空三加密POS系統的應用與分析

■李小敏

（廣東省地圖院　廣東　廣州　510062）

空三加密POS系統的應用與分析

■李小敏

（廣東省地圖院廣東廣州510062）

隨著我國科學技術的不斷進步，慣性導航技術和全球定位技術已經成為一項重要的技術,也讓空三加密可以使用少許的控制點進行測量工作。POS的出現使得空三加密更加趨于數字化、技術化。本文通過對某市高精度數碼航空攝影中POS系統的應用，經過常規、加帶POS系統等空三加密作業方法的作業對比和數學精度分析，研究和分析了POS輔助空中三角測量成果精度的影響，探討滿足各項標準規范要求的前提下，POS輔助空中三角測量中野外像控點施測的最優方案，并探討了POS系統輔助空三加密的原理以及測量方法等等。

POS系統空三加密

1　引言

社會在不斷進步，科學技術也在不斷進步，所以說測繪技術和計算機技術也在突飛猛進的進步。在我國，傳統的航空攝影測量主要側重于攝影技術的運用，周期短、價格低、準確性高是傳統航空攝影的優點，他已經成為繪制地形圖的重要技術手段。精密空間定位系統(Positioning Orientation System，POS)技術的研發應用，增強了導航定位精度，也大大提升了數碼航空攝影的質量。POS系統是準確性和精度都很高的定位定向系統，它把差分全球定位系統(DGPS)技術和慣性導航技術結合在一起，發揮更強大的功能，他可以從中得到空間位置的信息和三軸姿態信息，也就是獲取瞬時攝影像片的空間位置和三軸姿態信息。系統包括GPS接收機和IMU兩個部分，也稱GPS/IMU集成系統。

2　POS系統的概述

2.1POS系統組成介紹

圖1　POS系統的流程圖

POS系統是在全球定位系統(GPS)和慣性測量單元(IMU)的基礎上，而形成的一種系統，該項系統可以直接對航空攝影影像的外方位元素直接進行測定工作,也能夠在沒有地面控制或者地面控制很少的情況下，順利完成定位和圖像采集的工作。POS技術的引進，在實踐過程中的數據采集以及處理都大大提高了工作效率，對工程的進展也有很大的幫助。POS系統中的接收機，主要作用是接收GPS數據,IMU的作用是提供設備瞬間的速度,加速度以及方向信息,并且接收POS數據處理軟件發出的問題，從而獲得定位的信息。

2.2POS系統的技術分析

IMU是一種不受外界干擾，可以傳輸能量，而且不依靠任何外界事物的的一種導航設備，它的優點是具有良好的隱蔽性，數據更新速度快，更新率高，穩定性也好。所以在軍事和民用領域有著舉足輕重的地位，扮演著越來越重要的角色。但是它也具有一定的缺點，比如，單獨使用時具有一定的誤差，它的應用程序和所接受的任務也是他的缺點。GPS是一種無線電導航和定位系統,他是一個接收站可以提供精確度高的位置信息。圖1是POS系統的流程圖。

2.2.1數碼航空攝影

某市數碼航空攝影采用基于POS系統數字航空遙感技術獲取攝區影像數據。使用最新型號的大像幅數字航空遙感像機（集成飛行管理系統、POS系統、三軸穩定平臺采用焦距79.8mm,像片像素5.2um,幅面6.80cm×13.08cm（解壓縮后數據量748M左右）,地面分辨率0.18m的影像數據和POS數據，采用先進的集成傳感器定向（簡稱ISO-Integrated Sensor Orientation）攝影測量方案，輔助地面基站、布設檢校場，通過少量外業控制點測量，經過IMU/DGPS數據處理與數字空中三角測量解算，獲取航空攝影像片的高精度外方位元素。地面基準站采用廣州市連續運行參考站（SYCORS）的數據進行攝影的聯合數據處理，確保數碼航空攝影數據成果的精確程度。

2.2.2坐標轉換

通過POS系統計算的攝影瞬間像主點的坐標,是通過GPS衛星定位系統采集的數據信息而獲得的，它的數據主要是使用了國家大地坐標系(CGCS2000坐標系)的研究結果。從目前的狀況來看，不論是在航測外業工作還是內業工作的工作圖中，所使用的的坐標系都是是1954年北京坐標系，1980西安坐標系以及地方獨立坐標系統，它與攝影瞬間像點的坐標之間存在一定的差異，為了利用攝影瞬間像片的位置(3個線元素)和姿態(3個角元素)，必須進行坐標轉換，在統一的坐標系內進行航測內業運算和測圖。

3　空三組網計算方案

3.1外業像控點布設

圖2　航線及像控點分布圖

航測成圖采用地面分辨率優于0.2cm的數碼航攝資料，該實驗攝區采用POS輔助航攝，航線東西向飛行，攝影比例尺1：3500，共11條航線，每條航線約有40張像片，共計431張航片。按照常規加密要求對像控點布設，航線按每隔4條基線布設一對平高控制點。如圖2航線及像控點分布圖（見圖2），同向不超20個航片，旁向不超4航線一個控制點，共布設10排5列像控點。

