基于像素工厂进行IMU_DGPS辅助空中三角测量精度研究

胡开全

(重庆市勘测院，重庆 400020)

1 前言

航空摄影测量技术从19世纪初产生以来，经历了一个世纪的发展，实现了一次又一次技术上的飞跃，如今已成为地理信息原始数据获取的主要技术手段。2004年国际摄影测量与遥感大会认为，IMU_DGPS辅助航空摄影测量技术是对传统摄影测量的重要革新，是未来航空遥感和航空摄影测量技术发展的趋势。

2 像素工厂(PF)简介

像素工厂(Pixel Factory，PF)由法国地球信息(INFOTERRA)公司研制开发，是一套用于大型生产的对地观测数据处理系统，是一种能批量生产，且由一系列算法、工作流程和硬件设备组成的复合最优化系统，包含具有强大计算能力的若干个计算节点。

像素工厂框幅相机传感器模型在传统6个内外方位元素模型基础上，针对当前市场航拍相机越来越多使用非量测相机，配带IMU_DGPS系统等特点，一方面将相机内部多种畸变差进行建模，另一方面，将整个IMU_DGPS系统参数纳入传感器模型内，同时还考虑了相机与平台的对应几何位置关系等，将整个航拍系统的模型作为平差项，同时根据各个误差项的各自物理意义进行分组绑定，在此控制以及约束下，满足以最少的同名点和稀少控制点进行平差解算达到精度要求。

3 IMU_DGPS组合系统

IMU即惯性测量单元(Inertial measurement unit)，主要是感测飞机或其他载体的加速度，经过积分等运算，获取载体的速度和姿态(如位置及旋转角度)等信息。

DGPS即差分GPS。即将一台(或几台)GPS接收机安置在基准站上，与机载接收机进行同步观测，根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并对机载接收机的定位结果进行改正，从而提高定位精度。

虽然DGPS系统可量测传感器的位置和速率，具有高精度、误差不随时间积累等优点，但其动态性能差(易失锁)、输出频率低，不能量测瞬间快速的变化，没有姿态量测功能。而IMU有姿态量测功能，具有完全自主、无信号传播，既能定位、测速，又可快速量测传感器瞬间的移动，输出姿态信息等优点，但主要缺点是误差随着时间迅速积累增长。可以看出DGPS与IMU正好是互补的，因此将两个系统获得的信息进行综合，可得到高精度的位置、速率和姿态数据，达到最优化效果。

4 空三加密试验研究

利用像素工厂系统强大的数据处理能力和其3.2版本新研发的框幅相机传感器模型，对采用IMU_DGPS辅助航空摄影的影像数据成果(DMC数码航摄相机，地面分辨率15 cm)，进行1∶2 000比例尺IMU_DGPS辅助空三加密生产试验。试验区最大高差约200 m，包含丘陵地和山地地形，本文统一按丘陵地地形精度要求进行试验研究。

丘陵地基本定向点残差、检查点残差、公共点较差最大限值表 表1

像控点按8条基线间隔布设，经统计平面精度1.54 cm，高程精度6.1 cm，符合1∶2 000地形图像控点精度要求(平面位置中误差 0.24 m，高程中误差0.2 m);IMU_DGPS数据通过GPS差分解算和滤波以及检校场空三平差解算等，经改正后输出每张像片外方位元素值。

采用AAT+PATB软件进行常规空三加密，加入测量的全部28个像控点成果进行平差解算，并输出外方位元素，与IMU_DGPS数据处理后输出的外方位元素进行比较，结果如表2所示。

常规空三加密与IMU_DGPS数据处理后输出外方位元素较差表(部分)表2

较差比较稳定，无突变，成果可靠;同时，线元素较差最大值0.578m(X方向)，角元素较差最大0.4384°(Kappa角)，说明该IMU_DGPS数据直接定向精度不是很高。

