PPP與DGPS在IMU/GPS輔助1∶10000航測項目中的應用研究

王曉艷 楊 超 梁 石 王 安

(陜西測繪地理信息局測繪開發(fā)服務中心/西安華測航攝遙感有限公司，陜西 西安，710054)

PPP與DGPS在IMU/GPS輔助1∶10000航測項目中的應用研究

王曉艷 楊 超 梁 石 王 安

(陜西測繪地理信息局測繪開發(fā)服務中心/西安華測航攝遙感有限公司，陜西 西安，710054)

IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)可減少外業(yè)像控點測量工作量，進而縮短航攝成圖周期，多應用于1∶10 000比例尺成圖項目中。POS數(shù)據(jù)解算方法分為精密單點定位與差分GPS兩種，本文結(jié)合商南項目(地面分辨率為0.5m)，對兩種解算方法得出的外方位元素進行比較分析，采用帶控制點的POS輔助空三加密方法，經(jīng)對空三加密地面檢查點精度分析，分析兩種解算結(jié)果能否滿足1∶10 000比例尺成圖精度。

精密單點定位 差分GPS POS輔助 精度

1 引言

IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)是當前使用較廣泛的一種輔助航空攝影技術(shù)，該技術(shù)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)及影像的姿態(tài)參數(shù)的一種航空攝影技術(shù)[1]。該技術(shù)的一項關(guān)鍵技術(shù)是POS數(shù)據(jù)解算技術(shù)。POS解算方法根據(jù)是否采用地面基站，分為精密單點定位和差分GPS定位兩種。

在IMU、GPS硬件設備相同的情況下，POS解算精度的不同與采用的解算方法有關(guān)，POS解算精度又將影響成圖精度。IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)多在1∶10 000比例尺測圖項目中應用，技術(shù)優(yōu)勢發(fā)揮得也比較顯著。本文結(jié)合商南項目(航攝儀為UCXp WA，地面分辨率為0.5m)，選取合適的試驗區(qū)域，比較分析兩種解算結(jié)果，采用帶控制點的POS輔助空三加密方法，經(jīng)對空三加密地面檢查點精度分析，分析兩種解算結(jié)果能否滿足1∶10 000比例尺成圖精度。

2 精密單點與差分GPS定位

精密單點定位(PPP—Precise Point Positioning)是利用載波相位觀測值以及由IGS等組織提供的高精度的衛(wèi)星星歷及衛(wèi)星鐘差來進行高精度單點定位的方法。目前，根據(jù)一天的靜態(tài)觀測值所求得的平面位置精度可達2-3cm，高程精度可達3-4cm，實時定位的精度可達分米級[2]。PPP技術(shù)具有全天候、無需參考站和高精度定位的優(yōu)點，一直為科研項目和民用工程提供可靠、高精度的定位保障。精密單點定位技術(shù)為IMU/GPS輔助航空攝影項目提供了新的解決方案，若在解算精度滿足要求的情況下，采用該技術(shù)可以省掉地面基站的布設、觀測和計算工作。

差分GPS(DGPS—Differential GPS)是利用已知精確三維坐標的差分GPS基準臺，求得偽距修正量或位置修正量，將這個修正量實時或事后發(fā)送給用戶(GPS導航儀)，對用戶的測量數(shù)據(jù)進行修正，以提高GPS定位精度[3]。單站差分GPS建立在用戶的位置或距離誤差與基準站的誤差完全相同這一基礎之上。當用戶離基準站較近時(例如S<20km)，這種方法的定位精度有可能達到亞米級；當間距增加至200km時，定位精度將下降為5～10m[2]。差分GPS的優(yōu)點是不需要考慮復雜的誤差模型，解算模型簡單、待估參數(shù)少、定位精度高，因此被廣泛應用在IMU/GPS輔助航空攝影測量中。其不足之處在于：作業(yè)時至少需要一臺接收機置于基站上進行同步連續(xù)觀測。對于人煙稀少、偏遠的荒漠、戈壁區(qū)域，建設基站存在很大的困難。

實踐中，采用PPP技術(shù)，完全可以達到厘米級的定位精度。與精密的差分GPS結(jié)果比較，PPP技術(shù)的動態(tài)絕對定位精度優(yōu)于40cm。靜態(tài)精密單點定位技術(shù)可以達到厘米級的定位精度，動態(tài)定位精度也可以達到幾十厘米[4]。