表1　空三加密精度統計

3.2航測內業空中三角測量

3.2.1全自動空中三角測量

數字航空攝影的測量作業,空中三角測量(簡稱空三加密)在航測內業空中三角測量中起著關鍵性的作用，它對產品的質量以及工作效率都有著巨大的影響?？罩腥菧y量是來確定區域范圍內的定位以及姿態測量,用來獲得該區域范圍內的任何一個點的絕對坐標，在定向控制和外部定向參數的基礎上,準確找出區域內所有的影像外方位元素,最后確定出對應的對象空間點的坐標。

自動空中三角測量的過程中,關于模型的連接點,經過多影像匹配算法可以提高準確性和工作效率，圖像的坐標也可以自動完成測量。地面控制點中的區域網絡,從目前來看，還不能通過有效的算法自動完成圖像的定位，只能夠通過數字攝影測量工作站的操作員手動完成測量。

3.2.2空中三角測量作業

第一，要按常規方法進行區域網加密計算，加密網的定向點以及航測外業中的檢查點都看作內業點進行準確測定。通過加密計算得到的外業檢查點的空三解算坐標與外業實測中得到的坐標找出差異，并且研究分析誤差所在的原因，從而獲得滿足標準規范要求的加密網。引入POS數據輔助空中三角測量的計算，全部檢查點以及定向點都不需要重新測量，加強像控點權重的比例系數的大小，將加密網定向點的數量以及分布進行變化（一是選擇10條基線布設一對像控點的方案，二是在10條基線基礎上，隔航線布設一對像控點的方案），改變POS數據權重比例（改變POS數據的平面權重，對加密網平面精度影響不大。

4　POS數據輔助下的空三處理

POS數據輔助下的空三處理，是一項復雜性和技術性較強的工作。在實際工作中，POS數據輔助扮演著重要的角色。與傳統工藝相比較而言，空三加密的過程和高精度將會使形象改變,在這種情況下，我們能夠利用INPHO數據處理軟件以及傳統的數字攝影測量工作站進行試驗,將傳統的空三加密圖像處理軟件與專門處理圖像軟件進行詳細的比較與研究，從而得出空三加密技術的對精度的影響。

4.1POS輔助空三加密的原理

在開展數碼航空攝影時，將POS系統和數碼航攝儀集成在一起，通過GPS載波相位差分定位獲取數碼航攝儀的位置參數及IMU測定的數碼航攝儀的姿態參數，經后續IMU、DGPS數據的聯合處理，獲取航空攝影瞬間像片的位置（3個線元素）和姿態（3個角元素）即像片定向的6個外方位元素這樣在航測內業時能恢復攝影時像片與地面的關系，從而進行像片的解析測量。在實際的生產實踐中，可以根據不同的精度要求，采取提高外業控制點的措施來避免誤差，從而達到加密的要求。

4.2POS輔助航空攝影測量方法

POS輔助航空攝影測量方法主要包括直接定向法和POS輔助空中三角測量方法。直接定向法就是通過設置檢校場的方式，對集成系統的誤差進行檢驗，從而獲得每張像片的精度較高的外方位元素。通俗的說，就是對檢校場進行空中三角測量工作，從而檢校場每張像片的外方位元素值、偏心角的值以及三維坐標系統差的改正數三個數值。用得到偏心角的值以及三維坐標系統差改正數，對整個區域內的POS數據進行處理改正，最后得到每張像片的外方位元素。

兩者相比較來說,DG方法相對簡單，不需要地面控制點，可以減少價格，提高工作效率，但是對于大比例尺地形圖測繪的技術要求無法達到。

5　數據信息及其精度研究

空三加密成果主要分為三個，分別是常規空三加密（不加POS系統，4條基線布設一對像控點的區域法）、加帶POS系統的空三加密（10條基線布設一對像控點的區域法）和加帶POS系統的空三加密（隔條航線布設一對像控點的區域法），在帶POS系統空三加密中，經過多次作業實踐，循環研究分析發現由GPS獲取的外方位線元素比慣性導航IMU獲取的角元素對空三加密精度的影響值較大，而且更有效。表1為空三加密精度統計。

從表1中可以很顯然的看出，三種加密成果的檢查點都在誤差的范圍之內，數學精度也滿足規范要求的指標，完全適合技術生產要求。從檢查點和航測成圖的數學精度分析過程中，我們能夠看出帶POS系統后，空三加密的精度在不斷提高，尤其是在高程精度方面效果十分明顯，兩種控制點布點的方案雖然存在一定的差異，但是都比規范限差優越，能夠滿足大比例尺航測成圖規范要求。

我們可以通過以上分析可以明確地知道，POS系統它在足夠的數據處理系統軟件的控制下是比較穩定的,可靠地，其穩定性和可靠性較好。當控制點比較少的時候,POS數據誤差變化也是相對平穩,并且能夠保持足夠的高精度。

6　總結

綜合以上的分析可以知道，POS系統在空三加密中的作用是非常重要的，它對提高空中三角測量有著不可忽視的作用。這些結果表明,對兩系統現場控制點的分布是一樣的,關于傳統的攝像機現場控制點均勻分布,也適合新的數碼相機拍攝,加入POS數據輔助空中三角測量,能夠有效地降低地面控制點的數量。在實際的空三加密過程中,應該讓控制點均勻分布在所需要的范圍內,這樣做有利于提高測量結果的精確性。

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P2[文獻碼]B

1000-405X（2016）-9-229-2