基于地面檢校場的POS輔助空三精度分析

張 恒，馮德俊,楊健霆

（1.西南交通大學(xué) 測量工程系，四川 成都 610031）

POS輔助航空攝影測量中，由于POS所獲取的是在慣性坐標系下的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，而攝影測量中所需的則是在攝影測量坐標系下的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，即外方位元素，因此需要將POS所獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到攝影測量坐標系中[1]。通常的做法是通過飛行檢校場來獲取IMU及航攝儀之間的偏心角和偏心距，進而實現(xiàn)兩坐標系的轉(zhuǎn)換，因此檢校場的布設(shè)方案在POS輔助航空攝影測量中至關(guān)重要，所獲得檢校數(shù)據(jù)的精度直接決定了后續(xù)空三加密以及測圖的精度。

國外的一些公司提出了布設(shè)檢校場的建議方案，如德國IGI公司提出通過布設(shè)2條對向飛行航線，其旁向、航向重疊均為60%的方法來建立檢校場的方案[2]；加拿大Applanix公司提出旁向、航向重疊可以按照常規(guī)布設(shè)，即旁向30%、航向60%，選取測區(qū)內(nèi)2條或4條平行或交叉的航線來布設(shè)檢校場[3]。國內(nèi)也有相關(guān)研究，李瑞芳建立專用的集成系統(tǒng)檢校場[4]；宗偉麗針對DMCⅡ230數(shù)字航攝儀，按照常規(guī)的旁向航線重疊率布設(shè)4條平行對飛航線和2條垂直交叉航線來建立檢校場[5]，然而這些方法并沒有對檢校后的數(shù)據(jù)作深入的分析和對比。

本文在863重點項目專用系統(tǒng)集成檢校場的基礎(chǔ)上，參考加拿大Applanix公司和德國IGI公司的方案，分別布設(shè)了霍城和新源檢校場，然后從殘差和加密后的精度2方面分別對經(jīng)3個檢校場檢校后的數(shù)據(jù)進行了分析和探討，最后，給出了有關(guān)檢校場布設(shè)方案選擇的若干建議以供參考。

1 檢校場的布設(shè)

1.1 涿州地面檢校場

涿州地面檢校場是863重點項目專用系統(tǒng)集成檢校場，位于河北省涿州市，尺寸約為120 m×90 m的矩形區(qū)域，并在地面每隔數(shù)米等間距地布設(shè)高精度控制點，在場地的一端豎起一臺高約50 m、塔臂長約55 m的塔吊，懸掛于塔臂的吊艙既可以搭載國產(chǎn)POS與SWDC-4等航攝集成設(shè)備又可以充分模擬飛機飛行時的姿態(tài)。該檢校場是基于50 m高處2幅影像重疊率為60%而設(shè)計的，GSD≈6 mm，其優(yōu)勢在于，每張影像上像控點多，理論上可達200多個，但實際自動匹配過程中一般為160個左右，這就為獲得相片精確的外方位元素提供了有力的保障。另外，該檢校場的所有控制部分位于地面，便于操作，飛行成本低廉，便于維護。

