ADS100航攝影像空中三角測量精度分析

屈偉軍

（湖南省第二測繪院，湖南 長沙 410114）

目前，我國基本比例尺地形圖的測制主要是采用航空攝影測量成圖的方法。傳統(tǒng)的航空攝影測量成圖流程主要包括航空攝影、控制點

測量、空中三角測量和立體測圖4個階段，因為空中三角測量階段需要引入大量地面控制點來解算相片外方位元素，從而導(dǎo)致成圖過程周期長，野外工作量大[1]，尤其在荒漠、密林和高山等測區(qū)，很難獲取地面控制點，無法采用常規(guī)的航空攝影測量方法。為了縮短作業(yè)周期，減少外業(yè)工作量和降低費用，近年來，出現(xiàn)了大量高精度的機載導(dǎo)航設(shè)備，航攝儀定向數(shù)據(jù)的利用在國際攝影測量界引起了廣泛的高度重視[2]。國內(nèi)外大量的試驗研究證明，把POS數(shù)據(jù)作為附加觀測值引入空中三角測量可以有效減少地面控制點的數(shù)量[3-4]。

隨著科技的發(fā)展，新一代航攝儀基本實現(xiàn)了POS系統(tǒng)的集成。在國內(nèi)使用的主流數(shù)碼航攝儀中，大致可以分為3個系列：

1）微軟公司的UC系列，包括UC LP、UC XP、UC Eagle等；

2）徠卡公司的DMC系列，包括DMC I、DMC II、DMC III；

3）徠卡公司的ADS系列，包括ADS 40、ADS 80、ADS 100。

前2個系列為框幅式數(shù)碼航攝儀，第3個系列為推掃式數(shù)碼航攝儀。ADS100航攝儀作為ADS系列的最新款航攝儀，具有優(yōu)秀的航空攝影技術(shù)指標，目前國內(nèi)已投入使用超過20余臺。本文利用ADS100航攝儀集成有高精度POS系統(tǒng)的特點[3]，對ADS100航攝影像使用不同方式進行的空中三角測量精度進行分析，探討減少航測空中三角測量過程中地面控制點數(shù)量的方法，以期縮短項目工期、節(jié)約項目成本。

1 ADS100數(shù)字航攝儀簡介

ADS100數(shù)字航攝儀由瑞士徠卡公司于2013年推出，是世界上先進的推掃式航攝儀[5]。ADS100數(shù)字航攝儀集成了高精度的POS系統(tǒng)（包含慣性測量單元IMU和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS），采用三線陣CCD掃描，一次飛行可以同時獲取前視、下視和后視具有100%三度重疊的影像，其前視和下視具有高達0.8的基高比，能夠保證良好的高程精度。徠卡ADS100航攝系統(tǒng)所集成的POS精度為POS AV 610級別，可以獲取攝影瞬間相機精確的空間位置和姿態(tài)，為空中三角測量提供準確的外方位元素初值，POS AV 610的精度指標如表1所示。

表1 POS AV 610 絕對精度Tabel 1 Absolute accuracy of POS AV 610

2 試驗數(shù)據(jù)概況

2.1 攝區(qū)基本情況

選擇湖南省境內(nèi)的2個攝區(qū)數(shù)據(jù)進行試驗，2個攝區(qū)的航攝地面分辨率均為0.2 m，航攝時間均為2014年11月。攝區(qū)一為丘陵地形，攝影面積約1 400 km2，共11條航線，飛行方向為南北向，旁向重疊度30%，攝區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)了46個地面控制點；攝區(qū)二屬山地地形，攝影面積約1 000 km2，共10條航線，飛行方向為東西向，旁向重疊度35%，攝區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)了38個地面控制點。

2.2 機載IMU/GNSS數(shù)據(jù)處理情況

機載IMU/GNSS數(shù)據(jù)使用徠卡公司的Inertial Explorer（簡稱IE）軟件進行處理，攝區(qū)一利用湖南省CORS基站數(shù)據(jù)，采用差分GNSS方式對機載IMU/GNSS數(shù)據(jù)進行緊耦合處理，攝區(qū)二分別利用湖南省CORS基站數(shù)據(jù)和IGS精密星歷數(shù)據(jù)，采用差分GNSS和精密單點定位[6]2種方式對機載IMU/GNSS數(shù)據(jù)進行緊耦合處理。

3 空中三角測量結(jié)果及分析

空中三角測量使用徠卡公司的XPro軟件，平差時坐標系統(tǒng)采用CGCS 2000坐標系統(tǒng)，高程采用橢球高（可保證平差計算的數(shù)學(xué)嚴密性，后期可進行高程轉(zhuǎn)換）。攝區(qū)一分別按照使用較多控制點、使用少量控制點和無控制點三種不同的方案進行區(qū)域網(wǎng)平差，控制點布設(shè)方案如圖1所示（圖1中三角形為控制點，圓形為檢查點）。

