IMU/DGPS辅助航空摄影测量实施流程与西安某测量案例分析研究

IMU/DGPS辅助航空摄影测量实施流程与西安某测量案例分析研究
作者：苏向辰
来源：《科技创新导报》 2011年第16期
苏向辰
(西安煤航信息产业有限公司陕西西安 710054)
摘要:IMU/GPS组合系统进行航空摄影测量成图具有显著优点,本文基于笔者多年从事航空摄影测量的相关工作经验,以IMU/DGPS辅助航空摄影测量为研究对象,借助笔者具体参与的航摄项目,研究探讨了该方法在具体工程的应用方式,论文首先分析了IMU/DGPS的优点,进而探讨了IMU/DGPS辅助航空摄影测量的实施流程,在此基础上,笔者结合工程案例,探讨了具体的技术方案,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词:IMU/DGPS 航空摄影测量ＧＰＳ测量
中图分类号:P2 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)06(a)-0094-02
1 IMU/DGPS组合系统的优点
我国自1989年开始GPS辅助空三方法的研究以来,已经取得了丰硕的成果,实现了仅需少量地面控制点(或者无需地面控制点)的航空摄影测量成图,并应用于多个摄区的实际生产应用。

既然采用GPS空三方法,仅用少量地面控制点及大量像片连接点就可以获得几何稳定的摄影测量解,为什么还要费钱费力地引入IMU设备(每套约10余万美元)而采用IMU/DGPS辅助航空摄影测量呢?
根据国内外的研究以及生产的实践检验证明,采用IMU/GPS组合系统进行航空摄影测量成图具有如下显著优点。

(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颗卫星的信号,但由于在航空摄影这种高动态环境下,GPS易失锁。

另外利用GPS载波相位观测量进行精密定位,要求无
周跳发生,然而动态环境中由于信噪比的下降及其它原因,易发生周跳.虽然目前己经有不少修复周跳和整周模糊度参数瞬时求解(ontheflyresolution)的方法,但这些方法的精度和可靠性在高动态环境下都有可能发生问题,定位结果的可靠性难以保证。

由于IMU惯性测量单元的引入构成的GPS/INS捷联导航测量系统组合对改善定位精度和可靠性非常有利。

对于GPS载波相位测量,利用INS短时间内定位精度较高和数据高采样率的特点,可以很好地解决GPS周跳和信号失锁后整周模糊度参数的重新解算,提高GPS定位的精度和可靠性。

(2)解决GPS动态应用采样频率低的问题:对于航空相机曝光时刻的位置测定来说,GPS采样频率(一般最大为WHO,这样如果在飞机飞行时速为540km/h(即150m/s)时,每次GPS采样的间隔为15m。

而现在实用的IMU/DGPS系统采样频率一般在64-256Hz之间,可见INU可以在GPS定位结果之间高精度内插出曝光事件发生的位置。

(3)IMU/DGPS辅助航空摄影测量与GPS辅助空三相比的优点:根据国内外的大量生产及实践的经验,I如引入后一般可以不必飞行GPS空三必须的构架航线。

这将从航空摄影时间、材料费
用、扫描加密及自动空三等多方面节省时间和经费。

实际上几个摄区的上述费用合起来已经比IMU的购买费用增加了。

GPS空三中需要进行的漂移误差改正需要大量的地面高程控制点(或者构架航线)以及大量
的像片连接点,只有这样才可以获得几何稳定的摄影测量解。

这种方法对于密林地区、流动沙丘等地区难以实现。

而采用工MU数据后,由于可以获得高精度的外方位元素初值,ISO所需的连接
点数量和分布情况就不需要很多和很严格。

2 IMU/DGPS辅助航空摄影测量实施流程研究
图1为IMU/DGPS辅助航空摄影测量工序流程图。

图中白色框内表示该技术与传统航空摄影测量相同的工序,灰色框内为该技术新增工序。

可见采用该技术进行航测成图,主要需完成如下
工作:
1)航摄准备:包括资料搜集、航摄设计、航摄方法选择、调机及空域协调、系统安装测试、现场踏勘(视摄区情况及采用的航摄方案决定是否布设对空地标点)、DGPS基站建立及坐标测量、检校场像片控制点布设及坐标测量以及可能需要的对空地标点测量等工作。

2)航空摄影:包括摄区空中摄影和检校场摄影、机载GPS数据记录、机载IMU数据记录、地面DGPS基站同步观测、摄影处理、摄影成果整理、质量检查等工作。

3)IMU/DGPS数据后处理:包括检校场航片扫描、检校场空三解算、IMU/DGPS数据处理、偏
心角系统误差改正、以及每张像片外方位元素计算,提交数据成果及资料等工作。

4)内业测图:根据测区情况及设计方案,进行内业测图,如选用直接定向法(DG),可应用每张
像片的外方位元素成果直接安置建立立体模型进行测图;或者采用IMU/DGPS辅助空三方法(ISO),在每个加密分区加测一定数量的控制点(一般4～6个),将基于IMU/DGPS技术直接获取的每张像片的外方位元素,作为带权观测值与摄影测量区域网平差,或者更高精度的像片外方位元素成果,然后定向测图。

3 工程概况
我单位执行的某航摄项目位于陕西中部地区。

任务是:航空摄影、基准站的布设和测量、检校场中检校点地面标志布设和测量(这些作地面标志的点以下也可简称地标点),检校场附带点的选定和测量,精度验证区外业检测点影像实地测量,详细任务见表1。

4 IMU/DGPS技术方案
4.1 基站
IMU/DGPS辅助航空摄影测量的核心是获取高精度的外方位元素,包括3个线元素和3个角
元素。

其中线元素的获取主要是通过差分GPS(DGPS)测量手段来获取,这就需要在测区内或测区附
近布设一定数量的具有作为整个测区首级控制点精度、用于与飞机上机载高精度GPS信号接收
机同步进行观测的GPS地面观测站,简称GPS基站。

