免像控航空攝影測(cè)量技術(shù)精度分析
——以國(guó)產(chǎn)TWX-09B 型組合導(dǎo)航系統(tǒng)為例

王小麗，王春來(lái)*，王 斐，劉俊龍

（1.廣州南方測(cè)繪科技股份有限公司，廣州 510663；2.東方通用航空攝影有限公司，太原 030031）

近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展及IMU-GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的位置和姿態(tài)精度不斷提高的同時(shí)，其生產(chǎn)成本也大幅度下降，使IMU-GPS 組合導(dǎo)航技術(shù)的普及應(yīng)用成為可能。基于IMU-GPS 組合導(dǎo)航的免像控航空攝影測(cè)量技術(shù)成為國(guó)內(nèi)應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)[1-4]。但是對(duì)比近幾年國(guó)內(nèi)研究文獻(xiàn)[5-10]，發(fā)現(xiàn)其采用的方法均為國(guó)外和國(guó)內(nèi)的GPS 動(dòng)態(tài)后處理（PPK）技術(shù)，針對(duì)國(guó)內(nèi)IMU-GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用研究較少。

川氣東送二線天然氣管道工程項(xiàng)目，采用了國(guó)產(chǎn)IMU-GPS 組合導(dǎo)航的免像控航空攝影測(cè)量技術(shù)，完成了長(zhǎng)度487 km，面積487 km2航空攝影和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的獲取，并完成了數(shù)字表面模型（DSM）和數(shù)字正射影像圖（DOM）成果的制作。文章選取了其中44 km2的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終證明，免像控航空攝影測(cè)量技術(shù)方法不僅快捷高效，而且精度可靠。同時(shí)說(shuō)明，國(guó)產(chǎn)TWX-09B 型組合導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可靠穩(wěn)定而且精度高，達(dá)到甚至超過(guò)了國(guó)際領(lǐng)先水平。

1 IMU-GPS 組合導(dǎo)航技術(shù)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）的組成由陀螺儀、加速度計(jì)及相關(guān)的輔助電路構(gòu)成，簡(jiǎn)稱慣性測(cè)量單元（IMU）。IMU高精度慣性測(cè)量單元，不依賴于任何外界信息連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間自主導(dǎo)航，可以提供多種導(dǎo)航信息如位置、速度、航程、航向、水平基準(zhǔn)和方位基準(zhǔn)，且精度可靠。

IMU-GPS 組合導(dǎo)航把無(wú)線電導(dǎo)航長(zhǎng)期精度高與慣性導(dǎo)航短期精度高和不受干擾的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合了起來(lái)，因此，GPS 與IMU 的組合被認(rèn)為是導(dǎo)航領(lǐng)域最佳的組合方式。

將IMU-GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)與激光雷達(dá)、航攝儀緊密固連，可準(zhǔn)確測(cè)定航攝儀和激光雷達(dá)的姿態(tài)參數(shù)，通過(guò)對(duì)IMU、GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，可快速獲取每張航片高精度的外方位元素和激光雷達(dá)中心的實(shí)時(shí)位置及姿態(tài)信息。

2 SZT-R1000 移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（Mobile Mapping System，MMS），集成了全球定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航、三維激光掃描儀、影像系統(tǒng)和里程計(jì)等傳感器的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，是當(dāng)今測(cè)繪界最前沿的技術(shù)之一，代表著未來(lái)測(cè)繪領(lǐng)域的發(fā)展主流。SZT-R1000 移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，是南方測(cè)繪控股子公司征圖三維（北京）激光技術(shù)有限公司研發(fā)，作為一款高性能的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，集成了RIEGL VUX-1LR22 激光掃描儀，一臺(tái)1 億像素的Phase 相機(jī)，并搭載了中國(guó)航天33 所的TWX-09B 型IMU-GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

RIEGL VUX-1LR22 是一款輕便小巧的機(jī)載激光雷達(dá)，可以搭載在多種平臺(tái)上，輕松應(yīng)對(duì)各種項(xiàng)目。RIEGL VUX-1LR22 的設(shè)計(jì)充分考慮了平臺(tái)的特點(diǎn)，具體的約束和飛行特性，能以任意方向進(jìn)行安裝。其低功耗的特點(diǎn)，使得整個(gè)設(shè)備僅需采用單一電源供電，從而大大減輕了整個(gè)系統(tǒng)的重量，滿足了平臺(tái)苛刻的載荷要求。測(cè)量過(guò)程中獲取的數(shù)據(jù)都保存在VUX-1LR22 內(nèi)置的1 TB 固態(tài)硬盤上?；赗IEGL 獨(dú)一無(wú)二的回波數(shù)字化和在線波形處理技術(shù)VUX-1LR22 可實(shí)現(xiàn)高精度的激光測(cè)量，即使在大氣條件不佳的情況下也可以獲得高質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果，并且可識(shí)別多目標(biāo)回波。VUX-1LR22 采用超高速旋轉(zhuǎn)鏡掃描，產(chǎn)生完全線性、單向、平行的掃描線，進(jìn)而獲得極好的均勻分布的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。RIEFL VUX-LR22 激光掃描儀最大激光發(fā)射頻率為1 500 KHZ，最大視場(chǎng)角360°，可接收無(wú)窮次回波，測(cè)量速率200 線/s，最大測(cè)距為1 845 m。