圖1 攝區(qū)一三種控制點布設(shè)方案Fig.1 3 control point layout options of photography area I

第1種方案使用19個控制點，27個檢查點；第2種方案使用5個控制點，41個檢查點；第3種方案無控制點，46個全為檢查點。三種方案平差后控制點和檢查點的中誤差及最大值如表2所示。

表2 攝區(qū)一3種方案空三平差結(jié)果Table 2 Adjustment result of the photography area I m

從表中數(shù)據(jù)可以看出，3種方案的空三平差結(jié)果檢查點的平面和高程中誤差都在0.2 m左右，均小于空三規(guī)范[7]對1∶2 000比例尺丘陵地檢查點中誤差的要求（平面誤差為0.70 m、高程誤差為0.35 m）。因此，使用ADS100航攝影像進行空中三角測量，若采用差分GNSS方式處理機載IMU/GNSS數(shù)據(jù)，可以做到無控制點平差，其結(jié)果精度與使用大量控制點時基本一致，均能滿足規(guī)范要求，且空中三角測量結(jié)果的精度不隨地面控制點數(shù)量增加而提高。

攝區(qū)二對機載IMU/GNSS數(shù)據(jù)進行了差分GNSS和精密單點定位2種不同方式的處理，處理后均采用無控制點的空中三角測量方案，平差后38個檢查點的中誤差及最大值如表3所示。

表3 攝區(qū)二無控制點空三平差結(jié)果Table 3 Adjustment result without control points of photography area II m

從表中數(shù)據(jù)可以看出，2種方式的空三平差結(jié)果相差較大，采用差分GNSS方式處理機載IMU/GNSS數(shù)據(jù)時，檢查點的中誤差能夠滿足空三規(guī)范對1∶2 000比例尺山地檢查點中誤差的要求（平面誤差為1.0 m、高程誤差為0.8 m），采用精密單點定位方式處理機載IMU/GNSS數(shù)據(jù)時，雖然檢查點的中誤差也滿足了規(guī)范要求，但進一步分析發(fā)現(xiàn)，其結(jié)果存在一定系統(tǒng)誤差，如圖2所示。

圖2 精密單點定位無控制點空三平差后檢查點平面和高程殘差分布示意圖Fig.2 Distribution of horizontal and vertical residuals for checkpoints after adjustment without control point by accurate single-point positioning method

從圖2可見，空三結(jié)果的平面和高程都存在一定系統(tǒng)誤差，其原因是在采用精密單點定位方式處理機載IMU/GNSS數(shù)據(jù)時，IE軟件只進行了框架轉(zhuǎn)換，而未進行歷元轉(zhuǎn)換。CGCS 2000坐標系統(tǒng)采用的框架是ITRF97，歷元為2000.0，而IGS精密星歷的歷元為航攝當天（2014年11月），距離參考歷元已有14年之久。從中國在全球參考框架下的速度場[8]可以看出，該系統(tǒng)誤差的方向和大小與大陸板塊運動的方向和大小吻合（如圖3）。

圖3 中國大陸在全球參考框架下的速度場Fig.3 Velocity field of Chinese mainland under global reference frame

在采用精密單點定位方式處理機載IMU/GNSS數(shù)據(jù)時，本文對攝區(qū)二加入1個控制點進行空中三角測量，平差后37個檢查點的中誤差及最大值如表4所示。

加入1個控制點后，各檢查點的殘差分布如圖4所示。

從表4和圖4可以看出，在加入1個控制點后，空三平差結(jié)果已經(jīng)消除了系統(tǒng)誤差，其精度也滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。

圖4 精密單點定位加入1個控制點空三平差后檢查點平面和高程殘差分布示意圖Fig.4 Distribution of the horizontal and vertical residuals for checkpoints after adjustment with 1 control point by accurate singlepoint positioning method

表4 攝區(qū)二1個控制點空三平差結(jié)果Table 4 Adjustment result with 1 control point of photography area II m

4 結(jié)語

利用ADS100航攝影像，采用差分GNSS方式處理機載IMU/GNSS數(shù)據(jù)時，在無地面控制點的情況下達到了很高的空中三角測量精度，與使用大量控制點時精度相當；在采用精密單點定位方式處理機載IMU/GNSS數(shù)據(jù)時，空中三角測量結(jié)果存在一定的系統(tǒng)誤差，但通過加入1個控制點即可消除該誤差，上述2種方式的空中三角測量結(jié)果精度均能滿足國家規(guī)范要求。實驗結(jié)果表明，使用ADS100航攝影像進行無控制點或者少量控制點的空中三角測量是可行的，其結(jié)果精度可靠，滿足國家規(guī)范要求，可以應(yīng)用于生產(chǎn)作業(yè)。