4.1 IMU_DGPS数据无控制点的空三加密精度

在不使用外业控制点的情况下，只使用IMU_DGPS数据进行空三平差解算，检查点26个。

(1)只优化3个外方位角元素优化参数:Omega phi kappa。检查点精度统计如表3所示。

检查点整体在平面以及高程上均有偏差，仅通过3个角元素优化，无法满足其平面以及高程精度要求。

(2)优化3个外方位角元素以及IMU_DGPS误差1阶改正项

优化参数:Omega phi papa;GPS(X Y Z)1阶;IMU(Omega phi kappa)1阶。

检查点精度统计见表3。

在优化3个外方位角元素的同时，对IMU_DGPS误差1阶项进行改正，绝对精度上，平面和高程方向的精度没有明显提高，仍然无法满足精度要求。

绝对定向检查点精度统计表(单位/m)表3

基于IMU_DGPS数据无控制点的空三加密，同常规空三加密与IMU_DGPS数据处理后输出外方位元素相比较的结论一致。

4.2 IMU_DGPS数据+1个控制点的空三加密精度

优化参数:X Y Z;Omega phi papa;GPS(X Y Z)1阶;IMU(Omega phi kappa)1阶。

在区域网中心位置选取1个外业控制点参与平差解算，检查点22个。

检查点精度统计见表3，基本定向点精度统计见表4(绝对定向控制点精度统计表)。

绝对定向控制点精度统计表(单位/m)表4

1个控制点可以大幅度提高整个测区的绝对精度，但仅有一个控制点的条件下，控制点位置的选择要求较高。在本次试验中，选取测区中心的控制点可以得到令人较为满意的结果。

4.3 IMU_DGPS数据+4个控制点的空三加密精度

优化参数:X Y Z;Omega phi papa;GPS(X Y Z)1阶;IMU(Omega phi kappa)1阶。

使用分布在4个角方向的4个控制点参与空三平差解算，检查点18个。

检查点精度统计见表3，基本定向点精度统计见表4。

采用的4个控制点，分布在测区4角，因此可以比较有效地对整个测区进行控制，其平差结果满足加密精度要求。

4.4 IMU_DGPS数据+5个控制点的空三加密精度

优化参数:X Y Z;Omega phi papa;GPS(X Y Z)1阶;IMU(Omega phi kappa)1阶。

使用分布在4个角方向及中心的5个控制点参与空三平差解算，检查点17个。

检查点精度统计见表3，基本定向点精度统计见表4。

采用的5个控制点，分别覆盖在测区4角以及中心，因此可以比较有效地对整个测区进行控制，平差结果满足加密精度要求，且其结果稳定可靠。

4.5 IMU_DGPS数据+所有控制点的空三加密精度

优化参数:X Y Z;Omega phi papa;GPS(X Y Z)1阶;IMU(Omega phi kappa)1阶。

使用全部28个控制点参与空三平差解算，检查点2个。

检查点精度统计见表3，基本定向点精度统计见表4。

采用了所有的可用控制点进行平差，其平差结果满足加密精度要求。但与4.4节所述无明显的精度提高。

4.6 基于DGPS无IMU+5个控制点的空三加密精度

按照载波相位测量差分GPS(DGPS)定位技术，精密计算每一张像片在曝光时刻的机载GPS天线相位中心的坐标。利用像素工厂，加入得到的DGPS坐标数据和覆盖在测区4角以及中心的5个控制点成果，进行空三加密平差解算。

在无IMU的情况下，所有影像的omega、phi角均设为0°，而kappa角根据航飞方向可以设置为0°或者－180°。

检查点精度统计见表3，基本定向点精度统计见表4。

只有DGPS数据(无IMU数据)的情况下，采用分别覆盖在测区四角以及中心的5个控制点的空三结果与有IMU_DGPS辅助空三的精度差别不大，像素工厂可以高效地对影像的角元素进行纠正。

5 结论

基于像素工厂进行IMU_DGPS辅助空中三角测量，无控制点的平差结果不能满足大比例尺地形图加密精度要求;1个控制点的平差结果基本上可以满足1∶2 000地形图加密精度要求，但其控制点位置的选择比较重要;而选择4个角控制点则可以满足1∶2 000地形图加密精度要求;如果在区域网四角控制点的基础上，中间加1个点，则精度更可靠;再增加控制点个数，平差成果精度无明显提高。

同时，在有DGPS数据的情况下，有无IMU，采用像素工厂进行辅助空中三角测量，成果精度差别不大。

DMC数码航空影像，采用像素工厂进行IMU_DGPS辅助空中三角测量，与常规空中三角测量比较，外业像控点布设工作量可减少约80%，内业加密工作量可减少约88%(无需人工进行相对定向和添加、编辑连接点等工作)。

6 展望

采用像素工厂进行IMU_DGPS辅助空中三角测量可免去(或节省)大量地面控制点，并可大幅提高空中三角测量速度，缩短成图周期，节省经费，为常规航空摄影测量无法进行的特殊困难地区提供了最佳的解决方案，也可有效解决因数码相机像幅小而需要外业布设较多像控点的问题。可以预见，随着该技术在国内的不断应用和蓬勃发展，必将广泛应用于各种比例尺地形图的测制和更新，尤其适合于无人区的地形图制作。

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