1.2 霍城空對地檢校場

新疆霍城空對地檢校場是參考加拿大Applanix公司的方案布設(shè)的，具體方案如下：

1）選取攝區(qū)的2條平行航線，其中每條航線上均有15張片子，2條航線的航向重疊為65%，旁向重疊35%。

2）在檢校場的周邊布設(shè)有15個平高控制點，控制點的間隔不超過3條基線，均位于相片標準點位上，航攝飛行高度與攝區(qū)高度相同。

需要注意的是，選取2條平行航線需采用對向飛行的方式，其目的在于消除與航線有關(guān)的誤差，如時間同步誤差、偏心距測量誤差等[6]。

1.3 新源空對地檢校場

新源空對地檢校場是參考德國IGI公司的方案布設(shè)的，具體方案如下：

1）檢校場應(yīng)按照比例尺設(shè)置2條相鄰的平行航線，每條航線13個像對；

2） 保證航向重疊和旁向重疊均為60%；

3）在檢校場的周邊布設(shè)9個平高控制點，相鄰像控點的間隔不超過3條基線，控制點點位距相片邊緣約為相片寬的20%；

4） 航攝飛行高度與攝區(qū)高度相同。

其中，加大旁向重疊進行高冗余航攝，主要是考慮到60%的重疊度下可確保檢校場內(nèi)每張航片的投影中心均處于4°或6°重疊區(qū)域內(nèi)，可有效消除物鏡畸變，有利于提高外方位元素的精度[7]。

2 項目概況

航飛的測區(qū)位于新疆伊犁州霍城和新源，地形類別主要為丘陵，其中霍城測區(qū)的面積約為900 km2，新源測區(qū)的航飛面積約為1 700 km2，所采用的飛行器是由新疆通用航空有限責(zé)任公司提供的運-5運輸機，航攝設(shè)備使用中國航天科工集團公司第三十三研究所研發(fā)的激光POS、慣性穩(wěn)定平臺與中國測繪科學(xué)研究院北京四維遠見信息技術(shù)有限公司研發(fā)的新型SWDC-4數(shù)字航空攝影相機。其中，新型SWDC-4數(shù)字航空攝影相機的焦距為50.2 mm，影像分辨率為10 000×14 500像素，像元分辨率為6.8 μm[8]；機載GPS和地面基站均采用Trimble 5700型雙頻GPS接收機同步配合，其采樣頻率均為10 Hz。

本項目首先在5月22日使用涿州檢校場來獲取航攝儀與POS之間的偏心分量，并在6月9日抵達霍城進行航飛，抵達新源測區(qū)的時間為7月6日，在整個項目的過程中，國產(chǎn)POS與SWDC-4相機等航攝設(shè)備均為剛性連接，中間并沒有拆卸儀器?；舫桥c新源2個測區(qū)所要求的航攝指標一致，具體情況見表1。

表1 航攝具體情況統(tǒng)計表

3 試驗結(jié)果與分析

在將GPS數(shù)據(jù)與IMU數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波進行融合之后，使用檢校場中影像的單片后交（涿州檢校場）或空三（霍城、新源檢校場）結(jié)果作為真值，采用自主研發(fā)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)POS和數(shù)碼相機集成檢?！狾RIM軟件來獲取檢校場中每張影像的偏心分量，然后求出所有影像的偏心分量的均值作為真值，并將其改正到融合之后的結(jié)果，從而得到整個測區(qū)的外方位元素。這樣，只需在檢校場范圍內(nèi)進行空三加密和外業(yè)控制測量，獲得系統(tǒng)誤差值的改正量，就可以實現(xiàn)在整個攝區(qū)的無（或少）地面控制的航空攝影測量了。

式中，xi為第i張影像的偏心分量；n為檢校場中影像的數(shù)量；為偏心分量的均值。

使用式（1）計算得出的系統(tǒng)差中誤差如表2所示，可得到如下的結(jié)論：

1）我國現(xiàn)行《IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)范》中對于1∶1 000比例尺的偏心分量系統(tǒng)差中誤差的要求是偏心距不大于0.5 m，角元素中側(cè)滾、俯仰角不大于0.03°，航偏角不大于0.02°[9]。由此可看出3種布設(shè)方案的檢校場均能滿足要求。

