輕小型航空遙感系統(tǒng)空對地檢校試驗(yàn)分析

韓曉冬，楊 娜，3，劉力榮，關(guān)艷玲

（1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266510；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100039；3.北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司，北京 100039）

一、引 言

機(jī)載POS直接地理定位技術(shù)的核心是通過建立檢校場，檢校IMU與航攝儀軸系之間安裝的系統(tǒng)誤差，進(jìn)而通過嚴(yán)密檢校模型，將POS獲取的定向、定位參數(shù)轉(zhuǎn)換成攝影測量需要的外方位元素。一旦直接地理定位精度滿足要求，就會大大減少航空攝影測量的成本和工作量。檢校場的布設(shè)對于后續(xù)工作有很大的影響，因此必須結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需求，設(shè)計符合要求的檢校場。檢校場的布設(shè)包括:檢校場的選址、地面基準(zhǔn)站的布設(shè)和觀測、檢校場控制點(diǎn)的布設(shè)和量測、精度驗(yàn)證區(qū)檢查點(diǎn)的布設(shè)和量測。相應(yīng)要考慮基站點(diǎn)、控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)布設(shè)數(shù)量及控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)布設(shè)標(biāo)志，并根據(jù)最終成圖比例尺要求提出航攝飛行方案，包括構(gòu)架航線數(shù)目、航高、攝影比例尺等。本文從以上幾個方面提出滿足項(xiàng)目需要的空對地檢校場布設(shè)方案，并用最終空三解算的精度驗(yàn)證布設(shè)方案的合理性。通過比較國內(nèi)外POS直接地理定位采集驗(yàn)證區(qū)檢查點(diǎn)精度，評價國產(chǎn)POS直接地理定位精度。

二、檢校場布設(shè)概況及飛行方案

1.檢校場的要求及選址

檢校場空域要求最好是1000 m以下的開放性空域。檢校場地內(nèi)地面植被不是很密集，不要有大面積的水域或成片的水域，可以包括平地、丘陵、部分山區(qū)；場地外附近應(yīng)有一定的水域（最小為100 m×5 m）方便起降飛機(jī)，場地離機(jī)場距離較近且交通方便，以便于運(yùn)輸設(shè)備和場地內(nèi)作業(yè)。

為了最大限度地保護(hù)地標(biāo)，場地最好遠(yuǎn)離居民區(qū)；檢校場空域地面范圍為10 km×3 km。

按照以上要求，檢校場選擇河南平頂山，范圍為南北向距離3 km，東西向距離5 km，區(qū)內(nèi)以平地為主，最低高程75 m，最大高程170 m。精度驗(yàn)證區(qū)南北距離1.5 km，東西距離2 km。具體范圍如圖1所示。

圖1 檢校場及精度驗(yàn)證區(qū)分布示意圖

2.航線設(shè)計

根據(jù)試驗(yàn)，使用中國測繪科學(xué)院研制的國產(chǎn)SWDC攝影儀的參數(shù)、成圖比例尺及檢校場范圍進(jìn)行設(shè)計。

SWDC 4個獨(dú)立參數(shù)分別為:焦距f=50.2 mm、CCD 尺寸δ=6.8 μ、M=14.5 K、N=10 K。因此航攝儀獲取影像大小為10000像素×14500像素的窄像對。根據(jù)不同成圖比例尺要求，1∶500檢校場設(shè)計5條東西向航線，每條航線21張像片。1∶1000設(shè)計3條航線，每條航向相應(yīng)12張影像。航向重疊度為65%，旁向重疊度為60%。檢校場設(shè)計依據(jù)參數(shù)見表1。

表1 航線設(shè)計依據(jù)

3.控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)和基站布設(shè)以及施測方案

集成系統(tǒng)的檢校需要以檢校場空三結(jié)果作為真值，并結(jié)合POS獲取數(shù)據(jù)，確定POS與航攝儀之間的檢校參數(shù)，因此空三的精度很重要。試驗(yàn)中采取GPS輔助空三的結(jié)果作為檢校模型的真值。研究表明:無構(gòu)架航線時，采用IMU/GPS輔助空三加密，一般平面控制點(diǎn)應(yīng)多于6個，高程控制點(diǎn)應(yīng)多于13個［1］。結(jié)合試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)高精度大比例尺測圖的要求，布設(shè)24個平高點(diǎn)。

檢查點(diǎn)布設(shè)以均勻分布精度驗(yàn)證區(qū)，并保證每張影像不少于30點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)。考慮實(shí)際項(xiàng)目需要，以及檢查點(diǎn)的長久重復(fù)可用性、檢校的精度等因素，在精度驗(yàn)證區(qū)布設(shè)不少于100個檢查點(diǎn)。

