檢校計(jì)算航攝儀Boresight角

樊建強(qiáng)　楊旭

摘要：利用POS系統(tǒng)可以在航空攝影過(guò)程中直接測(cè)定每張相片的6個(gè)外方位元素。通過(guò)檢校計(jì)算精確測(cè)定Boresight角度可以提高POS數(shù)據(jù)的精度，實(shí)現(xiàn)直接定向。本文探討檢校原理與流程，通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：POS系統(tǒng)；航空攝影；檢校場(chǎng)

Calculate the Boresight angle of

Aerial Photogrammetry Camera

Abstract： Using POS system can direct determination of 6 exterior orientation in aerial photogrammetry. In camera calibration calculate the boresight angle to improve the accuracy of POS system， achieve the Direct Georeferencing. This paper discusses the principle and process of the calibration， validation through the actual data analysis.

Keywords： POS， aerial photogrammetry， calibration.

1. 背景介紹

攝影測(cè)量中解析空中三角測(cè)量（空三加密）的內(nèi)容是解求航攝區(qū)域內(nèi)每張影像的外方位元素X，Y，Z， j，w，k及解算待定點(diǎn)的地面坐標(biāo)。POS系統(tǒng)的應(yīng)用初衷，就是在航空攝影中精確測(cè)量曝光時(shí)的航攝儀位置及姿態(tài)信息，進(jìn)而直接獲取外方位元素，進(jìn)行POS輔助空中三角測(cè)量或者直接定向法。為提高POS解算精度，需要進(jìn)行檢校計(jì)算。

2. 原理分析

2.1 POS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

POS（Position and Orientation System， 定位定向系統(tǒng)）集合了差分GNSS設(shè)備與IMU （慣性導(dǎo)航測(cè)量單元）于一體，可以獲取實(shí)時(shí)空間位置和三軸姿態(tài)信息，已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、火箭、輪船等導(dǎo)航定位。POS系統(tǒng)由四部分組成

（1）GNSS接收機(jī)：機(jī)載移動(dòng)GNSS接收機(jī)及地面基站GNSS接收機(jī)，數(shù)據(jù)采樣頻率大于等于1Hz。POS技術(shù)中采用載波相位差分的GNSS動(dòng)態(tài)定位技術(shù)解求天線相位中心位置。差分技術(shù)就是在一個(gè)或幾個(gè)已知點(diǎn)位安置接收機(jī)為基準(zhǔn)站，與機(jī)載接收機(jī)同步觀測(cè)，然后將基準(zhǔn)站測(cè)定的位置坐標(biāo)或其它參數(shù)與相應(yīng)的已知結(jié)果求差，綜合兩站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算。

（2）IMU單元 ：由加速度計(jì)、陀螺儀和中央處理器組成。通過(guò)組合加速度和角度速率，以獲取IMU相對(duì)于地球的位置、速度和方向。

（3）計(jì)算控制系統(tǒng)：包含控制計(jì)算系統(tǒng)和實(shí)時(shí)組合導(dǎo)航的計(jì)算機(jī)。用于配置系統(tǒng)各硬件的性能參數(shù)，記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)組合導(dǎo)航計(jì)算結(jié)果為飛行管理系統(tǒng)提供必要信息。

（4）數(shù)據(jù)后處理軟件：通過(guò)處理POS系統(tǒng)在飛行中獲得的IMU和GNSS移動(dòng)站數(shù)據(jù)以及基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)得到最優(yōu)的組合導(dǎo)航解。當(dāng)POS系統(tǒng)用于攝影測(cè)量時(shí)，最后還需要進(jìn)行偏心及檢校計(jì)算來(lái)獲取每張影像在曝光瞬間的外方位元素。

