IMU/DGPS輔助航空攝影測量實施流程與西安某測量案例分析研究

摘 要:IMU/GPS組合系統進行航空攝影測量成圖具有顯著優點，本文基于筆者多年從事航空攝影測量的相關工作經驗，以IMU/DGPS輔助航空攝影測量為研究對象，借助筆者具體參與的航攝項目，研究探討了該方法在具體工程的應用方式，論文首先分析了IMU/DGPS的優點，進而探討了IMU/DGPS輔助航空攝影測量的實施流程，在此基礎上，筆者結合工程案例，探討了具體的技術方案，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞:IMU/DGPS 航空攝影測量ＧＰＳ測量

中圖分類號:P2文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(a)-0094-02

1 IMU/DGPS組合系統的優點

我國自1989年開始GPS輔助空三方法的研究以來，已經取得了豐碩的成果，實現了僅需少量地面控制點(或者無需地面控制點)的航空攝影測量成圖，并應用于多個攝區的實際生產應用。既然采用GPS空三方法，僅用少量地面控制點及大量像片連接點就可以獲得幾何穩定的攝影測量解，為什么還要費錢費力地引入IMU設備(每套約10余萬美元)而采用IMU/DGPS輔助航空攝影測量呢?

根據國內外的研究以及生產的實踐檢驗證明，采用IMU/GPS組合系統進行航空攝影測量成圖具有如下顯著優點。

(1)提高GPS定位的精度和可靠性:GPS定位要求至少可以接收到4顆衛星的信號，但由于在航空攝影這種高動態環境下，GPS易失鎖。另外利用GPS載波相位觀測量進行精密定位，要求無周跳發生，然而動態環境中由于信噪比的下降及其它原因，易發生周跳.雖然目前己經有不少修復周跳和整周模糊度參數瞬時求解(ontheflyresolution)的方法，但這些方法的精度和可靠性在高動態環境下都有可能發生問題，定位結果的可靠性難以保證。由于IMU慣性測量單元的引入構成的GPS/INS捷聯導航測量系統組合對改善定位精度和可靠性非常有利。對于GPS載波相位測量，利用INS短時間內定位精度較高和數據高采樣率的特點，可以很好地解決GPS周跳和信號失鎖后整周模糊度參數的重新解算，提高GPS定位的精度和可靠性。

(2)解決GPS動態應用采樣頻率低的問題:對于航空相機曝光時刻的位置測定來說，GPS采樣頻率(一般最大為WHO，這樣如果在飛機飛行時速為540km/h(即150m/s)時，每次GPS采樣的間隔為15m。而現在實用的IMU/DGPS系統采樣頻率一般在64-256Hz之間，可見INU可以在GPS定位結果之間高精度內插出曝光事件發生的位置。

(3)IMU/DGPS輔助航空攝影測量與GPS輔助空三相比的優點:根據國內外的大量生產及實踐的經驗，I如引入后一般可以不必飛行GPS空三必須的構架航線。這將從航空攝影時間、材料費用、掃描加密及自動空三等多方面節省時間和經費。實際上幾個攝區的上述費用合起來已經比IMU的購買費用增加了。

GPS空三中需要進行的漂移誤差改正需要大量的地面高程控制點(或者構架航線)以及大量的像片連接點，只有這樣才可以獲得幾何穩定的攝影測量解。這種方法對于密林地區、流動沙丘等地區難以實現。而采用工MU數據后，由于可以獲得高精度的外方位元素初值，ISO所需的連接點數量和分布情況就不需要很多和很嚴格。

2 IMU/DGPS輔助航空攝影測量實施流程研究

圖1為IMU/DGPS輔助航空攝影測量工序流程圖。圖中白色框內表示該技術與傳統航空攝影測量相同的工序，灰色框內為該技術新增工序。可見采用該技術進行航測成圖，主要需完成如下工作:

1)航攝準備:包括資料搜集、航攝設計、航攝方法選擇、調機及空域協調、系統安裝測試、現場踏勘(視攝區情況及采用的航攝方案決定是否布設對空地標點)、DGPS基站建立及坐標測量、檢校場像片控制點布設及坐標測量以及可能需要的對空地標點測量等工作。

2)航空攝影:包括攝區空中攝影和檢校場攝影、機載GPS數據記錄、機載IMU數據記錄、地面DGPS基站同步觀測、攝影處理、攝影成果整理、質量檢查等工作。

3)IMU/DGPS數據后處理:包括檢校場航片掃描、檢校場空三解算、IMU/DGPS數據處理、偏心角系統誤差改正、以及每張像片外方位元素計算，提交數據成果及資料等工作。

4)內業測圖:根據測區情況及設計方案，進行內業測圖，如選用直接定向法(DG)，可應用每張像片的外方位元素成果直接安置建立立體模型進行測圖;或者采用IMU/DGPS輔助空三方法(ISO)，在每個加密分區加測一定數量的控制點(一般4～6個)，將基于IMU/DGPS技術直接獲取的每張像片的外方位元素，作為帶權觀測值與攝影測量區域網平差，或者更高精度的像片外方位元素成果，然后定向測圖。

3 工程概況

我單位執行的某航攝項目位于陜西中部地區。任務是:航空攝影、基準站的布設和測量、檢校場中檢校點地面標志布設和測量(這些作地面標志的點以下也可簡稱地標點)，檢校場附帶點的選定和測量，精度驗證區外業檢測點影像實地測量，詳細任務見表1。

