IMU/GPS辅助航空摄影测量技术方法应用研究——以贵阳市航空摄影测量项目为例

2016-02-25张文安

测绘通报 2016年1期

关键词：精度分析

石　平，张文安

(1. 贵阳市测绘院，贵州贵阳 550002； 2. 西安煤航信息产业有限公司，陕西西安 710054)

Application of IMU/GPS Assisted Aerial Photogrammetry

——A Case Study in Guiyang，China

SHI Ping，ZHANG Wenan

IMU/GPS辅助航空摄影测量技术方法应用研究
——以贵阳市航空摄影测量项目为例

石平1，张文安2

(1. 贵阳市测绘院，贵州贵阳 550002； 2. 西安煤航信息产业有限公司，陕西西安 710054)

Application of IMU/GPS Assisted Aerial Photogrammetry

——A Case Study in Guiyang，China

SHI Ping，ZHANG Wenan

摘要：通过贵阳市航空摄影测量项目的实施，形成了一套有效可行的IMU/GPS辅助航空摄影测量技术方法。介绍了项目所采用的检校场的布设方法、IMU/GPS辅助光束法区域网像控布点方法，以及IMU/GPS辅助空中三角测量技术,分析了IMU/GPS辅助空中三角测量和DEM/DOM成果精度，论述了该项目所形成的IMU/GPS辅助航空摄影测量技术方法的适用范围和局限性。

关键词：惯性测量单元(IMU)；GPS；DMC数码相机；IMU/GPS辅助空三；精度分析

近年来，GPS、惯性测量单元(IMU)精度的不断提高及其成本的不断降低，使IMU/GPS技术已广泛应用于航空摄影测量中，并推进了航空摄影测量长足的发展，提高了航空摄影测量的生产效率和成果精度。但由于目前出台的IMU/GPS辅助航空摄影测量规范比较笼统,没有明确的技术参数和方法可参照执行，IMU/GPS辅助航空摄影测量项目的实施大多基于项目前期的试验基础进行。因此，IMU/GPS辅助航空摄影测量技术方法的应用研究成为国内关注的热点问题。

在贵阳市航空摄影测量项目中，采用了IMU/GPS辅助航空摄影测量技术，完成了4000多平方千米航空摄影和DEM、DOM成果的制作。在该项目的实施中，形成了IMU/GPS辅助航空摄影测量检校场的布设、外业像控测量、IMU/GPS辅助空中三角测量等技术方法。

一、IMU/GPS组合技术

惯性导航系统(INS)和GPS已广泛应用于航空摄影测量中，由于二者均具有各自的优点及缺陷。它们组合到一起使用，可达到优势互补、弥补对方不足的特点。

惯性导航系统(INS)的主要部件由陀螺、加速度计及相关的辅助电路构成,称为惯性测量单元(IMU)。IMU是一个高精度惯性测量单元,它不依赖于任何外界信息，能够进行完全自主的导航。惯性导航系统能够连续长时间的工作，可以提供多种导航信息如位置、速度、航程、航向，还可以提供水平基准及方位基准，精度较高。将它与航摄仪紧密固连,能直接测定航摄仪的姿态参数,通过对IMU、GPS数据进行联合后处理,可以快速获取测图所需的每张航片的高精度外方位元素。但是，惯性导航系统的精度主要取决于惯性器件(陀螺仪和加速度计)的精度，其定位误差随时间积累，精度逐渐降低，这对于需要长时间工作的载体来说是极为不利的。

GPS卫星导航系统具有定位精度高的特点，而且能够进行全球、全天候、全天时、多维连续定位，其精度不随时间变化。然而，GPS是非自主式的系统，不能提供诸如载体姿态等导航参数，运动载体上的接收机不易捕获和跟踪卫星信号，动态环境中由于信噪比的下降及其他原因，易产生周跳。而且信号在传播途中的干扰，使得系统定位精度有所下降，定位结果离散较大。同时，数据输出的频率低是动态应用的另一个主要问题。

