航空攝影DG法若干問題探討和實踐研究

2015-02-06 05:12:20鄭雄偉孫秉釗

地理空間信息 2015年2期

陳潔，鄭雄偉，孫秉釗

（1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

航空攝影DG法若干問題探討和實踐研究

陳潔1，鄭雄偉1，孫秉釗1

（1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083）

POS輔助航空攝影直接地理定向法（direct georeferencing，DG）得到的外方位元素，可直接進行小比例尺成圖，省去了地面實測環節，大大提高了工作效率。但DG法對地面基站、檢校場要求較高，而在實際作業中會出現某些環節的數據缺失。針對這些情況進行實踐研究，結果表明，可用精密單點定位技術（precise point positioning，PPP）代替地面基站，利用其他架次的檢校場數據檢校，檢校場對同向飛行的航線檢校精度更高。

POS輔助航空攝影；PPP技術；檢校場

機載POS輔助航空攝影在航空攝影的同時，可準確地獲取相片的空間位置和姿態參數，大幅度減少甚至免去地面測量工作，簡化和加速影像定向和定位工作[1]。

國家測繪地理信息局2011年發布《IMU/GPS輔助航空攝影技術規范》。該規定要求“1∶10 000地形圖航空攝影時，攝區內任意位置與最近基站間距離不宜超過300 km”，且每架次必須同步觀測；另外DG法需每架次進行檢校場飛行[2]。但是實際作業中，受空域、天氣、全球GPS衛星信號等不確定因素影響，在出現當日架次檢校場因空域管制、有云而無法飛行、基站供電意外中斷等情況下，可否用其他架次的檢校場數據進行檢校，可否采用PPP技術替代基站，以上補救方案的數據成果能否直接應用于中小比例尺成圖，是IMU/DGPS實際作業過程中經常碰到的問題，亦是本文研究的內容。

1 實驗區概況

本次實驗使用RMK TOP15航空攝影儀，集成IGI公司的慣性導航系統，內置Novetel雙頻GPS接收機。實驗區航空攝影比例尺1∶20 000，由5條航線構成，每條航片20張，共100張相片，同步獲取了地面基站數據。該區域地勢較低且平坦，起伏不大，以城鎮、丘陵為主，有少量山區。影像數字化為tiff格式，掃描分辨率為21 μm。在實驗區內均勻布設30個地面控制點，作為精度檢查點（圖1）。地面點GPS測量采用WGS84大地坐標系，平面坐標系統采用2000國家大地坐標系3°帶高斯-克呂格投影，高程系統采用1985國家高程基準。

圖1 實驗區精度檢查點分布示意圖

2 檢校場實踐研究

布設檢校場的原因在于IMU一般與航攝儀緊密固連，雖然安裝時盡量保證各軸精確平行，但實際上總存在IMU與航攝儀各軸指向間有一個微小的角度差，即偏心角。必須精確測定偏心角的大小，才能將IMU記錄的姿態數據轉化為可用于攝影測量生產的精確外方位元素姿態數據。另外，由于地球曲率以及相機內方位元素中焦距的變化，直接獲取的線元素與采用標定焦距計算出的線元素之間會產生線元素分量偏移值，在高程上表現最為明顯。為了確定上述偏心角和線元素偏移值，通常采用檢校場飛行方法[3]，即在一個有足夠數量且精度較高的控制點的試驗區進行檢校飛行，采用空三方法計算出每張相片的外方位元素，然后通過與IMU/DGPS測量獲得的外方位元素進行比較，求得偏心角及線元素偏移值。

1）檢校場應按照比例尺設置2條相鄰的平行航線，每條航線10個像對；

2）保證航向重疊和旁向重疊均為60%；

3）在檢校場的周邊布設6個平高控制點，控制點點位距相片邊緣為相片寬的20%。

檢校場實踐研究的內容是，對比1207和1228兩次檢校場的結果，利用其中一次的成果對實驗區進行檢校，得出每張相片的外方位元素。然后進行DG法空中三角測量，與實驗區實測同名點進行對比，研究非本架次檢校結果的精度。表1是2個架次檢校場的檢校結果與1∶1萬比例尺成圖精度的對比。檢校場飛行和地面測量方案如圖2所示。