Phase One 是世界領(lǐng)先的中畫(huà)幅數(shù)碼攝影系統(tǒng)及專為攝影師提供成像解決方案和工業(yè)應(yīng)用的供應(yīng)商。Phase 相機(jī)因其畸變小、像素高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到航空攝影測(cè)量中，其主要技術(shù)參數(shù)如下。面陣尺寸：53.4 mm×40.4 mm；像元大?。?.6 μm；像素?cái)?shù)：8 708×11 608；感光度（ISO）：35～800；曝光時(shí)間：最快可達(dá)1/4 000s；焦距：40 mm；最快曝光速度：2 s/幅。

中國(guó)航天33 所的TWX-09B 型IMU-GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)，是中國(guó)航天集團(tuán)自主研發(fā)的航天級(jí)別的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其主要參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 TWX-09B 型IMU-GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)主要精度表

3 搭載平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)選用美國(guó)羅賓遜R44 直升機(jī)作為航測(cè)平臺(tái)。美國(guó)羅賓遜直升機(jī)公司生產(chǎn)的R44 輕型直升機(jī)于1996 年正式投入市場(chǎng)，因其廣泛的通用性，得到了世界各地的認(rèn)可，其特點(diǎn)為靈活機(jī)動(dòng)，安全系數(shù)高。日常巡航速度可達(dá)180 km/h，最大航程達(dá)640 km，最大爬升率超過(guò)4 000 m。經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)區(qū)最大高差的分析評(píng)估，試驗(yàn)區(qū)選擇羅賓遜R44 直升機(jī)可滿足航攝要求。

4 航飛注意事項(xiàng)

飛行期間機(jī)載GPS 接收機(jī)最小采樣間隔不應(yīng)大于1 s。

起降場(chǎng)地應(yīng)避免附近有高大樹(shù)木或建筑物等遮擋，以免造成GPS 衛(wèi)星信號(hào)失鎖。

飛機(jī)上升、下降速率不大于10 m/s，以免造成GPS衛(wèi)星信號(hào)失鎖；航線彎曲度一般不大于1%，當(dāng)航線長(zhǎng)度小于5 km 時(shí)，航線彎曲度不大于3%。

在一條航線上連續(xù)達(dá)到或接近最大航偏角的像片數(shù)不應(yīng)大于3 片；在一個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)最大旋偏角的像片數(shù)不應(yīng)大于測(cè)區(qū)像片總數(shù)的4%。

為避免IMU 誤差積累，每次直線飛行時(shí)間不宜大于30 min，以25 min 為佳。

航攝飛行過(guò)程中應(yīng)及時(shí)觀察系統(tǒng)工作情況，重點(diǎn)觀察POS 系統(tǒng)信號(hào)狀況、回波接收狀況、數(shù)據(jù)質(zhì)量狀況和實(shí)時(shí)天氣狀況，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)處理或記錄出現(xiàn)的問(wèn)題，決定是否當(dāng)場(chǎng)補(bǔ)攝或重飛。

5 實(shí)驗(yàn)技術(shù)流程

本文以SZT-R1000 移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的IMU-GPS 組合導(dǎo)航技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)獲取的同組影像數(shù)據(jù)，按照不同處理方式進(jìn)行數(shù)據(jù)加工，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了多種方式下的免像控航空攝影測(cè)量成果的平面及高程精度。第一組實(shí)驗(yàn)是基于獲取航片的高精度位置信息，進(jìn)行免像控高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)和DOM 生產(chǎn)；第二組實(shí)驗(yàn)是基于航片的高精度位置及姿態(tài)信息，進(jìn)行免像控高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)和DOM 生產(chǎn)。最終分析2 種免像控模式下生成的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)和DOM 數(shù)據(jù)的高程和平面精度。

5.1 數(shù)據(jù)獲取

測(cè)試區(qū)域面積44 km2，采用有人直升機(jī)R44 搭載SZT-R1000 移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行影像和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取。數(shù)據(jù)獲取時(shí)SZT-R1000 移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 SZT-R1000 移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置

5.2 數(shù)據(jù)加工流程

DOM/DSM 生產(chǎn)需要的資料包括原始航片、POS數(shù)據(jù)。DOM/DSM 生產(chǎn)的總體工藝流程如下。

在Global Mapper 軟件中疊加POS，按照航線進(jìn)行挑片處理，去除影像過(guò)密區(qū)域，轉(zhuǎn)彎掉頭區(qū)域影像，盡量保證相片覆蓋大于攝區(qū)范圍。