3 試驗數(shù)據(jù)情況

商南項目采用UCXp-WA數(shù)碼航攝儀實施航空攝影，地面分辨率為0.5m，POS系統(tǒng)為Applanix公司的POS AV510 V6，成圖比例尺為1∶10 000。試驗區(qū)選在商南項目航攝04分區(qū)的商南縣附近區(qū)域，面積約2011km2，東西向約50km，南北向約40km。試驗區(qū)范圍覆蓋四幅1∶5萬圖幅(圖號分別為：I49E015011、I49E015012、I49E016011、I49E016012)。地形以山地為主，少量高山地。試驗區(qū)的攝站點、控制點及檢查點分布情況如圖1所示。

試驗區(qū)使用的航攝儀、飛機、地面分辨率、航向旁向重疊度、控制點及檢查點等技術(shù)參數(shù)見表1所示。

表1 試驗樣區(qū)技術(shù)參數(shù)

4 POS數(shù)據(jù)解算

精密單點與差分GPS解算在POS數(shù)據(jù)解算的流程上基本一致，主要有以下四個步驟，應用POS系統(tǒng)配套的POS數(shù)據(jù)解算軟件POSPac 7.1解算POS數(shù)據(jù)。主要步驟如下：

(1)IMU/DGPS數(shù)據(jù)預處理。對每個架次飛行的IMU/DGPS數(shù)據(jù)(包括機載GPS觀測數(shù)據(jù)、IMU記錄數(shù)據(jù)、Event Mark數(shù)據(jù)、差分GPS解算時還包括基站數(shù)據(jù))進行預處理，預處理完成后檢查POS數(shù)據(jù)是否完整、有無漏片的問題；(2) IMU/DGPS數(shù)據(jù)濾波計算。應用軟件解算對GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算，經(jīng)卡爾曼濾波得出每張像片攝站點(投影中心)的粗精度的6個外方元素；(3) 檢校場空中三角測量、求解系統(tǒng)偏差。利用檢校場地面控制點和檢查點進行空三加密計算，空三精度符合規(guī)范要求后，將空三得到的檢校場外方位元素與IMU/DGPS數(shù)據(jù)濾波計算得到的外方位元素比較，得到外方位元素的系統(tǒng)偏差；(4) 檢校計算及成果輸出。對每張像片的6個外方位元素進行系統(tǒng)偏差改正，輸出每張像片經(jīng)系統(tǒng)改正后的外方位元素成果。

當采用精密單點定位解算時，軟件會自動下載飛行當天的精密衛(wèi)星星歷、精密衛(wèi)星鐘誤差等數(shù)據(jù)。這種精密軌道產(chǎn)品宜采用IGS組織提供的。IGS組織擁有全球范圍內(nèi)420多個永久GNSS跟蹤站，其地心坐標經(jīng)度約3cm，分布更加合理，精密衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘誤差一般在7—14天后發(fā)布。

采用DGPS方法解算時，導入基站數(shù)據(jù)，試驗區(qū)選用的基站距離試驗區(qū)內(nèi)的攝站點距離為30-170km。

5 PPP與DGPS解算結(jié)果比較分析

使用商南試驗區(qū)的數(shù)據(jù)，共涉及9條航線(5-7航線是一個架次飛行，8-13航線是另一個架次飛行)，航線東西方向布設，每條航線30張像片，共270張像片。

外方位元素成果采用的坐標系統(tǒng)為：

平面坐標系：2000國家大地坐標系。

高程基準：大地高。

投影與分帶方式：采用高斯-克呂格投影，采用3度分帶。

PPP解算結(jié)果與DGPS解算結(jié)果三個線元素之間的較差統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 PPP解算結(jié)果與DGPS解算結(jié)果 三個線元素較差統(tǒng)計表 單位：米

PPP解算結(jié)果與DGPS解算結(jié)果三個線元素之間的較差統(tǒng)計圖如圖2所示。

PPP解算結(jié)果與DGPS解算結(jié)果三個角元素之間的較差統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3 PPP解算結(jié)果與DGPS解算結(jié)果 三個角元素差值統(tǒng)計表 單位：度

PPP解算結(jié)果與DGPS解算結(jié)果三個角元素之間的較差統(tǒng)計圖如圖3所示。

比較分析得出如下結(jié)論：

(1)對同一個架次同一個像主點而言，分別使用精密單點定位和差分GPS兩種解算方法得出的外方位元素差距在同一個數(shù)量級內(nèi)，且同一條航線內(nèi)的較差接近一致；(2)使用精密單點定位和差分GPS兩種解算方法得出的外方位元素之間的較差與飛行架次、航線有一定的相關(guān)性，在同一架次、同一航線內(nèi)的較差呈現(xiàn)出較為一致的規(guī)律性。