表1 2次檢校結果對比

每個架次的檢校結果不同，而且差異較大。1228檢校場結果未達到規范精度要求，所以使用1207的檢校結果對實驗區進行檢校。得出外方位元素后，利用VirtuoZo軟件進行空三處理，再把結果與同名檢查點對比，如表2所示。

實驗區內地面測量點共計30個，其中YS07、10、19、22刺點位置不理想，未采用；YS01、06、 23、28處于無重疊區域，此8個點不參與精度驗證解算，剩余22個為有效點。經解算得出，X方向中誤差為0．665 34 m，最大偏差為1．673 m；Y方向中誤差為0．966 8 m，最大偏差為2．680 m；Z方向中誤差為1．377 4 m，最大偏差為2．610 m。參照相關規范要求（表3），平面和高程精度都已滿足1∶10 000丘陵地區成圖的規范要求。

圖2 檢校場飛行和地面測量方案

表2 DG法成果精度表/m

表3 1∶10 000比例尺不同地形成圖規范/m

由上述實踐研究可以得出，采用DG法時，檢校場并不需要每架次飛行，可用其他架次檢校場結果代替，但必須保證所飛檢校場的精度和檢校結果能滿足規范要求。在設備沒有大的變動前提下，檢校效果主要受航高和氣象條件影響[4]，所以選擇替代的檢校場時，還應考慮選擇相似航高和相近的飛行日期。

在此基礎上，對1207檢校場只解算某一飛行方向的檢校參數，以分析檢校場航線飛行方向對精度的影響。各飛行方向檢校結果如表4。

表4 不同飛行方向檢校結果對比

由表4可知，某一方向的檢校場航線，對同一方向的航線檢校效果會更加優化，特別在角元素上表現尤為明顯，這是由于POS系統的誤差源包含因同方向長時間飛行造成的陀螺漂移累計誤差。因此在飛行時，應盡量雙向交錯飛行，以修正漂移誤差。在檢校中，若雙方向檢校結果不能達到預期精度，可采用單方向分別檢校的方法。

3 采用PPP技術實踐研究

PPP技術由美國噴氣推進實驗室（JPL）的Zumberge于1997年提出。該技術的思路非常簡單，在GPS定位中，主要的誤差來源于軌道誤差、衛星鐘差和電離層延時。如果采用雙頻接收機，可以利用LC相位組合消除電離層延時的影響。如果選擇地心地固系表示衛星軌道，計算的參考框架同為地心地固系，可以消去觀測方程中的地球自轉參數。于是，只要給定衛星的軌道和精密鐘差，采用精密的觀測模型,就能像偽距一樣,單站計算出接收機的精確位置、鐘差、模糊度以及對流層延時參數[5,6]。

本次實踐研究的目的是對比PPP技術和采用地面基站差分解算出的數據精度，從而確定能否在地面基站無數據時，利用PPP的結果代替基站。

具體實施方案是，選取12月7日的航空遙感數據，利用Waypoint公司的GrafNAV軟件，首先采用地面基站數據進行聯合差分解算，生成數據質量報告；再利用機載GPS數據和從IGS網站下載的精密星歷數據進行PPP數據解算，生成質量報告[7]；最后對比2種方法的質量結果。圖3和圖4分別是采用基站聯合差分和PPP技術的成果質量報告圖，通過對比可知，采用基站的DGPS技術的數據精度要優于PPP技術，在東、北和高程上的具體指標均在2倍左右。按照規范要求，對于IMU/DGPS數據聯合解算的結果，1∶1萬成圖比例尺應滿足平面位置偏差在0．1 m以內，高程位置偏差在0．3 m以內。PPP解算的具體結果為東、北方向0．06 m以內，高程0．11 m以內,滿足規范要求。