利用影像勻光GeoDodging 軟件對(duì)原始影像進(jìn)行云光勻色處理。

利用Agisoft Metashape 軟件導(dǎo)入勻色后的影像和pos 進(jìn)行空三處理，生成密集點(diǎn)云，生成DSM 和DOM。

利用Global Mapper 對(duì)DOM 進(jìn)行分幅裁切，對(duì)不同加密分區(qū)分幅影像進(jìn)行接邊處理，確保各個(gè)加密分區(qū)之間DOM 無(wú)縫銜接。再對(duì)拼接、整飾合格的影像數(shù)據(jù)開(kāi)展分幅裁切，按照出圖要求，生成合格產(chǎn)品。DOM數(shù)據(jù)的具體生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示。

圖1 DOM 生產(chǎn)流程圖

5.3 2 種模式生產(chǎn)DOM/DSM 精度分析

按照基于高精度位置信息免像控生產(chǎn)DOM/DSM和基于高精度位置及姿態(tài)信息免像控生產(chǎn)DOM/DSM的2 種模式，分別對(duì)外業(yè)采集的764 張航片進(jìn)行數(shù)據(jù)加工，數(shù)據(jù)加工采用Agisoft Metashape 軟件進(jìn)行，最終部分處理報(bào)告如圖2 所示。

圖2 中影像攝影中心z值誤差用橢圓顏色來(lái)表示，x/y誤差用橢圓形狀來(lái)表示，從空三報(bào)告中的影像位置誤差評(píng)估圖可以看出，2 種免像控模式下z值誤差最大值均不大于2.5 cm，x/y的誤差均小于z值的誤差，從而說(shuō)明國(guó)產(chǎn)國(guó)產(chǎn)TWX-09B 型組合導(dǎo)航系統(tǒng)的軌跡經(jīng)過(guò)事后差分處理的位置和姿態(tài)精度均小于2.5 cm，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

表3 中可以看出，基于高精度位置及姿態(tài)信息免像控生產(chǎn)DOM 的方法，平面精度均優(yōu)于基于高精度位置信息免像控生產(chǎn)DOM 的方法，且2 種模式空三后的平面位置精度均優(yōu)于1 cm。

通過(guò)RTK 采集的40 個(gè)已知特征點(diǎn)的平面和高程數(shù)據(jù)，分別和2 種模式下生產(chǎn)的DOM/DSM 進(jìn)行對(duì)比，基于高精度位置及姿態(tài)信息免像控生產(chǎn)DOM/DSM 的方法，DOM 統(tǒng)計(jì)中誤差為±0.13 m，DSM 統(tǒng)計(jì)中誤差為±0.23 m；基于高精度位置信息免像控生產(chǎn)DOM/DSM 的方法，DOM 統(tǒng)計(jì)中誤差為±0.17 m，DSM 統(tǒng)計(jì)中誤差為±0.56m。2 種模式生產(chǎn)的DSM 效果圖如圖3 所示。

圖3 2 種模式生產(chǎn)DSM 效果圖

6 結(jié)論

2 種模式免像控技術(shù)生產(chǎn)的DOM 數(shù)據(jù)，平面精度相差不大，均能滿足國(guó)家大比例尺航測(cè)規(guī)范要求；但基于高精度位置及姿態(tài)信息免像控技術(shù)生產(chǎn)DSM 數(shù)據(jù)的高程精度優(yōu)于基于高精度位置信息免像控技術(shù)，且基于高精度位置及姿態(tài)信息免像控技術(shù)生產(chǎn)DSM 數(shù)據(jù)更接近于激光雷達(dá)實(shí)測(cè)的高程值，并滿足國(guó)家大比例尺航測(cè)規(guī)范要求。同時(shí)說(shuō)明國(guó)產(chǎn)IMU-GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度可靠、穩(wěn)定，達(dá)到甚至優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品的精度水平。

7 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)證明基于國(guó)產(chǎn)TWX-09B 型IMU-GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)免像控航空攝影測(cè)量技術(shù)，平面精度高，能滿足國(guó)家大比例尺航測(cè)規(guī)范要求。對(duì)基于高精度位置、姿態(tài)信息免像控技術(shù)生產(chǎn)DOM/DSM 測(cè)量技術(shù)的推廣，具有一定的指導(dǎo)意義。將改變長(zhǎng)期以來(lái)航空攝影測(cè)量嚴(yán)重依賴地面像控的現(xiàn)狀，免像控技術(shù)的推廣將大幅縮短制圖周期、解決森林、高山、沙漠和水域等人跡罕至地區(qū)快速獲取大比例尺基礎(chǔ)地理信息的難題，有利于新型基礎(chǔ)測(cè)繪和實(shí)景三維中國(guó)的建設(shè)需求，有利于國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。