6 試驗方法及成圖精度分析

6.1 試驗方法

采用帶地面控制點的POS輔助空三加密法，外方位元素值分別使用精密單點定位、差分GPS兩種解算方法得出的兩組成果，借助空三軟件比較外業(yè)實測檢查點的精度，分析兩種解算結(jié)果能否滿足1∶10 000比例尺成圖精度。

POS輔助定向法的實際精度，可以利用n個地面檢查點的坐標值(野外實測)和POS輔助定向值之間的偏差(ΔX，ΔY，ΔZ)，按下公式1求出[5]：

(1)

式中，μxy為總體平面實際精度，μz為總體高程實際精度，n為檢查點個數(shù)。

6.2 精度分析

空中三角測量像點采集和POS輔助空三平差解算都是在PixelGrid軟件中進行，13個外業(yè)控制點參與定向計算，50個檢測點作為檢查點使用，PPP和DGPS使用相同的控制點和檢測點。控制點和檢查點的坐標系統(tǒng)與外方位元素成果采用的坐標系統(tǒng)一致。

空三加密檢查點中誤差見表3所示。

GB/T 23236-2009《數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》、GB/T 13990-2012《1∶5000、1∶10000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》中規(guī)定，成圖比例尺1：10000平地平面位置中誤差為3.5m，高程中誤差為0.3m(此項見GB/T 23236-2009規(guī)范)；丘陵地平面位置中誤差為3.5m，高程中誤差為1.0m；山地平面位置中誤差為5.0m，高程中誤差山地2.0m；高山地平面中誤差為5.0m，高程中誤差為3.0m[6],[7]。

從表中結(jié)果可以看出，商南試驗區(qū)采用PPP、DGPS兩種解算方法得出的兩組外方位元素，可滿足1∶10 000比例尺地形圖平地、丘陵地、山地、高山地地形的平面精度要求，滿足山地、高山地地形的高程精度要求。

7 結(jié)束語

本文對商南試驗區(qū)采用PPP、DGPS解算方法得出的兩組像片外方位元素比較分析得出，兩組外方位元素之間存在一定的差值，與架次、航線有一定的相關(guān)性。經(jīng)試驗分析，當采用帶地面控制點的POS輔助空三加密方法時，PPP、DGPS解算方法得出的外方位元素成果均可滿足1∶10 000比例尺地形圖山地、高山地地形的平面、高程精度要求。

對于布測地面基站困難的1∶10 000 POS輔助航測項目，采用精密單點定位解算方法與差分GPS解算方法相比，可省掉地面基站的布設、觀測和計算工作，有很大的優(yōu)勢和應用前景，下一步仍需要結(jié)合更多的試驗數(shù)據(jù)進行這方面的試驗研究。

[1] GB/T 27919-2011.IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2012.

[2] 李征航，黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M].湖北武漢：武漢大學出版社,2005.

[3] 徐紹銓，張華海，楊志強等. GPS測量原理及應用[M].湖北武漢：武漢大學出版社，2008.

[4] 劉焱雄，周興華，張衛(wèi)紅等.GPS精密單點定位精度分析[J].海洋測繪，2005,(1)：44-46.

[5] Yuan Xiuxiao.A Novel Method of Systematic Error Compensation for a Position and Orientation System[J].Progress in Natural Science,2008,18(8):953-963.

[6] GB/T 23236-2009.數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范[S]. 北京：中國標準出版社，2009.

[7] GB/T 13990-2012.1∶5000、1∶10000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2012.

Research on PPP and DGPS Applying in IMU/GPS-supported 1∶10000 Photogrammetry Project

WANG Xiao-yan,YANG Chao, LIANG Shi,WANG An

(The Development and Service Center of Shaanxi Administration of Surveying&Mapping /Xi’an Huace Aerial Photography and Remote Sensing Co.,Ltd, Xi’an Shanxi 710054，China)

The technology of IMU/GPS supported aerial photography can reduce workload of photo control survey and shorten the period of aerophotogrammetrical mapping. It is mostly used in 1∶10 000 scale mapping projects. POS data processing methods can be classified as PPP and DGPS. The paper compared exterior orientation calculated by those two methods(data from Shangnan projects), and analyzed accuracy of POS supported aerialtriangulation with GCPs by check points.Finally,the article make a conclusion that whether the exterior orientation calculated by PPP and DGPS can be used to 1∶10000 scale mapping.

2016-05-13

P231

B

1007-3000(2016)06-4