综上所述，GPS系统和惯性导航系统各有所长，具有互补的特点，两者的组合不仅具有两个独立系统各自的主要优点，而且随着组合水平的提高，它们之间互相传递、使用信息的加强，组合系统的总体性能要远优于任一独立系统。组合导航把无线电导航长期精度高与惯性导航短期精度高和不受干扰的优点结合了起来，因此，GPS与IMU的组合被认为是目前导航领域最理想的组合方式。

二、IMU/GPS辅助航空摄影测量技术方法

1. 项目概况

为了满足贵阳市的发展需要，为数字贵阳提供现势性强的测绘资料，进行了贵阳市数字航空摄影测量项目，总面积为4 073.38 km2。项目地处云贵高原的东斜坡上，地貌形态多样，有高原山地和丘陵，又有台地和盆地、河谷，海拔872～1659 m。常年受西风带控制，气候温和湿润，阴雨天多，四季不甚分明。“天无三日晴，地无三里平”是该区域的典型写照，同时也是该项目实施的困难所在。

2. IMU/GPS辅助航空摄影

为了满足贵阳市1∶500、1∶1000、1∶2000大比例尺航空摄影测量，根据摄区特有的气候、地形条件，选用了UCX数字航摄仪、AeroControl-Ⅱd惯性导航系统、塞斯纳208飞行器，并采用了一系列先进的软件作为航摄数据处理的支持，如WinMp航线设计软件、OPC影像数据处理软件、AEROoffice V5.1f IMU/DGPS数据处理软件、WPG GPS 7.60 IMU/DGPS数据滤波计算软件、SSK空三测量解算软件等。全区采用了两种地面分辨率的飞行方案，即1308摄区，地面分辨率(GSD)=0.06 m；1309摄区，地面分辨率(GSD)=0.14 m。机载和地面GPS测量均采用Trimble 5700型双频GPS，航空摄影主要技术参数见表1。

3. 检校场的布设与飞行

由于IMU/GPS辅助航空摄影测量中，GPS相位中心、IMU几何中心及相机的投影中心不重合，必须在摄区或摄区附近选取包含若干条航线的区域，采用空中三角测量方法确定各航片的外方位元素，与系统获取的含有偏心角及线元素分量偏移值的各航片观测量进行矩阵运算，求出偏心角及线元素分量偏移值。这样就可以利用解算所得参数对整个测区进行系统校正，以获得更高精度的外方位元素。用于系统误差校正的区域就称为检校场。

表1　航空摄影主要技术参数

为减少航摄时间，检校场均布设在摄区内，采用附加航线的飞行方法，这是本次检校场飞行与布设的一个显著特点。其中1308摄区布设4个检校场，即08/09线、49/50线、79/80线、305/306线，如图1所示。1309摄区布设2个检校场，即26/52线、08/17线，如图2所示。两摄区均采用相同的4个连续运行参考站(CORS)作为地面基站。其次，检校场的控制点、检查点均选在目标影像清晰、定位性好的自然地物地标上，未敷设人工地面标志，这也是本项目检校场布设的另一特点。检校场的飞行基线数不少于10条，飞行高度与摄区飞行高度保持一致。

图1　1308摄区4个检校场布设图

图2　1309摄区2个检校场布设图

4. IMU/GPS辅助光束法区域网像控测量

为测制1∶2000 DEM、DOM成果,该项目采用IMU/GPS辅助光束法区域网像控布点，基于以往项目的经验,该项目采用的区域网为6条航线和60条基线，每个区域采用9点法的布点方案。对于不规则区域，相邻平高点间隔30条基线以上时应在中间布一个平高点。共布设像控点313个，其中检校场布设62个，其他区域布设98个，检查点共布设153个。

5. IMU/GPS辅助空中三角测量

IMU/GPS辅助空中三角测量是将IMU/GPS组合系统直接获取的外方位元素作为初始带权观测值,参与摄影测量区域网平差，可以同时获得高精度的内、外方位元素成果，实现更精确的像片定向。贵阳项目IMU/GPS辅助空中三角测量采用SSK全数字摄影测量工作站进行，作业方式为影像自动匹配与人工干预相结合的方式，全区共分为14个加密分区进行观测，实行IMU/GPS辅助光束法区域网平差。

