)使形象改變,在這種情況下，我們能夠利用INPHO數(shù)據(jù)處理軟件以及傳統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)z影測量工作站進(jìn)行試驗(yàn),將傳統(tǒng)的空三加密圖像處理軟件與專門處理圖像軟件進(jìn)行詳細(xì)的比較與研究，從而得出空三加密技術(shù)的對(duì)精度的影響。

4.1POS輔助空三加密的原理

在開展數(shù)碼航空攝影時(shí)，將POS系統(tǒng)和數(shù)碼航攝儀集成在一起，通過GPS載波相位差分定位獲取數(shù)碼航攝儀的位置參數(shù)及IMU測定的數(shù)碼航攝儀的姿態(tài)參數(shù)，經(jīng)后續(xù)IMU、DGPS數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理，獲取航空攝影瞬間像片的位置（3個(gè)線元素）和姿態(tài)（3個(gè)角元素）即像片定向的6個(gè)外方位元素這樣在航測內(nèi)業(yè)時(shí)能恢復(fù)攝影時(shí)像片與地面的關(guān)系，從而進(jìn)行像片的解析測量。在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，可以根據(jù)不同的精度要求，采取提高外業(yè)控制點(diǎn)的措施來避免誤差，從而達(dá)到加密的要求。

4.2POS輔助航空攝影測量方法

POS輔助航空攝影測量方法主要包括直接定向法和POS輔助空中三角測量方法。直接定向法就是通過設(shè)置檢校場的方式，對(duì)集成系統(tǒng)的誤差進(jìn)行檢驗(yàn)，從而獲得每張像片的精度較高的外方位元素。通俗的說，就是對(duì)檢校場進(jìn)行空中三角測量工作，從而檢校場每張像片的外方位元素值、偏心角的值以及三維坐標(biāo)系統(tǒng)差的改正數(shù)三個(gè)數(shù)值。用得到偏心角的值以及三維坐標(biāo)系統(tǒng)差改正數(shù)，對(duì)整個(gè)區(qū)域內(nèi)的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理改正，最后得到每張像片的外方位元素。

兩者相比較來說,DG方法相對(duì)簡單，不需要地面控制點(diǎn)，可以減少價(jià)格，提高工作效率，但是對(duì)于大比例尺地形圖測繪的技術(shù)要求無法達(dá)到。

5　數(shù)據(jù)信息及其精度研究

空三加密成果主要分為三個(gè)，分別是常規(guī)空三加密（不加POS系統(tǒng)，4條基線布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)的區(qū)域法）、加帶POS系統(tǒng)的空三加密（10條基線布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)的區(qū)域法）和加帶POS系統(tǒng)的空三加密（隔條航線布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)的區(qū)域法），在帶POS系統(tǒng)空三加密中，經(jīng)過多次作業(yè)實(shí)踐，循環(huán)研究分析發(fā)現(xiàn)由GPS獲取的外方位線元素比慣性導(dǎo)航IMU獲取的角元素對(duì)空三加密精度的影響值較大，而且更有效。表1為空三加密精度統(tǒng)計(jì)。

從表1中可以很顯然的看出，三種加密成果的檢查點(diǎn)都在誤差的范圍之內(nèi)，數(shù)學(xué)精度也滿足規(guī)范要求的指標(biāo)，完全適合技術(shù)生產(chǎn)要求。從檢查點(diǎn)和航測成圖的數(shù)學(xué)精度分析過程中，我們能夠看出帶POS系統(tǒng)后，空三加密的精度在不斷提高，尤其是在高程精度方面效果十分明顯，兩種控制點(diǎn)布點(diǎn)的方案雖然存在一定的差異，但是都比規(guī)范限差優(yōu)越，能夠滿足大比例尺航測成圖規(guī)范要求。

我們可以通過以上分析可以明確地知道，POS系統(tǒng)它在足夠的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件的控制下是比較穩(wěn)定的,可靠地，其穩(wěn)定性和可靠性較好。當(dāng)控制點(diǎn)比較少的時(shí)候,POS數(shù)據(jù)誤差變化也是相對(duì)平穩(wěn),并且能夠保持足夠的高精度。

6　總結(jié)

綜合以上的分析可以知道，POS系統(tǒng)在空三加密中的作用是非常重要的，它對(duì)提高空中三角測量有著不可忽視的作用。這些結(jié)果表明,對(duì)兩系統(tǒng)現(xiàn)場控制點(diǎn)的分布是一樣的,關(guān)于傳統(tǒng)的攝像機(jī)現(xiàn)場控制點(diǎn)均勻分布,也適合新的數(shù)碼相機(jī)拍攝,加入POS數(shù)據(jù)輔助空中三角測量,能夠有效地降低地面控制點(diǎn)的數(shù)量。在實(shí)際的空三加密過程中,應(yīng)該讓控制點(diǎn)均勻分布在所需要的范圍內(nèi),這樣做有利于提高測量結(jié)果的精確性。

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P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-9-229-2