國產POS與國產相機集成檢校精度分析

成 樞，任國慶，黃 剛，張艷亭

(山東科技大學測繪科學與工程學院，山東青島266510)

一、引 言

傳統的航空攝影測量需要在測區布設大量的控制點，并且通過空三加密來反求出每張像片的6個外方位元素才能進行內業測圖［1］。之后出現的GPS輔助空中三角測量在一定程度上減少了控制點的數量，從而削減了人力、物力、財力的支出，但終因無法解決像片的定向參數問題而依然無法擺脫地面控制點的束縛。集成IMU和GPS的POS系統可以獲得相機曝光時刻每張像片的6個外方位元素，從而在理論上將擺脫地面控制點而直接進行測圖變為可能。

本文以國產POS與國產航空相機為例，分析了該集成系統用于航空攝影直接成圖的精度。

二、集成系統的構成及工作原理

IMU/DGPS集成系統硬件主要包括IMU、PCS、機載GPS接收機、地面基站GPS接收機、航攝儀、穩定平臺。集成系統的構成及其在飛行器上的安裝如圖1所示。

IMU/DGPS用于航空遙感主要是利用安裝在飛機上的GPS接收機和布設在地面上的一個或多個基站上的GPS接收機同步而連續地觀測GPS衛星信號，并通過GPS載波相位測量差分定位技術獲取航攝儀的位置參數，應用與航攝儀緊密固連的高精度慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)直接測定航攝儀的姿態參數，然后通過IMU、DGPS數據的聯合后處理技術獲得測圖所需的每張像片高精度外方位元素［2］。航空攝影陀螺穩定平臺用于航空攝影過程中數字航測相機系統的控制，以使航測時相機系統保持水平(俯仰和橫滾兩個方向)［3］。其工作流程如圖2所示。

圖1 集成系統及其在飛行器上的安裝示意圖

圖2 集成系統工作原理

三、攝區狀況及技術指標

本次試驗的場地選在河南省平頂山市，地形為丘陵，區內地勢自西北向東南逐漸降低，最高海拔528 m，相對高差200 m左右，有較大的起伏，并且該場地內擁有城市、農村、山地、水域、森林，滿足檢校后直接地理定位精度驗證的要求。

試驗的基本任務是基準站的布設和測量、檢校區中控制點的布設和測量、加密點(檢查點)的布設和測量。該攝區內作業的主要技術指標見表1。

表1 任務詳細技術指標

四、結果及精度驗證

1.空三加密精度

檢校場空三是通過傳統間接定向方法獲取檢校場像片精確的外方位元素，并且這些參數將視為真值用于以后的系統誤差檢校參數的解算［4］。一般來說，空三功能的實現需要解決以下4個問題：①像片內定向參數的確定;②同名像點坐標的量測;③控制點像點坐標的量測;④像片外方位元素的平差解算，一般采用光束法區域網平差模型解算。

根據本次試驗中24個控制點布設的情況，利用TG-AT空三加密軟件對這個測區實施了常規的空中三角測量。空三加密的精度為：Dx=0.015 m，Dy=0.017 m，Dz=0.039 m，該加密結果滿足我國規范對于1∶500比例尺平地地形測圖航測內業加密檢查點坐標不符值平面不大于0.175 m、高程不大于0.15 m 的精度要求［5］。

2.系統檢校參數精度

系統檢校參數主要包括偏心角與偏心分量。IMU一般與航空相機緊密相連，安裝時應盡量保證各軸互相平行，但實際安裝后IMU與航攝儀的各軸指向總是存在著一個微小的角度差，即偏心角［6］(如圖3所示)。

圖3 偏心角示意圖

IMU和航攝儀安裝時，兩者的中心不會重合，存在著一個相對的位置關系 U-IMU、V-IMU、WIMU，即為偏心分量，如圖4所示。

圖4 偏心分量示意圖

系統誤差檢校參數的獲取方式一般有兩種：①飛行專門布設的檢校場;②抽取測區內相對飛行的2條或者4條航線的影像作為專門的檢校區。可將傳統空三方法獲取的高精度像片外方位元素作為真值，用POS集成系統獲取的定位定向參數和真值進行比較，并基于相機系統和POS系統的空間位置關系，利用系統誤差改正模型解算系統誤差檢校參數［4］。