4 IMU/DGPS技術方案

4.1 基站

IMU/DGPS輔助航空攝影測量的核心是獲取高精度的外方位元素，包括3個線元素和3個角元素。

其中線元素的獲取主要是通過差分GPS(DGPS)測量手段來獲取，這就需要在測區內或測區附近布設一定數量的具有作為整個測區首級控制點精度、用于與飛機上機載高精度GPS信號接收機同步進行觀測的GPS地面觀測站，簡稱GPS基站。通常情況下，移動站與基站間距離越大，用差分GPS方法得到的位置精度越低。因此根據航測項目所需的精度來確定布設了3個基站。

基準站名及其所在地見表2。

基準站建立后應拍攝基準站的數碼像片和基準站的景觀數碼像片。

4.2 檢校

由于IMU/DGPS系統測定的位置和姿態是慣性坐標系下的直接測量數據，即位置數據(X，Y，Z)以及姿態數據(pitch，roll，yaw)，而在實際生產中需要采用的是攝影測量坐標系下的精確外方位元素位置數據(X′，Y′，Z′)和姿態數據(φ，ω，κ)。為實現慣性坐標系到攝影測量坐標系下的轉換，通用的做法是采用飛行檢校場的方法來進行。因此，為確定姿態測量單元IMU與航攝儀之間的角度系統差(即偏心角)以及線元素分量偏移值，必須設立檢校場。即在一個有足夠數量精度較高控制點的試驗區進行檢校飛行，采用空三方法計算出每張像片的外方位元素，含投影中心的位置和姿態角(φ，ω，κ)。然后通過與IMU/DGPS測量獲得的位置和姿態數據(φ，θ，ψ)進行計算來求得偏心角及線元素分量偏移值的最佳估計，然后對整個攝區范圍加入偏心角系統差改正和線元素分量偏移值改正，得到無系統誤差的外方位元素成果。這樣只需在檢校場范圍內進行空三加密和外業控制測量，獲得系統誤差值得改正量，就可以實現在整個攝區的無(或少)地面控制的航空攝影測量。

檢校場布設在測區內和測區附近能夠實施野外像控測量的區域，按照攝區航攝比例尺設置4條相鄰的平行航線，每條航線不少于10個像對;航向重疊和旁向重疊均按正常重疊度設計;每個固定檢校場周邊布設4個平面、高程控制點，控制點點位與像片邊緣不小于1.5cm。

在進行檢校場控制點測量的同時，在檢校場范圍內明顯地物處布設了至少2個檢查點，以便檢校場空三結果的檢核。檢校點布設后應拍攝檢校點的數碼像片和檢校點的景觀數碼像片。為了檢核檢校區域的精度，在檢校場范圍內選擇成像清晰明顯的地物作為檢校場附帶點。每個檢校場選2個，共4個，按檢校點的要求進行觀測。在高于自然地面上布設標志(如在建筑物頂布標)，應量比高至0.1m并記錄在點之記中。附帶點布設后應拍攝附帶點的數碼像片和附帶點的景觀數碼像片。

4.3 GPS測量

每時段結束后要立即下載數據，進行轉換、檢查、備份。觀測時要認真量取GPS天線高，填寫觀測手簿。地面GPS接收機應與航攝飛機上的GPS接收機盡可能地同廠商，采用雙頻靜態同步觀測，觀測時采樣間隔設為1s，觀測時間從飛機滑行前10分鐘到降落靜止后10分鐘，一般長4～6h，GPS設定截至高度角為5°～10°。測前、測中、測后分別記錄觀測手簿，三次量測儀器高至毫米級，較差不大于2mm。

每個檢校場應單獨聯測成一個GPS網，網中含檢校場附帶點及國家大地點。該網和就近的1個基準站聯測。基準站應和GPS網內與基準站相近的2個點同步聯測。航攝開始前完成所有檢校點和檢校場附帶點的布設，其觀測可在航攝前后進行。

5 建議

(1)加密區的選擇要適當，跨度不宜過大，一般選取航線為4～6條，每條航線13～20片左右作為一個加密分區，每區應布設適量的檢查點。IMU/DGPS航空攝影中，平面精度容易達到要求，高程方面由于地形變化，而需要根據具體情況布設像控點，否則地勢平緩地區高程精度達不到要求。

(2)像控點的布設。IMU/DGPS輔助空中三角測量對丘陵地和山地而言，僅采用四角點布設平高控制點即可滿足航測成圖精度要求;平坦地區以加密區為單位，采用加密區域四角點+兩排高程點方案可滿足航測成圖精度要求;不規則區域須在其周邊增設像片控制點，山地和丘陵地一般在轉折處布設平高地面控制點，平地和凸轉折處布設平高地面控制點，凹轉折處1條基線時布設高程地面控制點。

(3)IMU/DGPS輔助航空攝影測量的特點除減少像控點的布設外，還有一個突出特點在于獲取的每張像片外方位元素的平面精度完全滿足航測成圖精度，可直接建立模型進行室內定位判調，然后到實地進行定性檢查，在很大程度上提高了調繪效率。

(4)DGPS計算精度與基站與飛機間距離有關系，距離越小，精度越高。

(5)采用直接定向法時，必須每架次飛行檢校場，檢校場必須與攝區同高度。而采用IMU/DGPS輔助空三時，由于基于少量幾個地面控制點(一般多于4個)進行加密后，可消除角度系統誤差和線元素分量偏移值帶來的影響，不必每架次飛行檢校場。

(6)檢校場可以設置在離攝區較遠的地方(200～300km)，也可以用攝區中任取4條航線(需足夠數量的地面控制點，一般多于6個)來代替。

總之，IMU/DGPS輔助空中三角測量正處于引進實際生產階段，有些技術問題有待于進一步探索研究，使其日臻完善。IMU/DGPS輔助空中三角測量技術含量高，涉及范圍廣，需要不同部門間的協作完成，相互間的技術交流是這項技術走向成熟的重要保障。

參考文獻

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[2]劉基余.GPS衛星導航定位原理與方法.北京:科學出版社，2003.

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