POS系統(tǒng)在空三加密中的應用與分析

龍海奎，曾慶友，吳珊

(烏魯木齊市城市勘察測繪院，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊 830000)

1 前言

隨著數(shù)碼航空攝影技術在測繪工作中的推廣，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)技術的廣泛應用，特別是精密空間定位系統(tǒng)(Positioning Orientation System，POS)技術的研發(fā)應用，提高了導航定位精度，數(shù)碼航空攝影質(zhì)量也大大提高。POS系統(tǒng)是高精度定位定向系統(tǒng)，集差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)技術和慣性導航技術于一體，可以獲取運動載體的空間位置和三軸姿態(tài)信息，也就是獲取瞬時攝影像片的空間位置和三軸姿態(tài)信息。系統(tǒng)包括GPS接收機和IMU(慣性測量單元)兩個部分，也稱GPS/IMU集成系統(tǒng)。

本文結(jié)合烏魯木齊高精度數(shù)碼航空攝影項目中采用POS技術的實踐，對東部區(qū)域航攝地面分辨率優(yōu)于20 cm的數(shù)碼航攝資料在航測內(nèi)業(yè)工作中的應用進行探討。

2 POS系統(tǒng)

在開展數(shù)碼航空攝影時，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個線元素)和姿態(tài)(3個角元素)，即像片定向的6個外方位元素，這樣在航測內(nèi)業(yè)時能恢復攝影時像片與地面的關系，從而進行像片的解析測量。這些參數(shù)的直接獲取給數(shù)字攝影測量帶來了深刻的影響，能夠極大減少乃至無需地面控制直接進行航空影像的空間地理定位，為航空影像的進一步應用提供快速、便捷的技術手段，部分數(shù)字攝影測量的算法，甚至是整個作業(yè)流程都面臨新的改進［1］。

3 技術分析

3.1 數(shù)碼航空攝影

烏魯木齊市數(shù)碼航空攝影使用UCX數(shù)碼航攝儀，采用焦距100.5 mm，像片像素 7.2 um，幅面6.8 cm×10.4 cm(解壓縮后數(shù)據(jù)量 400 M左右)，開展了3400 km2不同區(qū)域、地面分辨率分別優(yōu)于 20 cm、15 cm、10 cm的航空攝影，地面基準站采用烏魯木齊連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務系統(tǒng)(URCORS)參考站的數(shù)據(jù)進行攝影的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理，保證數(shù)碼航空攝影數(shù)據(jù)成果的準確、可靠。

3.2 坐標轉(zhuǎn)換

通過POS系統(tǒng)聯(lián)合平差計算的攝影瞬間像主點的坐標是由GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)驗算而來，其數(shù)據(jù)是采用國家大地坐標系(CGCS2000坐標系)的成果。目前無論在航測外業(yè)還是內(nèi)業(yè)測圖，所采用的坐標系主要是1954年北京坐標系、1980西安坐標系或地方獨立坐標系統(tǒng)，與攝影瞬間像點的坐標是不一樣的，為了使用攝影瞬間像片的位置(3個線元素)和姿態(tài)(3個角元素)，必須進行坐標轉(zhuǎn)換，在統(tǒng)一的坐標系內(nèi)進行航測內(nèi)業(yè)運算和測圖。

根據(jù)航測生產(chǎn)的目的，測繪成果服務城市規(guī)劃建設使用，需要將國家大地坐標系(CGCS2000坐標系)的攝站像主點坐標轉(zhuǎn)換成烏魯木齊市地方坐標系下的成果，依據(jù)URCORS系統(tǒng)的坐標轉(zhuǎn)換模型，將攝站像主點坐標統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到烏魯木齊地方坐標系下，坐標三維數(shù)學精度滿足生產(chǎn)需要［4］。

4 航測作業(yè)

4.1 外業(yè)像控點聯(lián)測

航測成圖采用地面分辨率優(yōu)于20 cm的數(shù)碼航攝資料，為提高工效，減輕外業(yè)作業(yè)強度，外業(yè)控制點布點采用區(qū)域網(wǎng)法，考慮常規(guī)作業(yè)，航線按每隔4條基線布設一對平高控制點。測區(qū)如圖1所示，3條航線。每條航線20個像對，共布設4排6列像控點。根據(jù)數(shù)碼航片的特點，結(jié)合外業(yè)像控點選刺，依據(jù)布點方案，噴繪布設像控點對應數(shù)碼像片的放大片(一般選擇A3幅面大小)，提供野外作業(yè)。

圖1 航線及像控點分布圖

外業(yè)像控點聯(lián)測采用URCORS技術，配置GNSS/GPS接收機、GPRS模塊、SIM卡等設備，首先獲得URCORS數(shù)據(jù)中心授權的用戶名、密碼、IP地址、端口設置等參數(shù)，接入CORS中心，開展網(wǎng)絡RTK作業(yè)，直接得到像控點在烏魯木齊地方坐標系下的坐標測量數(shù)據(jù)。