2.2 POS系統(tǒng)應(yīng)用

POS系統(tǒng)應(yīng)用于攝影測(cè)量有兩種方式：

（1）直接傳感器定向

在已知GPS天線相位中心、IMU及航攝儀三者之間空間關(guān)系的前提下，可直接對(duì)POS系統(tǒng)獲取的GPS天線相位中心的空間坐標(biāo)（X，Y，Z）及IMU系統(tǒng)獲取的橫滾角、俯仰角、航跡角進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取航空影像曝光瞬間的攝站中心三維空間坐標(biāo)（XS， YS ，ZS）及其航攝儀三個(gè)姿態(tài)角（j，w，k），從而實(shí)現(xiàn)無(wú)地面控制條件下直接恢復(fù)航空攝影的成像過(guò)程。直接定向主要優(yōu)點(diǎn)是：整個(gè)測(cè)區(qū)不進(jìn)行空三加密平差計(jì)算、不加入地面控制點(diǎn)。與傳統(tǒng)的空中三角測(cè)量以及GPS輔助控制三角測(cè)量相比，不但節(jié)約了很大的費(fèi)用，同時(shí)還極大地提高了生產(chǎn)效率。單獨(dú)直接定向的缺點(diǎn)在于：缺少了多余觀測(cè)，計(jì)算過(guò)程中如出現(xiàn)了采用了錯(cuò)誤的GPS基站坐標(biāo)之類問題，都將直接影響最終的結(jié)果。此外，由于幾何模型、系統(tǒng)誤差和解算數(shù)據(jù)相關(guān)性的影響，直接傳感器定向所能達(dá)到的精度仍然難以滿足大比例尺測(cè)圖的需要。

（2）集成傳感器定向。

即POS輔助航空攝影測(cè)量。通過(guò)將GPS/IMU系統(tǒng)獲取的外方位元素作為帶權(quán)觀測(cè)值引入光束法區(qū)域網(wǎng)平差中，以獲取高精度影像定向參數(shù)和目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)大幅度減少地面控制點(diǎn)的數(shù)量。POS輔助空三加密中，雖然不可避免空中三角測(cè)量和加密點(diǎn)量測(cè)，但是也具有更好的容錯(cuò)能力和更高的精度。引入的數(shù)據(jù)能夠作為初始值提高自動(dòng)匹配的準(zhǔn)確與效率，只需加入少量地面控制點(diǎn)同樣提升了生產(chǎn)效率和降低成本。

以上兩種方式的結(jié)果精度差別較大。POS輔助航空攝影測(cè)量中加入控制數(shù)據(jù)聯(lián)合平差，精度和穩(wěn)定性較強(qiáng)。直接傳感器定向主要適用于小比例尺測(cè)圖，或?qū)ψ匀粸?zāi)害頻發(fā)區(qū)、國(guó)界及爭(zhēng)議區(qū)、自然條件惡劣區(qū)等難以開展地面控制測(cè)量工作的地區(qū)。但是直接定向法條件是需要利用檢校場(chǎng)飛行處理消除POS系統(tǒng)誤差、精確的解求外方位元素。同時(shí)檢校數(shù)據(jù)也會(huì)對(duì)POS輔助航空攝影的處理精度有所提高。

2.3 檢校參數(shù)

要通過(guò)原始數(shù)據(jù)得到外方位元素，還需要量測(cè)偏心分量，對(duì)于線元素有GPS天線到航攝儀攝影中心的偏心分量和IMU單元到航攝儀攝影中心的偏心分量。目前市面上成熟的數(shù)碼航攝儀都提供了偏心量測(cè)參考點(diǎn)，由GPS天線到攝影中心用卷尺量測(cè)精確到厘米級(jí)，內(nèi)置型IMU與航攝儀攝影中心的偏心參數(shù)可以出廠測(cè)定精確到毫米。

檢校中我們關(guān)注的重點(diǎn)是Boresight角，也就是視準(zhǔn)軸誤差。IMU單元記錄的姿態(tài)角為IMU本地坐標(biāo)系在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的橫滾角，俯仰角及航跡角（Roll，Pitch，Heading），而攝影測(cè)量中外方位角元素j，w，k為物方坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到像空間坐標(biāo)系的3個(gè)旋轉(zhuǎn)角，相應(yīng)軸間的很小夾角即為Boresight角。除了坐標(biāo)系變換外，具體體現(xiàn)在設(shè)備的出廠尺寸和工藝的偏差，安裝IMU時(shí)螺絲的松緊，設(shè)備間的接縫及劇烈的震動(dòng)也都可能導(dǎo)致角度有微小不同。所以如經(jīng)過(guò)IMU拆裝、非正常的劇烈震動(dòng)等情況，也需要重新檢校計(jì)算Boresight角。通過(guò)一定的檢校流程，使經(jīng)過(guò)檢校場(chǎng)飛行、外業(yè)控制和空三加密平差的過(guò)程，最終解算出本航攝儀POS系統(tǒng)的Boresight角，來(lái)提高POS系統(tǒng)攝影測(cè)量中對(duì)地目標(biāo)定位精度。解算軟件使用Applanix公司的POSPac軟件中的CalQC模塊。

