国产POS与国产相机集成检校精度分析

成 枢，任国庆，黄 刚，张艳亭

(山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛266510)

一、引 言

传统的航空摄影测量需要在测区布设大量的控制点，并且通过空三加密来反求出每张像片的6个外方位元素才能进行内业测图［1］。之后出现的GPS辅助空中三角测量在一定程度上减少了控制点的数量，从而削减了人力、物力、财力的支出，但终因无法解决像片的定向参数问题而依然无法摆脱地面控制点的束缚。集成IMU和GPS的POS系统可以获得相机曝光时刻每张像片的6个外方位元素，从而在理论上将摆脱地面控制点而直接进行测图变为可能。

本文以国产POS与国产航空相机为例，分析了该集成系统用于航空摄影直接成图的精度。

二、集成系统的构成及工作原理

IMU/DGPS集成系统硬件主要包括IMU、PCS、机载GPS接收机、地面基站GPS接收机、航摄仪、稳定平台。集成系统的构成及其在飞行器上的安装如图1所示。

IMU/DGPS用于航空遥感主要是利用安装在飞机上的GPS接收机和布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，并通过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(inertial measurement unit，IMU)直接测定航摄仪的姿态参数，然后通过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［2］。航空摄影陀螺稳定平台用于航空摄影过程中数字航测相机系统的控制，以使航测时相机系统保持水平(俯仰和横滚两个方向)［3］。其工作流程如图2所示。

图1 集成系统及其在飞行器上的安装示意图

图2 集成系统工作原理

三、摄区状况及技术指标

本次试验的场地选在河南省平顶山市，地形为丘陵，区内地势自西北向东南逐渐降低，最高海拔528 m，相对高差200 m左右，有较大的起伏，并且该场地内拥有城市、农村、山地、水域、森林，满足检校后直接地理定位精度验证的要求。

试验的基本任务是基准站的布设和测量、检校区中控制点的布设和测量、加密点(检查点)的布设和测量。该摄区内作业的主要技术指标见表1。

表1 任务详细技术指标

四、结果及精度验证

1.空三加密精度

检校场空三是通过传统间接定向方法获取检校场像片精确的外方位元素，并且这些参数将视为真值用于以后的系统误差检校参数的解算［4］。一般来说，空三功能的实现需要解决以下4个问题：①像片内定向参数的确定;②同名像点坐标的量测;③控制点像点坐标的量测;④像片外方位元素的平差解算，一般采用光束法区域网平差模型解算。

根据本次试验中24个控制点布设的情况，利用TG-AT空三加密软件对这个测区实施了常规的空中三角测量。空三加密的精度为：Dx=0.015 m，Dy=0.017 m，Dz=0.039 m，该加密结果满足我国规范对于1∶500比例尺平地地形测图航测内业加密检查点坐标不符值平面不大于0.175 m、高程不大于0.15 m 的精度要求［5］。

2.系统检校参数精度

系统检校参数主要包括偏心角与偏心分量。IMU一般与航空相机紧密相连，安装时应尽量保证各轴互相平行，但实际安装后IMU与航摄仪的各轴指向总是存在着一个微小的角度差，即偏心角［6］(如图3所示)。

图3 偏心角示意图

IMU和航摄仪安装时，两者的中心不会重合，存在着一个相对的位置关系 U-IMU、V-IMU、WIMU，即为偏心分量，如图4所示。

图4 偏心分量示意图

系统误差检校参数的获取方式一般有两种：①飞行专门布设的检校场;②抽取测区内相对飞行的2条或者4条航线的影像作为专门的检校区。可将传统空三方法获取的高精度像片外方位元素作为真值，用POS集成系统获取的定位定向参数和真值进行比较，并基于相机系统和POS系统的空间位置关系，利用系统误差改正模型解算系统误差检校参数［4］。

结合本次试验，飞行了专门布设的检校区，但是因为天气原因未能飞行验证区。共飞行了自东向西5条航带，并利用前3条航带作为检校区，两条航带用来验证。系统检校参数结果见表2。

表2的结果显示，偏心角的中误差均在20″以内，偏心分量的中误差均达到了厘米级。结合之前空三加密的精度和POS中GPS差分定位的精度，系统误差检校参数的精度完全达到了惯导与差分定位技术(IMU/DGPS)辅助航空摄影技术规定的要求［7］。

表2 检校场计算出检校参数

3.外方位元素精度

像片外方位元素精度的评定是将验证区经系统误差修正之后的POS结果与之前传统空三方法得到的像片外方位元素进行求差，进一步得到各元素残差的中误差，即

式中，xj为经过系统误差修正之后的某曝光点的POS结果;yj为空三得到的像片外方位元素;m为验证区的像片数。

结合本次试验，利用前3条航带作为检校区，由此得到集成系统的系统误差改正参数，并将其结果用于修正后两条航带(作为验证区)的POS观测值。此后将经过系统误差参数修正后的POS的观测结果和传统空三方法得到的高精度像片外方位元素进行比较。比较结果见表3。

表3 外方位元素精度评定

表3的结果显示，平面位置残差的中误差与高程残差的中误差精度均达到了厘米级，角度的中误差精度均达到了千分位。由此可见，经过系统误差检校参数修正后的POS观测值精度与传统空中三角测量得到的外方位元素精度相当。同时，也间接证明了国产POS与航空相机集成系统误差的检校方法是可行的，并且也可以用POS系统得到的像片外方位元素结合直接定向方法进行1∶500的大比例尺成图。

4.直接地理定位精度分析

首先把POS系统得到的定位定向参数进行系统误差修正，由此得到曝光时刻每张像片的高精度外方位元素;然后将其与航空影像进行直接安置测图;最后把得到的直接测图结果与测区内布设的检查点(加密点)进行比较，以便验证直接定向成图的精度。

结合本次试验，先用系统误差参数修正第4条航带，并且抽取这一航带中的6张影像进行直接安置测图;最后用测区内的21个加密点作为检查点对本次直接地理定位的精度进行验证。精度验证结果如表4和图5所示。

表4 直接地理定位精度结果

图5 北航POS直接定向(DG)精度

表4的结果显示，直接地理定位结果中的平面位置精度 Dxy=0.149 ＜0.175，Dz=0.228 ＜0.28。其精度均达到了1∶500直接测图的精度［5］。

五、结束语

本文对国产POS与国产相机集成系统的系统误差检校参数有效性进行了详尽的理论分析和数据验证，以实际的POS集成相机航飞试验为基础，证明求取集成系统误差参数的思想是正确的，检校参数的精度是可靠的。试验后的结果同时也显示，利用国产POS与相机集成系统进行1∶500直接测图已经初步满足其精度要求，但是如何进一步提高直接测图的精度还需要以后通过大量的试验来进行研究。

［1］王道炜.IMU/DGPS辅助空三地面测量［J］.测绘与空间地理信息，2007，30(4)：99-101.

［2］谢智勇.IMU/DGPS辅助航空摄影测量应用研究［J］.科技创新导报，2009(33)：8-9.

［3］张兴旺.相机稳定平台设计［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

［4］王建超，郭大海，郑雄伟.机载POS直接地理定位软件AeroDG的设计与实现［J］.国土资源遥感，2007(4)：21-23.

［5］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/I 23236—2009数字航空摄影测量空中三角测量规范［S］.北京：中国标准出版社，2009.

［6］李学友.IMU/DGPS辅助航空摄影测量综述［J］.测绘科学，2005(5)：100-113.

［7］国家测绘局.GB/T 27919—2011 IMU/GPS辅助航空摄影技术规范［S］.北京：中国标准出版社，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.