基于实例的IMU/DGPS辅助航摄测量应用研究

2022-09-12

IMU/DGPS辅助航空摄影测量技术在国际上属新兴技术, 随着技术进步和应用实践日益成熟, 并逐步应用到航空遥感的各个领域。IMU/DGPS系统已经成为数字航摄仪 (尤其是推扫式数字航摄仪) 以及机载激光扫描系统 (LIDAR, Light Detection And Ranging) 的必备装置, 但由于关键部件之一的高精度惯性测量单元 (IMU) 的产品和技术引进受到诸多限制, 国内民用领域对该技术的掌握程度不高。见诸于资料的多是针对某一局部问题细节的科学讨论, 尚无对IMU/DGPS辅助航空摄影测量技术的系统分析和研究, 尤其在规模化生产应用中所需工艺流程等方面可供借鉴的资料非常少。因此, 随着国际上对满足航空摄影测量成图精度要求的IMU对中国民用领域限制的逐步减少, 有必要迅速引进和消化吸收国际先进的工MU/DGPS产品与技术, 进行系统的分析和研究, 形成可在国内规模化推广应用的生产工艺流程, 并制定相应的技术规定和标准, 实现无 (或少) 地面控制航空摄影测量成图, 更好地为国民经济建设服务。

1 IMU/DGPS系统构成

IMU/DGPS系统硬件主要包括:IMU、机载双频GPS接收机及高性能机载GPS天线、机载飞行控制计算机以及存储设备、地面双频GPS接收机。软件包括DGPS数据差分处理软件、IMU/DGPS滤波处理软件以及空三加密、检校计算软件等。

IMU/DGPS辅助航空摄影测量是指利用装在飞机上的GPS接收机和设在地面上的一个或多个基站上的GPS接收机同步而连续地观测GPS卫星信号, 通过GPS载波相位测量差分定位技术获取航摄仪的位置参数, 应用与航摄仪紧密固连的高精度惯性测量单元 (IMU, Inertial Measurement Unit) 直接测定航摄仪的姿态参数, 通过IMU, DGPS数据的联合后处理技术获得测图所需的每张像片高精度外方位元素的航空摄影测量理论、技术和方法。

IMU/DGPS辅助航空摄影测量方法主要包括:直接定向法和IMU/DGPS辅助空中三角测量方法。

1.1 直接定向法

利用高精度差分GPS和惯性测量单元 (IMU) (通称POS系统) , 获取航空摄影曝光时刻影像的空间方位 (即用GPS确定摄站的空间位置, 用IMU惯性测量装置获取影像的姿态角) , 通过对系统误差的校正, 进而得到每张像片的高精度外方位元素。这种方法称直接定向法 (国际上称D i r e c t Georeferenc-ing, 简称DG) 。

1.2 IMU/DGPS辅助航空摄影测量方法

将基于IMU/DGPS技术直接获取的每张像片的外方位元素, 作为带权观测值参与摄影测量区域网平差, 获得更高精度的像片外方位元素成果。这种方法即IMU/DGPS辅助空中三角测量方法 (国际上称Integrated Sensor Orientation, 简称ISO) 。

2 工程概况

我单位执行的国家基础航空摄影项目秦岭摄区, 摄影比例尺:1/32000, 成图比例尺:1/10000, 摄区地理位置: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。

验证区外业检测点影像实地测量, 详细任务, 见表1。

3 IMU/DGPS技术方案

3.1 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。

地点分别选在留坝、佛坪和城固县。基准站点名取所在地名, 点号按所在地名称的拼音选用3个大写字母作为惟一编号, 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。

3.2 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。

3.3 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。

4 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) 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。 (3) 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。 (4) 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。

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/DGP S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。

摘要：本文以某工程项目为背景, 研究探讨了IMU/DGPS辅助航空摄影测量的思路, 全文详细论述了整个工程实施的细节, 是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 可以直接用于指导实践, 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