DMC230检校场布设方案及检校精度分析

宗伟丽 甘 俊

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

GPS差分定位技术、IMU惯性导航技术以及高性能数码航摄相机技术的发展，使得基于DGPS/IMU辅助航空摄影在实现无外控(或少外控)测图方面表现出日益明显的优势。在航摄相机实际作业过程中，相机参考坐标系与IMU惯性平台参考坐标系的坐标轴之间会存在微小的角度偏差，即偏心角(Misalignment Angle);同时受制于地球曲率、相机焦距的变化以及GPS定位精度等影响，曝光点时刻相机中心的位置亦存在偏移误差，即线元素偏移值，这些误差因子使得经过DGPS/IMU解算获取的初始外方位元素存在较大误差，对后续的无控(或少控)测图应用影响较大。因此，通过相机(视轴)检校求取偏心角和线元素偏移值在基于DGPS/IMU辅助航空摄影测图中显得尤为重要。

1 航摄相机检校的基本原理

航摄相机检校是为了求出IMU与航摄仪之间的偏心角以及线元素分量偏移值，即在一个有足够数量且精度较高控制点的试验区进行检校飞行，采用空三加密方法计算出每张像片的外方位元素，含投影中心的位置和姿态角(φ，ω，κ)。然后通过与 DGPS/IMU解算获得的位置和姿态数据(φ，θ，ψ)进行差值平差计算，求得偏心角及线元素分量偏移值。

利用检校处理获取的偏心角和偏移值，对整个摄区范围加入角度系统差改正和线元素分量偏移值改正后，即可得到系统误差改正后的外方位元素成果，从而实现在整个摄区的无(或少)地面控制航空摄影测量。相机检校的基本流程如图1所示。

图1 相机检校基本流程

2 检校场布设方案

2.1 检校场选择

检校场应选择在高大建筑物较少、地面控制点选刺方便、同时易于连接点自动匹配的区域，检校场布设时应尽量布设在测区内或者在测区附近能够实施野外像控测量的区域。

2.2 检校场航线布设

检校场检校的目的是为了检校IMU与航摄仪之间的偏心角(侧滚角 ROLL、俯仰角 PITCH、航偏角HEADING)以及线元素分量偏移值(即3个角元素和3个线元素)。因此，检校场的航飞策略应最大程度体现偏心角和偏移值对定向精度的影响。采用平行同向飞行时，其不同航线飞行时侧滚角和航偏角的偏移方向是一致的，同时短时间内受风向影响的方向也是一致的，不利于侧滚角和航偏角的检校。而在只布设平行航线的情况下，每条航线的俯仰角方向都是一致的，不利用俯仰角的检校。因此，采取平行对飞与十字交叉飞行相结合是理想的相机检校航飞方式。

在实际作业中，数码航摄相机的检校场布设采用对飞和十字交叉飞行相结合的方式，航向重叠和旁向重叠一般不小于常规航飞作业要求，即旁向不小于30%，航向不小于65%;可按照布设4条平行对飞航线和2条垂直交叉航线的方式来进行航飞设计，同时要求每条航线一般不少于10幅影像。如图2所示。

2.3 检校场外控点布设

检校场内平高点应选在目标影像清晰，能准确判断点位(平面和高程)，GPS测量施测方便，并在长期飞行中均能在像片上准确识别的地方。如果在检校场区域内控制点点位附近选取平高点无法满足上述要求时，必须在地面人工布设控制点。同时，应采取必要的措施，确保作业期间所有地标点的保存完整无损，且在航摄像片上成像清晰完整。每个固定检校场的周边须布设不少于6个平高控制点，点位与像片边缘不小于1.5 cm。如图3所示。

图2 检校场航线布设示意

图3 检校场外控点布设示意

在进行检校场控制点测量的同时，需在检校场范围内明显地物处布设至少2个检查点，用于检校场空三结果的检核。

2.4 检校场基站选择

基站尽量布设在检校场区域范围内，距离不宜超过5 km。检校场基站应与首级控制网进行联测。

3 试验精度分析

3.1 试验简介

以东北某铁路航测项目为例，简要分析相机检校的精度以及对DGPS/IMU辅助空三的影响。项目航飞使用DMCⅡ230数字航摄仪，检校场航线采用了5 cm的地面分辨率。

3.2 检校过程

利用POSPac软件进行原始POS数据解算，解算后输出初始EO文件。

在数字摄影测量工作站LPS中，导入初始EO文件，进行DGPS/IMU辅助空三加密，加入外控点后，对原来的POS数据进行改正，输出一套改正后的EO数据。通过对原始EO数据和空三解算的EO数据进行平差解算，得到相机检校结果(如表1所示)。

表1 检校场检校结果

3.3 DGPS/IMU辅助空三精度分析

在项目航飞测区内选定某一块区域作为实验区域，分别利用检校前的EO数据和检校后的EO数据进行直接定向，将外业测量的检查点在测区中量测，得到检查点的残差(如表2、表3所示)。

表2 检校前检查点精度统计(中误差) m

表3 检校后检查点精度统计(中误差) m

从表1中可以看到，3个角元素和3个线元素的检校中误差小于0.5 arcmin和0.5 m，完全符合检校精度要求。从表2和表3可以看出，在DGPS/IMU无控空三中检校后的EO数据相比于检校前的EO数据精度有了普遍性的提高。为了更直观的分析检校前后平面和高程的精度，将检校前后平面和高程的精度进行对比(如图4所示)。

图4 检校前后误差对比

从图4中看出，无论是检查点的平面精度还是高程精度都有了明显提高，说明相机检校在DGPS/IMU辅助航测中起着重要的作用。

4 结束语

检校场的检校精度直接决定着初始EO的精度，因此，检校场位置的选择、航线的布设、外控点的布设以及地面基站的布设都直接影响着相机检校的结果。尽管在DGPS/IMU辅助空三加密时加入外业控制点可以提高空三加密的精度乃至地形图的精度，但在无控空三和直接定向法测图时，检校场的检校精度至关重要。在控制点辅助空三的情形下，良好的检校精度可以起到减少控制点数量的效果。

［1］张祖勋，张剑清．数字摄影测量［M］．武汉:武汉测绘科技大学出版社，1997

［2］王长进．机载激光雷达铁路勘察技术［M］．北京:中国铁道出版社，2010

［3］段福洲，宫辉力，朱琳．变基线航空摄影航线设计与飞行控制［J］．自然灾害学报，2008，17(6)