三、数据分析与技术方法论证

1. IMU/GPS辅助空中三角测量精度分析

IMU/GPS辅助空三加密全区分为14个加密分区进行观测、平差，共观测平面定向点396个，高程定向点392个，平面检查点97个，高程检查点95个。按不同分辨率的摄区，即0.14 m摄影分区、0.06 m摄影分区及全区进行了加密定向点和多余野外控制点不符值的中误差统计见表2。

表2　空三加密精度

从表2统计数据可知：

1) 定向点平面精度满足1∶1000、1∶2000城市测量规范的要求，不能满足1∶500的平面精度要求(规范要求0.125 m)。

2) 定向点高程精度满足1∶2000城市测量规范的要求，满足1∶500、1∶1000丘陵山地区域的要求，不能满足1∶500、1∶1000平地(0.5 m等高距)的精度要求(规范要求0.05 m)。

3) 6 cm摄区多余野外控制点平面精度满足1∶500、1∶1000、1∶2000的要求，14 cm摄区多余野外控制点平面精度满足1∶1000、1∶2000的要求，不能满足1∶500平面精度的要求(规范要求0.22 m)。

4) 多余野外控制点高程精度满足1∶2000的要求，不能满足1∶500、1∶1000平地(0.5 m等高距)的精度要求(规范要求0.05 m)。

2. DOM、DEM精度分析

利用保密点对本测区DEM及DOM成果进行位置精度检测，分批次共检测DEM高程精度301幅，DOM平面精度304幅。经统计DEM高程中误差为0.593 m，满足1∶2000 DEM二级高程精度要求，优于设计的要求。DOM平面中误差为0.367 m，满足1∶1000、1∶2000平面精度的要求。

3. IMU/GPS辅助像控区域网布点方法的适用性

该项目所采用的IMU/GPS辅助光束法区域网像控布点，即6条航线和60条基线的区域网规模，由IMU/GPS辅助空中三角测量精度分析可知，该区域网布点方法完全满足1∶2000航空摄影测量平面和高程精度的要求，对于1∶500、1∶1000航空摄影测量，该区域网规模不能满足其高程精度的要求，需

要加密控制点的布设。也不能满足14 cm摄区1∶500、1∶1000航空摄影测量平坦地区的平面精度的要求。其原因有二：一是IMU/GPS辅助航空摄影14 cm的地面分辨率不能满足1∶500、1∶1000比例尺平坦地区的规范要求；二是IMU/GPS辅助航空摄影测量的像控区域网规模不适宜1∶500、1∶1000比例尺平坦地区的规范要求。

四、结束语

基于IMU/GPS辅助航空摄影测量贵阳项目，从IMU/GPS辅助航空摄影、IMU/GPS辅助光束法区域网像控测量，到IMU/GPS辅助光束法空中三角测量形成了一套可行的技术方法。该方法经空三加密和DEM、DOM成果精度分析，完全满足1∶2000比例尺IMU/GPS辅助航空摄影测量的要求，不适用于1∶500、1∶1000比例尺平坦地区的IMU/GPS辅助航空摄影测量。为此，在实施1∶500、1∶1000 IMU/GPS辅助航空摄影测量时，对此套方案应进行全方位优化和进一步试验。

该项目采用了IMU/GPS辅助航空摄影测量，与传统航空摄影测量相比，不仅可以利用IMU/GPS组合系统直接获取影像的外方位元素，而且大幅度减少了野外控制点测量，从而降低了大比例尺测图成本，提高了生产效率。

参考文献：

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[7]中华人民共和国建设部.城市测量规范：CJJ/T8—2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

引文格式：石平，张文安. IMU/GPS辅助航空摄影测量技术方法应用研究——以贵阳市航空摄影测量项目为例[J].测绘通报，2016(1)：88-90.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0022.

作者简介：石平(1964—)，男，高级工程师，长期从事测绘工程、遥感、GIS应用与行政管理工作。E-mail：511323825@qq.com

收稿日期：2015-10-15