3. 實(shí)施過(guò)程

3.1 檢校飛行

檢校場(chǎng)選在城區(qū)，面積為4平方公里，地形高差小于50米。在本檢校場(chǎng)飛行兩次，分別獲取0.1m和0.16m地面分辨率成果。其中0.1m數(shù)據(jù)航線覆設(shè)方向?yàn)闁|西向覆設(shè)4條，相對(duì)航高1200米；0.16m數(shù)據(jù)覆設(shè)方向?yàn)槟媳毕蚋苍O(shè)2條航線，相對(duì)航高1800m。

航空攝影前在檢校場(chǎng)地面布設(shè)了17個(gè)地標(biāo)點(diǎn)，整個(gè)測(cè)區(qū)均勻分布，布設(shè)在周圍無(wú)遮擋的平地確保影像中可見，尺寸為60cm*60cm的十字標(biāo)，足以滿足內(nèi)業(yè)判讀。

航攝儀為UltraCamLp，配套POSAV 510系統(tǒng)。使用Trimble R6雙頻GPS架設(shè)在檢校場(chǎng)附近的已知基站上，采樣間隔為1s。機(jī)載GPS采樣間隔為1s，IMU采樣頻率為200hz。

機(jī)載設(shè)備開機(jī)后靜態(tài)同步觀測(cè)5min，然后起飛作業(yè)。到測(cè)區(qū)前做8字飛行來(lái)激活I(lǐng)MU，防止長(zhǎng)時(shí)間直線飛行造成精度下降，然后對(duì)準(zhǔn)基站點(diǎn)平飛進(jìn)入，作業(yè)中要求飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)傾斜角度不大于20°。作業(yè)完成后對(duì)準(zhǔn)基站點(diǎn)平飛退出，等飛機(jī)落地停穩(wěn)后仍需繼續(xù)觀測(cè)5min。

3.2 外業(yè)控制

航片沖印后，外業(yè)實(shí)測(cè)地標(biāo)點(diǎn)并增加部分檢查點(diǎn)。像控點(diǎn)測(cè)量采用GPS網(wǎng)配合GPS高程測(cè)量。通過(guò)GPS網(wǎng)聯(lián)測(cè)像控點(diǎn)和3個(gè)B級(jí)GPS控制點(diǎn)，獲取像控點(diǎn)平面坐標(biāo)。采用區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型插值改正獲取像控點(diǎn)高程。

3.3 數(shù)據(jù)解算

在POSPac軟件中CalQC模塊中進(jìn)行檢校計(jì)算。原始數(shù)據(jù)為機(jī)載IMU數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RENIX格式的基站數(shù)據(jù)。需加入的附加參數(shù)有基站坐標(biāo)、控制點(diǎn)檢查點(diǎn)坐標(biāo)、偏心分量、相機(jī)參數(shù)，將處理后的TIF影像導(dǎo)入軟件并生成金字塔影像

在影像中量測(cè)控制點(diǎn)和檢查。在設(shè)置航片時(shí)要注意kappa角偏移量是否與航攝儀統(tǒng)一。反復(fù)平差解算得到符合精度要求的參數(shù)。

4. 結(jié)論

檢校結(jié)果的Boresight角為-12.913′，5.018′，-3.337′。未加入Boresight角與加入Boresight角后某測(cè)區(qū)1：10000成圖航空攝影直接傳感器定向檢查點(diǎn)中誤差見表1。結(jié)果證明經(jīng)檢校的相片外方位元素可用于正射影像的制作和對(duì)精度要求較低的對(duì)地目標(biāo)定位中。

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