航空摄影DG法若干问题探讨和实践研究

2015-02-06郑雄伟孙秉钊

地理空间信息 2015年2期

关键词：检校航空摄影基站

陈洁，郑雄伟，孙秉钊

（1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083）

航空摄影DG法若干问题探讨和实践研究

陈洁1，郑雄伟1，孙秉钊1

（1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083）

POS辅助航空摄影直接地理定向法（direct georeferencing，DG）得到的外方位元素，可直接进行小比例尺成图，省去了地面实测环节，大大提高了工作效率。但DG法对地面基站、检校场要求较高，而在实际作业中会出现某些环节的数据缺失。针对这些情况进行实践研究，结果表明，可用精密单点定位技术（precise point positioning，PPP）代替地面基站，利用其他架次的检校场数据检校，检校场对同向飞行的航线检校精度更高。

POS辅助航空摄影；PPP技术；检校场

机载POS辅助航空摄影在航空摄影的同时，可准确地获取相片的空间位置和姿态参数，大幅度减少甚至免去地面测量工作，简化和加速影像定向和定位工作[1]。

国家测绘地理信息局2011年发布《IMU/GPS辅助航空摄影技术规范》。该规定要求“1∶10 000地形图航空摄影时，摄区内任意位置与最近基站间距离不宜超过300 km”，且每架次必须同步观测；另外DG法需每架次进行检校场飞行[2]。但是实际作业中，受空域、天气、全球GPS卫星信号等不确定因素影响，在出现当日架次检校场因空域管制、有云而无法飞行、基站供电意外中断等情况下，可否用其他架次的检校场数据进行检校，可否采用PPP技术替代基站，以上补救方案的数据成果能否直接应用于中小比例尺成图，是IMU/DGPS实际作业过程中经常碰到的问题，亦是本文研究的内容。

1 实验区概况

本次实验使用RMK TOP15航空摄影仪，集成IGI公司的惯性导航系统，内置Novetel双频GPS接收机。实验区航空摄影比例尺1∶20 000，由5条航线构成，每条航片20张，共100张相片，同步获取了地面基站数据。该区域地势较低且平坦，起伏不大，以城镇、丘陵为主，有少量山区。影像数字化为tiff格式，扫描分辨率为21 μm。在实验区内均匀布设30个地面控制点，作为精度检查点（图1）。地面点GPS测量采用WGS84大地坐标系，平面坐标系统采用2000国家大地坐标系3°带高斯-克吕格投影，高程系统采用1985国家高程基准。

图1 实验区精度检查点分布示意图

2 检校场实践研究

布设检校场的原因在于IMU一般与航摄仪紧密固连，虽然安装时尽量保证各轴精确平行，但实际上总存在IMU与航摄仪各轴指向间有一个微小的角度差，即偏心角。必须精确测定偏心角的大小，才能将IMU记录的姿态数据转化为可用于摄影测量生产的精确外方位元素姿态数据。另外，由于地球曲率以及相机内方位元素中焦距的变化，直接获取的线元素与采用标定焦距计算出的线元素之间会产生线元素分量偏移值，在高程上表现最为明显。为了确定上述偏心角和线元素偏移值，通常采用检校场飞行方法[3]，即在一个有足够数量且精度较高的控制点的试验区进行检校飞行，采用空三方法计算出每张相片的外方位元素，然后通过与IMU/DGPS测量获得的外方位元素进行比较，求得偏心角及线元素偏移值。

1）检校场应按照比例尺设置2条相邻的平行航线，每条航线10个像对；

2）保证航向重叠和旁向重叠均为60%；

3）在检校场的周边布设6个平高控制点，控制点点位距相片边缘为相片宽的20%。

检校场实践研究的内容是，对比1207和1228两次检校场的结果，利用其中一次的成果对实验区进行检校，得出每张相片的外方位元素。然后进行DG法空中三角测量，与实验区实测同名点进行对比，研究非本架次检校结果的精度。表1是2个架次检校场的检校结果与1∶1万比例尺成图精度的对比。检校场飞行和地面测量方案如图2所示。

表1 2次检校结果对比

每个架次的检校结果不同，而且差异较大。1228检校场结果未达到规范精度要求，所以使用1207的检校结果对实验区进行检校。得出外方位元素后，利用VirtuoZo软件进行空三处理，再把结果与同名检查点对比，如表2所示。

实验区内地面测量点共计30个，其中YS07、10、19、22刺点位置不理想，未采用；YS01、06、 23、28处于无重叠区域，此8个点不参与精度验证解算，剩余22个为有效点。经解算得出，X方向中误差为0．665 34 m，最大偏差为1．673 m；Y方向中误差为0．966 8 m，最大偏差为2．680 m；Z方向中误差为1．377 4 m，最大偏差为2．610 m。参照相关规范要求（表3），平面和高程精度都已满足1∶10 000丘陵地区成图的规范要求。

图2 检校场飞行和地面测量方案

表2 DG法成果精度表/m

表3 1∶10 000比例尺不同地形成图规范/m

由上述实践研究可以得出，采用DG法时，检校场并不需要每架次飞行，可用其他架次检校场结果代替，但必须保证所飞检校场的精度和检校结果能满足规范要求。在设备没有大的变动前提下，检校效果主要受航高和气象条件影响[4]，所以选择替代的检校场时，还应考虑选择相似航高和相近的飞行日期。

在此基础上，对1207检校场只解算某一飞行方向的检校参数，以分析检校场航线飞行方向对精度的影响。各飞行方向检校结果如表4。

表4 不同飞行方向检校结果对比

由表4可知，某一方向的检校场航线，对同一方向的航线检校效果会更加优化，特别在角元素上表现尤为明显，这是由于POS系统的误差源包含因同方向长时间飞行造成的陀螺漂移累计误差。因此在飞行时，应尽量双向交错飞行，以修正漂移误差。在检校中，若双方向检校结果不能达到预期精度，可采用单方向分别检校的方法。

3 采用PPP技术实践研究

PPP技术由美国喷气推进实验室（JPL）的Zumberge于1997年提出。该技术的思路非常简单，在GPS定位中，主要的误差来源于轨道误差、卫星钟差和电离层延时。如果采用双频接收机，可以利用LC相位组合消除电离层延时的影响。如果选择地心地固系表示卫星轨道，计算的参考框架同为地心地固系，可以消去观测方程中的地球自转参数。于是，只要给定卫星的轨道和精密钟差，采用精密的观测模型,就能像伪距一样,单站计算出接收机的精确位置、钟差、模糊度以及对流层延时参数[5,6]。

本次实践研究的目的是对比PPP技术和采用地面基站差分解算出的数据精度，从而确定能否在地面基站无数据时，利用PPP的结果代替基站。

具体实施方案是，选取12月7日的航空遥感数据，利用Waypoint公司的GrafNAV软件，首先采用地面基站数据进行联合差分解算，生成数据质量报告；再利用机载GPS数据和从IGS网站下载的精密星历数据进行PPP数据解算，生成质量报告[7]；最后对比2种方法的质量结果。图3和图4分别是采用基站联合差分和PPP技术的成果质量报告图，通过对比可知，采用基站的DGPS技术的数据精度要优于PPP技术，在东、北和高程上的具体指标均在2倍左右。按照规范要求，对于IMU/DGPS数据联合解算的结果，1∶1万成图比例尺应满足平面位置偏差在0．1 m以内，高程位置偏差在0．3 m以内。PPP解算的具体结果为东、北方向0．06 m以内，高程0．11 m以内,满足规范要求。