通常情况下,移动站与基站间距离越大,用差分GPS方法得到的位置精度越低。

因此根据航测项目所需的精度来确定布设了3个基站。

基准站名及其所在地见表2。

基准站建立后应拍摄基准站的数码像片和基准站的景观数码像片。

4.2 检校
由于IMU/DGPS系统测定的位置和姿态是惯性坐标系下的直接测量数据,即位置数据(X,Y,Z)以及姿态数据(pitch,roll,yaw),而在实际生产中需要采用的是摄影测量坐标系下的精确外方位元素位置数据(X′,Y′,Z′)和姿态数据(φ,ω,κ)。

为实现惯性坐标系到摄影测量坐标系下的转换,通用的做法是采用飞行检校场的方法来进行。

因此,为确定姿态测量单元IMU与航摄仪之间的角度系统差(即偏心角)以及线元素分量偏移值,必须设立检校场。

即在一个有足够数量精度较高控制点的试验区进行检校飞行,采用空三方法计算出每张像片的外方位元素,含投影中心的位置和姿态角(φ,ω,κ)。

然后通过与IMU/DGPS测量获得的位置和姿态数据(φ,θ,ψ)进行计算来求得偏心角及线元素分量偏移值的最佳估计,然后对整个摄区范围加入偏心角系统差改正和线元素分量偏移值改正,得到无系统误差的外方位元素成果。

这样只需在检校场范围内进行空三加密和外业控制测量,获得系统误差值得改正量,就可以实现在整个摄区的无(或少)地面控制的航空摄影测量。

检校场布设在测区内和测区附近能够实施野外像控测量的区域,按照摄区航摄比例尺设置4条相邻的平行航线,每条航线不少于10个像对;航向重叠和旁向重叠均按正常重叠度设计;每个固定检校场周边布设4个平面、高程控制点,控制点点位与像片边缘不小于1.5cm。

在进行检校场控制点测量的同时,在检校场范围内明显地物处布设了至少2个检查点,以便检校场空三结果的检核。

检校点布设后应拍摄检校点的数码像片和检校点的景观数码像片。

为了检核检校区域的精度,在检校场范围内选择成像清晰明显的地物作为检校场附带点。

每个检校场选2个,共4个,按检校点的要求进行观测。

在高于自然地面上布设标志(如在建筑物顶布标),应量比高至0.1m并记录在点之记中。

附带点布设后应拍摄附带点的数码像片和附带点的景观数码像片。

4.3 GPS测量
每时段结束后要立即下载数据,进行转换、检查、备份。

观测时要认真量取GPS天线高,填写观测手簿。

地面GPS接收机应与航摄飞机上的GPS接收机尽可能地同厂商,采用双频静态同步观测,观测时采样间隔设为1s,观测时间从飞机滑行前10分钟到降落静止后10分钟,一般长4～6h,GPS设定截至高度角为5°～10°。

测前、测中、测后分别记录观测手簿,三次量测仪器高至毫米级,较差不大于2mm。

每个检校场应单独联测成一个GPS网,网中含检校场附带点及国家大地点。

该网和就近的1个基准站联测。

基准站应和GPS网内与基准站相近的2个点同步联测。

航摄开始前完成所有检校点和检校场附带点的布设,其观测可在航摄前后进行。

5 建议
(1)加密区的选择要适当,跨度不宜过大,一般选取航线为4～6条,每条航线13～20片左右作为一个加密分区,每区应布设适量的检查点。

IMU/DGPS航空摄影中,平面精度容易达到要求,高程方面由于地形变化,而需要根据具体情况布设像控点,否则地势平缓地区高程精度达不到要求。

(2)像控点的布设。

IMU/DGPS辅助空中三角测量对丘陵地和山地而言,仅采用四角点布设平高控制点即可满足航测成图精度要求;平坦地区以加密区为单位,采用加密区域四角点+两排高程点方案可满足航测成图精度要求;不规则区域须在其周边增设像片控制点,山地和丘陵地一般在转折处布设平高地面控制点,平地和凸转折处布设平高地面控制点,凹转折处1条基线时布设高程地面控制点。

(3)IMU/DGPS辅助航空摄影测量的特点除减少像控点的布设外,还有一个突出特点在于获取的每张像片外方位元素的平面精度完全满足航测成图精度,可直接建立模型进行室内定位判调,然后到实地进行定性检查,在很大程度上提高了调绘效率。

(4)DGPS计算精度与基站与飞机间距离有关系,距离越小,精度越高。

(5)采用直接定向法时,必须每架次飞行检校场,检校场必须与摄区同高度。

而采用
IMU/DGPS辅助空三时,由于基于少量几个地面控制点(一般多于4个)进行加密后,可消除角度系统误差和线元素分量偏移值带来的影响,不必每架次飞行检校场。

(6)检校场可以设置在离摄区较远的地方(200～300km),也可以用摄区中任取4条航线(需足够数量的地面控制点,一般多于6个)来代替。

总之,IMU/DGPS辅助空中三角测量正处于引进实际生产阶段,有些技术问题有待于进一步探索研究,使其日臻完善。

IMU/DGPS辅助空中三角测量技术含量高,涉及范围广,需要不同部门间的协作完成,相互间的技术交流是这项技术走向成熟的重要保障。

参考文献
[1]李德仁.GPS用于摄影测量与遥感.北京:测绘出版社,1996.
[2]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法.北京:科学出版社,2003.
[3]袁修孝.GPS辅助空中三角测量原理及应用.北京:测绘出版社,2001.。