2）從總體上來看，新源檢校場得出的數(shù)據(jù)比涿州檢校場的離散程度低。

3）用霍城檢校場解算出3個方向的偏心距中，東方向不夠穩(wěn)定。

表2 3種檢校場所求得的偏心分量系統(tǒng)差中誤差統(tǒng)計表

將檢校后的數(shù)據(jù)作為初始值，使其與像點坐標觀測值進行聯(lián)合平差，以整體確定地面目標點的三維空間坐標和6個外方位元素，從而實現(xiàn)少量或無地面控制點的攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差[10]，這就是POS輔助空中三角測量的優(yōu)勢。將檢校后獲得的影像外方位元素作為帶權(quán)觀測值，并使用TG-AT軟件進行光束法平差，最終輸出測區(qū)定向點和檢查點的誤差。由各檢校場所獲得的測區(qū)空三試驗結(jié)果如表3所示。 由于測區(qū)范圍大，測區(qū)內(nèi)的高程有較大起伏，所以在做航線設(shè)計與空三的時候是分區(qū)進行的，考慮到使用單個區(qū)域的空三數(shù)據(jù)不具有代表性，因此選用數(shù)個區(qū)域檢查點中誤差的均值作為最終的中誤差。為減少其他方面對空三結(jié)果的影響，每個區(qū)域中控制點的數(shù)量、布設(shè)方法、權(quán)重，以及附加參數(shù)個數(shù)、檢查點的數(shù)量均保持一致。

表3 測區(qū)空三結(jié)果統(tǒng)計表/ m

1）我國現(xiàn)行《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》中對于1∶1 000比例尺丘陵地區(qū)地形圖航測內(nèi)業(yè)加密的要求是，基本定向點平面中誤差≤0.3 m、高程≤0.26 m，檢查點平面中誤差≤0.5 m、高程≤0.4 m[11]，3種檢校場均能滿足要求。

2）3個檢校場平面精度相當(dāng)，而在高程方面，2個空對地檢校場中，霍城的精度比新源低，這是因為霍城檢校場中旁向重疊為20%～30%，航線間高程的連接強度較低，而新源檢校場60%的旁向重疊足以保證航線間的連接強度，進而提高了高程精度。

3）涿州地面檢校場中由于控制點的精度高并且布設(shè)得比較密集，因此其解算出來的外方位元素準確，進而可得到精確的檢校參數(shù)。

4）涿州檢校場獲取的并非是航攝當(dāng)天的檢校參數(shù)，然而測區(qū)的空三結(jié)果顯示POS數(shù)據(jù)良好，這說明在運輸路途中，儀器設(shè)備間的連接牢固，并未發(fā)生相對移動，同時也說明在剛性連接的前提下，飛行一次檢校場所獲得的檢校數(shù)據(jù)可以用于其余架次的檢校。

4 結(jié) 語

本文通過具體的工程項目驗證了3種不同布設(shè)方案檢校場的可行性，主要從殘差以及最終的空三數(shù)據(jù)質(zhì)量2個方面加以驗證，并分析了3種檢校場各自的精度。通過地對地模擬飛行檢校場精度的驗證表明，在航飛作業(yè)之前可以采用地對地模擬飛行檢校場，這樣可以大大節(jié)省成本。

[1]劉力榮.國產(chǎn)POS與數(shù)字航空相機集成檢校與試驗研究[D].北京:中國測繪科學(xué)研究院,2012

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[3]李學(xué)友.IMU/DGPS輔助航空攝影測量原理、方法及實踐[D].鄭州:中國人民解放軍信息工程大學(xué),2005

[4]李瑞芳,關(guān)艷玲,左建章.高精度輕小型航空遙感集成系統(tǒng)室外檢校場建設(shè)方案研究[J].測繪科學(xué),2010,35(6):65-66

[5]宗偉麗,甘俊.DMC230檢校場布設(shè)方案及檢校精度分析[J].鐵道勘測,2011(5):29-31

[6]姚繼峰.多傳感器集成檢校的理論方法與實踐[D].青島:山東科技大學(xué),2011

[7]郭大海,王建超,鄭雄偉.機載POS系統(tǒng)直接地理定位技術(shù)理論與實踐[M].北京:地質(zhì)出版社,2009

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[9]GB/T 27919-2011.IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標準出版社,2012

[10]袁修孝.POS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差[J].測繪學(xué)報，2008,37(2):342-348

[11]GB/I 23236-2009.數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范[S].北京:中國標準出版社,2009