4.2 解析空三加密

(1)技術分析及作業(yè)流程

空三加密是航測內(nèi)業(yè)測圖的第一道工序，是測圖的數(shù)學基礎，采用VirtuoZo AAT 3.4和PATB軟件空三加密作業(yè)，流程如圖2所示。應用VirtuoZo 3.7全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)采集1∶1000比例尺地形圖數(shù)據(jù)。

空三加密軟件利用影像處理和多影像匹配技術自動完成像對連接點的點位選擇和自動轉(zhuǎn)換點，但由于攝影區(qū)域的多樣性，造成影像中存在諸如遮擋、紋理缺乏、影像變形等情況，由于是軟件自動選取連接點，就會存在點位不好、不清晰和錯點等問題，而在空三加密中像片選點和轉(zhuǎn)點是質(zhì)量控制過程中非常重要的環(huán)節(jié)，要求在連接點編輯環(huán)節(jié)必須一對一進行相對定向點位的檢查，保證每個像對標準點位有連接點，點位分布均勻，連接點一般不少于30點。

圖2 空三加密作業(yè)流程(常規(guī)和配置POS系統(tǒng))

(2)作業(yè)

根據(jù)VirtuoZo AAT 3.4和PATB軟件進行空三加密作業(yè)，首先按常規(guī)方法進行區(qū)域網(wǎng)加密，解算加密點成果。然后依據(jù)POS系統(tǒng)參數(shù)設置，進行加帶POS系統(tǒng)的區(qū)域網(wǎng)加密，解算加密點成果。考慮POS系統(tǒng)參與解算，空三加密時分兩種情況進行作業(yè)，一是選擇10條基線布設一對像控點的方案進行加密，二是選擇20條基線布設一對像控點的方案進行加密，分別解算加密成果，最后進行精度分析。

(3)精度分析

空三加密成果有3個，分別是常規(guī)空三加密(不加POS系統(tǒng)，4條基線布設一對像控點的區(qū)域法)、加帶POS系統(tǒng)的空三加密(10條基線布設一對像控點的區(qū)域法)和加帶POS系統(tǒng)的空三加密(2條基線布設一對像控點的區(qū)域法)，在帶POS系統(tǒng)空三加密中，通過多次作業(yè)，反復驗證發(fā)現(xiàn)有GPS獲取的外方位線元素比慣性導航IMU獲取的角元素對空三加密精度的影響值大而且有效。在測區(qū)均勻的選取了12個野外檢查點與內(nèi)業(yè)加密點進行數(shù)值比較和精度分析，精度指標統(tǒng)計如表1所示。

與此同時，利用3個空三加密成果，選擇同一區(qū)域進行1∶1000比例尺航測內(nèi)業(yè)數(shù)字化成圖，通過野外散點檢測區(qū)域內(nèi)地物和地貌點的數(shù)學精度，精度統(tǒng)計如表2所示。

空三加密精度分析統(tǒng)計表(單位/m) 表1

航測圖野外檢測精度統(tǒng)計表(單位/m) 表2

從表1、表2可以看出，三種加密成果的野外檢查點的誤差在限差內(nèi)，常規(guī)空三加密成果所成大比例尺地形圖的高程檢測誤差超過限差值，而帶POS系統(tǒng)空三加密成果所成大比例尺地形圖的平面、高程檢測誤差均在限差內(nèi)，數(shù)學精度滿足規(guī)范的技術指標，適合技術生產(chǎn)。從檢查點和航測成圖的數(shù)學精度分析中可以看到帶POS系統(tǒng)后，空三加密數(shù)學精度有所提高，特別是在高程精度方面效果顯著，滿足大比例尺航測成圖規(guī)范要求。

5 結(jié)論

通過常規(guī)空三加密和帶POS系統(tǒng)空三加密在大比例尺航測成圖中的實踐應用，可以看到，帶POS系統(tǒng)后，空三加密精度有所提高，適合城市大比例尺航測成圖工作需要。而且在使用POS系統(tǒng)后，減少了的野外像控點的布點數(shù)量，布點方案靈活，產(chǎn)品的質(zhì)量準確、可靠，提高了工作效率和效益。

［1］郭大海，王建超，鄭雄偉.機載POS系統(tǒng)直接地理定位技術理論與實踐［M］.北京:地質(zhì)出版社，2009

［2］王鐵軍，鄭福海，王俊杰.IMU/DGPS輔助空中三角測量精度分析［J］.地理信息世界，2009(8)

［3］陳宇彤，鄧權，黃紹美.GPS輔助空中三角測量在大比例尺地形圖中的應用［J］.測繪與空間地理信息，2010(3)

［4］龍海奎，白鋒.烏魯木齊區(qū)域地理框架坐標建設的探討［J］.城市勘測，2009(4)

［5］袁修孝.GPS輔助空中三角測量原理及應用［M］.北京:測繪出版社，2001

［6］適普軟件有限公司.自動空中三角測量軟件使用手冊［Z］.