結合本次試驗，飛行了專門布設的檢校區，但是因為天氣原因未能飛行驗證區。共飛行了自東向西5條航帶，并利用前3條航帶作為檢校區，兩條航帶用來驗證。系統檢校參數結果見表2。

表2的結果顯示，偏心角的中誤差均在20″以內，偏心分量的中誤差均達到了厘米級。結合之前空三加密的精度和POS中GPS差分定位的精度，系統誤差檢校參數的精度完全達到了慣導與差分定位技術(IMU/DGPS)輔助航空攝影技術規定的要求［7］。

表2 檢校場計算出檢校參數

3.外方位元素精度

像片外方位元素精度的評定是將驗證區經系統誤差修正之后的POS結果與之前傳統空三方法得到的像片外方位元素進行求差，進一步得到各元素殘差的中誤差，即

式中，xj為經過系統誤差修正之后的某曝光點的POS結果;yj為空三得到的像片外方位元素;m為驗證區的像片數。

結合本次試驗，利用前3條航帶作為檢校區，由此得到集成系統的系統誤差改正參數，并將其結果用于修正后兩條航帶(作為驗證區)的POS觀測值。此后將經過系統誤差參數修正后的POS的觀測結果和傳統空三方法得到的高精度像片外方位元素進行比較。比較結果見表3。

表3 外方位元素精度評定

表3的結果顯示，平面位置殘差的中誤差與高程殘差的中誤差精度均達到了厘米級，角度的中誤差精度均達到了千分位。由此可見，經過系統誤差檢校參數修正后的POS觀測值精度與傳統空中三角測量得到的外方位元素精度相當。同時，也間接證明了國產POS與航空相機集成系統誤差的檢校方法是可行的，并且也可以用POS系統得到的像片外方位元素結合直接定向方法進行1∶500的大比例尺成圖。

4.直接地理定位精度分析

首先把POS系統得到的定位定向參數進行系統誤差修正，由此得到曝光時刻每張像片的高精度外方位元素;然后將其與航空影像進行直接安置測圖;最后把得到的直接測圖結果與測區內布設的檢查點(加密點)進行比較，以便驗證直接定向成圖的精度。

結合本次試驗，先用系統誤差參數修正第4條航帶，并且抽取這一航帶中的6張影像進行直接安置測圖;最后用測區內的21個加密點作為檢查點對本次直接地理定位的精度進行驗證。精度驗證結果如表4和圖5所示。

表4 直接地理定位精度結果

圖5 北航POS直接定向(DG)精度

表4的結果顯示，直接地理定位結果中的平面位置精度 Dxy=0.149 ＜0.175，Dz=0.228 ＜0.28。其精度均達到了1∶500直接測圖的精度［5］。

五、結束語

本文對國產POS與國產相機集成系統的系統誤差檢校參數有效性進行了詳盡的理論分析和數據驗證，以實際的POS集成相機航飛試驗為基礎，證明求取集成系統誤差參數的思想是正確的，檢校參數的精度是可靠的。試驗后的結果同時也顯示，利用國產POS與相機集成系統進行1∶500直接測圖已經初步滿足其精度要求，但是如何進一步提高直接測圖的精度還需要以后通過大量的試驗來進行研究。

［1］王道煒.IMU/DGPS輔助空三地面測量［J］.測繪與空間地理信息，2007，30(4)：99-101.

［2］謝智勇.IMU/DGPS輔助航空攝影測量應用研究［J］.科技創新導報，2009(33)：8-9.

［3］張興旺.相機穩定平臺設計［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

［4］王建超，郭大海，鄭雄偉.機載POS直接地理定位軟件AeroDG的設計與實現［J］.國土資源遙感，2007(4)：21-23.

［5］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/I 23236—2009數字航空攝影測量空中三角測量規范［S］.北京：中國標準出版社，2009.

［6］李學友.IMU/DGPS輔助航空攝影測量綜述［J］.測繪科學，2005(5)：100-113.

［7］國家測繪局.GB/T 27919—2011 IMU/GPS輔助航空攝影技術規范［S］.北京：中國標準出版社，2007.

［8］BAUMKER M，HEIMESF J.New Calibration and Computing Method for Direct Georeferencing of Image and Scanner Data Using the Position and Angular Data of an Hybrid Inertial Navigation System［J］.Integrated Sensor Orientation，2002，43(1)：29-34.