基站布設(shè)的合理性主要從兩方面討論:①基站與測區(qū)的合理距離；②當(dāng)多個基站都獲得了符合精度的GPS成果時，應(yīng)選擇其中一個還是多個基站的聯(lián)合組網(wǎng)平差結(jié)果作為最終DGPS結(jié)果。

試驗(yàn)表明:機(jī)載GPS接收機(jī)的差分定位精度與基站距離正相關(guān)，即基站離飛機(jī)距離越遠(yuǎn)，差分GPS得到的位置精度就越低。當(dāng)基站距離飛機(jī)60 km以內(nèi)時，DGPS精度在厘米級（即優(yōu)于0.1 m）；當(dāng)基站距離飛機(jī)在400 km以內(nèi)時，DGPS精度優(yōu)于0.5 m；當(dāng)基站距離飛機(jī)600 km以內(nèi)時，DGPS精度優(yōu)于10 m。而采用單基站或多基站組網(wǎng)平差精度相當(dāng)。

因此，試驗(yàn)中將基站布設(shè)在檢校區(qū)內(nèi)，且與測區(qū)距離不大于60 km。測區(qū)布設(shè)兩個GPS基站，并采用距離測區(qū)最近的基站進(jìn)行差分計算，另一基站數(shù)據(jù)用于復(fù)核。

控制點(diǎn)、加密點(diǎn)以及基站布設(shè)如圖2所示?？刂泣c(diǎn)測量采用Trimble 5700接收機(jī)，測量時間不低于1 h，天線高測量方式為斜高，采樣頻率15 s，加密點(diǎn)采用8 min快速GPS靜態(tài)解算。

GPS采集數(shù)據(jù)用TGO與Grafnet兩種軟件同時處理，相差毫米級。TGO得到WGS-84系下大地坐標(biāo)（B，L，H），經(jīng)過高斯投影得到平面坐標(biāo)（x，y，H）。

圖2 控制點(diǎn)、加密點(diǎn)及基站分布圖

4.地標(biāo)設(shè)計

光學(xué)地標(biāo)一般選擇7～10個像元的圓形黑白相間（內(nèi)黑外白）的標(biāo)志，筆者以8個GSD為準(zhǔn)選擇。故地面標(biāo)志點(diǎn)的物理尺寸為:1∶500測圖為0.06×8=0.48 m，1∶1000測圖為0.1×8=0.8 m。

綜上所述，可以將地標(biāo)設(shè)計為外面是1 m×1 m的正方形，里面直徑為0.8 m的黑色圓形，其余為白色木板。地標(biāo)以黑白相間的圖案為主，示意圖如圖3所示。

圖3 地標(biāo)圖

5.檢校飛行方案

在檢校場獲取數(shù)據(jù)時，飛行高度盡可能與航攝分區(qū)的飛行高度一致。實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，在保持檢校場的飛行高度與航攝分區(qū)作業(yè)高度一致的情況下，還存在多種檢校場的飛行方案，如在常規(guī)航線作業(yè)前飛行檢校場、常規(guī)航線之后飛行檢校場、常規(guī)航線作業(yè)前后各飛行一條檢校場航線等。試驗(yàn)表明，聯(lián)合檢校的方法與單一的前檢校或后檢校方法進(jìn)行精度比較，精度相近。

結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)測區(qū)范圍，采用前檢校方法。從嚴(yán)密檢校的原則出發(fā)，采用DG方法時每架次進(jìn)行檢校場飛行。

三、系統(tǒng)檢校精度

在計算集成系統(tǒng)檢校參數(shù)時，需要外方位元素真值。通過對比分析，GPS輔助空三與純空三計算精度相當(dāng)，前者精度稍高，因此選擇GPS輔助空三結(jié)果作為真值。在同一空三方式下，選擇不同檢查點(diǎn)個數(shù)進(jìn)行空三結(jié)果比較，檢查點(diǎn)數(shù)目對空三精度影響較小。以下結(jié)果為同樣的空三方式，即均為GPS輔助空三，將控制點(diǎn)全部用于定向點(diǎn)，兩次試驗(yàn)均按照1∶500成圖要求設(shè)計的航線進(jìn)行飛行試驗(yàn)。

POS AV610后處理標(biāo)準(zhǔn)差:位置0.05～0.3 m，速度0.005 m/s，水平姿態(tài)橫滾俯仰角0.002 5°，航向角0.005°，漂移小于0.01（°）/h。國產(chǎn)激光陀螺POS（TX-R20）技術(shù)指標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)差）:位置0.05 m，速度 0.01 m/s，方位 0.005°，姿態(tài) 0.002 5°，IMU 重量6.7 kg。圖4為空三輸出航線及其定向點(diǎn)、檢查點(diǎn)分布狀況圖。

圖4 控制航線及定向點(diǎn)、檢查點(diǎn)分布圖

GPS輔助空三解算精度見表2。

表2 兩次試驗(yàn)空三解算定向點(diǎn)精度 m

從以上兩次試驗(yàn)空三解算的結(jié)果可以看出，檢校場控制點(diǎn)的布設(shè)是符合要求的。平面和高程精度均在2～5 cm。檢校場布設(shè)的合理性以及檢校模型的嚴(yán)密與否，還需要檢校參數(shù)解算的精度和最終直接地理定位的精度予以驗(yàn)證。

在空三解算精度滿足要求的前提下，進(jìn)行相應(yīng)集成系統(tǒng)檢校參數(shù)的計算。集成檢校參數(shù)實(shí)際是IMU中心與相機(jī)中心之間的安裝系統(tǒng)誤差，包括3個線元素和3個角元素。對兩次試驗(yàn)進(jìn)行檢校參數(shù)解算并評定其精度，見表3。

表3 檢校參數(shù)解算結(jié)果及精度

檢校參數(shù)均值是指各曝光點(diǎn)時刻解算的檢校參數(shù)的平均值。標(biāo)準(zhǔn)差通過每個曝光點(diǎn)時刻的檢校參數(shù)與均值比較解算得到。以Δφ為例，其標(biāo)準(zhǔn)差計算公式為

從以上結(jié)果可以看出，兩次POS試驗(yàn)獲取的POS數(shù)據(jù)與相應(yīng)空三獲取的外方位元素真值進(jìn)行嚴(yán)密計算，得到的集成系統(tǒng)之間的系統(tǒng)檢校參數(shù)的精度相當(dāng)且較高。偏心距在2～7 cm，偏心角檢校精度在千分之二到千分之五之間。

四、直接地理定位精度

此次試驗(yàn)中，按照1∶500比例尺設(shè)計飛行，檢校場布設(shè)5條航線，每條航線獲取26張影像。為保證試驗(yàn)的嚴(yán)密性，先將第4、5兩條航線，每條航線26張影像作為兩個精度驗(yàn)證分區(qū)，并將前3條航線作為檢校場獲取檢校參數(shù)。驗(yàn)證分區(qū)獲取的POS數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)檢校參數(shù)改正，轉(zhuǎn)換為航空攝影需要的影像外方位元素。在JX4-G上直接安置定向，建立立體模型，并采集外業(yè)檢查點(diǎn)。將內(nèi)業(yè)采集檢查點(diǎn)與野外GPS觀測解算得到的檢查點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行比較，剔除粗差點(diǎn)，評定采集檢查點(diǎn)精度，即直接地理定位的精度，野外原始檢查點(diǎn)精度可達(dá)厘米級。評定精度的計算公式如下

式中，n為采集檢查點(diǎn)數(shù)量；MS為平面標(biāo)準(zhǔn)差；MZ為高程標(biāo)準(zhǔn)差。

對國內(nèi)外兩種POS獲取的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行檢校模型轉(zhuǎn)換，并分別在JX4-G上立體測圖，根據(jù)精度計算公式進(jìn)行精度評定。

POS AV610DG結(jié)果:所測驗(yàn)證分區(qū)24個檢查點(diǎn)與外業(yè)實(shí)測的平面中誤差為0.13 m，高程中誤差為0.22 m，平面最大差值為0.3 m，高程最大差值為0.4 m。

國產(chǎn)北航研制POS DG結(jié)果:所測驗(yàn)證分區(qū)24個檢查點(diǎn)與外業(yè)實(shí)測的平面中誤差為0.15 m，高程中誤差為0.23 m，平面最大差值為0.4 m，高程最大差值為0.5 m。

兩種POS直接地理定向精度見表4。

表4 國內(nèi)外兩種POS直接地理定向精度比較 m

從以上采集檢查點(diǎn)精度看出，兩種POS直接地理定向精度相當(dāng)，均符合1∶500成圖規(guī)范平面0.175 m，高程0.28 m（丘陵）的精度要求。

五、結(jié)束語

本文在已有檢校場布設(shè)方案、飛行以及基站、控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)布設(shè)的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目要求，重點(diǎn)給出該項(xiàng)目檢校場布設(shè)方案，并結(jié)合不同試驗(yàn)的空三解算精度評定檢校場布設(shè)合理性。根據(jù)檢校獲取參數(shù)的精度，評定檢校模型的嚴(yán)密性。最終，通過JX4-G攝影測量工作站構(gòu)建立體模型，采集檢查點(diǎn)分別對兩次國內(nèi)外不同POS試驗(yàn)，在相同檢校條件下，進(jìn)行直接地理定位的精度評定。從檢校參數(shù)以及采集檢查點(diǎn)的精度比較結(jié)果可知，國產(chǎn)POS完全可以達(dá)到國外成熟POS直接地理定位精度，并且完全可以滿足大比例尺成圖的精度要求。

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