IMU/DGPS辅助航测技术在1∶2000航测成图中的应用及成图精度分析

梁龙帅 杨国创

（广东省地质测绘院 广东 广州 510800）

IMU/DGPS辅助航测技术在1∶2000航测成图中的应用及成图精度分析

梁龙帅 杨国创

（广东省地质测绘院 广东 广州 510800）

以广东省佛山市高明区测区1：2000航测成图技术方案为例，简要介绍IMU/DGPS辅助航空摄影测量技术在大比例尺测图中的应用，并对IMU/DGPS辅助空三加密成果进行精度分析。通过外业检测数据对DLG进行数学精度评定，论证采用IMU/DGPS辅助航空摄影测量技术在大比例尺测图中的数学精度。

IMU/DGPS；航空摄影测量；空中三角测量；精度分析；生产作业率

1 前言

目前，运用IMU/DGPS系统和航摄仪集成的方法，通过GPS载波相位差分定位获取航摄仪的位置参数和惯性测量单元IMU测定航摄仪的姿态参数，由IMU/DGPS集成系统可以获取摄影瞬间航摄仪的位置参数、姿态参数，也就是摄影像片的外方位元素，将此6种参数与少量地面控制点进行联合平差计算，即IMU/DGPS辅助空三加密解算，可得到各航片精确的外方位元素。

通过中小比例尺测图实践可以证明：上述方法可大大减少航空摄影测量作业量，甚至完全免除地面像控点，达到无需空中三角测量即可测图，进而减轻劳动强度，缩短作业周期，提高生产效率。

本文以广东省佛山市高明区测区1：2000航测成图中的技术方案为例，简要介绍IMU/DGPS辅助航空摄影测量技术在大比例尺测图中的应用，以及GPS地面基站的布设方案、外业像控点布设方案及内业加密方案，并对IMU/DGPS辅助空三加密成果进行精度分析，通过外业检测数据对线划图进行数学精度评定，论证采用少量像控点的IMU/DGPS辅助航空摄影测量技术在大比例尺测图中的数学精度。

2 IMU/DGPS辅助航空摄影测量技术实施方案

2.1 IMU/DGPS辅助航空摄影

为提高定位精度，在精密定位应用中通常采用差分GPS(DGPS)技术:将一台(或几台)GPS接收机安置在基准站上，与机载接收机进行同步观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并对机载接收机的定位结果进行改正，从而提高定位精度。采用UCXP数码航摄仪与IMU/DGPS航空摄影技术恢复摄影瞬间的位置和姿态，得到航摄像片及其外方位元素。依据相关规范［4］要求：1:2000成图地面基准站间距离不超过30km。佛山市高明区，东西跨度约 55km，南北长度约42km。在明城镇、荷城街道、西岸镇沿省道S5、S113、S272在县界附近布设6个地面基准站，均连接四等水准高程。

本项目航迹线按照东北—西南方向斜向敷设，航摄像片短边平行于飞行航线。摄区绝对航高为1800米，平均面高程133米，最大旋偏角为28°。航向重叠为60%—75%，旁向重叠为25%—40%，航线间接合良好，重叠符合规范要求，无绝对漏洞和相对漏洞。全区航摄33条航线（其中9条为补飞航线），共计2992张自然彩色数码像片。UCXP数码航摄仪焦距100.5mm，UCXp数码影像实际物理像幅大小为20cm×13cm，大部分影像清晰，反差适中，目视效果良好。

2区域网设计及像片控制测量像片控制点航向基线数跨度估算公式：

式中：

ms--连接点 （空三加密点）的平面位置中误差（单位：mm）

mh--连接点（空三加密点）的高程中误差（单位：m）

mq--视差量测的单位权中误差（单位：mm）

K--像片放大成图的倍数

H--相对航高（单位：m）

b--像片基线长度（单位：mm）

n--航线方向相邻平面控制点之间的间隔基线数

对于常规航空摄影，根据以上公式，可以估算出不同地形类别的平高点、高程点间隔基线数如下表：

表1 作业区域地形类别、相关间隔基线及精度

采用IMU／DGPS辅助航空摄影测量技术时，依据低空数字摄影测量规范要求，平面控制点采用角点布设法，区域网的航线数和和基线数可适当放宽，可根据需要加布高程控制点，区域网中应至少布设一个平面检查点。山地区域网布设航线跨度不超过7条航线，平高点基线跨度不超过20条基线（放大约0.5倍），高程点基线跨度不超过20条基线（放大约0.5倍），共布设区域网17个，第6网采用9点法布点，其余各网采用5点法布点，布设平高控制点144个，山地布设高程控制点120个。平地区域网平高点间隔不超过基线跨度不超过35条基线，高程点间隔不超过1条基线。6网、7网为实验区，实验区控制点数27个。已有1：500地形图(DWG格式)数据覆盖面积达368km2，用于补充控制点分布不足地区的控制点选取（图1）。

图1 作业区域已有图件数据分布图

3 IMU/DGPS辅助空中三 角测量、外业调绘及DOM、DEM、DLG制作

地面控制网的平面坐标依据相关规范，通过静态GPS方法获取，GPS观测、计算须满足相关规范要求。基站、角点、检测点的高程通过联测已知水准点获取，也可采用国家有关部门公布的高精度似大地水准面模型计算获取。采用高精度的支持载波相位差分GPS定位技术的高精度动态处理软件，基于精确的基站坐标（WGS84坐标），差分解算机载GPS观测数据，内插GPS摄站坐标，GPS摄站坐标投影转换为佛山市独立坐标系，摄站高程采用高精度似大地水准面模型内插获取。利用机载GPS处理数据，将基于IMU/DGPS技术直接获取的每张像片的外方位元素，作为带权观测值参与摄影测量区域网平差，获得更高精度的像片外方位元素成果。经过内业加密，在JX4全数字摄影测量系统上进行光束法区域网自动空中三角测量，根据航线影像自动进行影像匹配，建立数字地面模型，内业进行地物、地貌立体测绘，利用JX4成图软件进行编辑，生成1：2000数字线划调绘底图。通过采集的特征点、线构建TIN三角网，由TIN生成建立DEM，并完成影像的全数字微分纠正，按照统一的要求，进行色差调整、影像镶嵌，最后对DOM进行分幅裁切，制作1：2000彩色数字正射影像图。叠加DOM、DLG数据，形成外业调绘巡查底图进行调绘、补测，内业修改后、再编辑形成最终的1:2000数字线划图。

4 数学精度分析

4.1 空三加密精度统计

表2 空三加密精度统计表

以上误差均在各项检测误差允许值内，符合现有规范及设计要求（表2）。

4.2 1：2000数字线划图(DLG)数学精度检验

外业利用全站仪检测地物点平面坐标1136处，粗差4处，粗差率为0.35%，允许值为5%；检测点平面位置中误差为：±0.662m，允许值为±1.2m。平面位置精度满足1:2000数字线划图成图需要。

外业利用全站仪检测高程注记点1262处，粗差20处，粗差率为1.58%，允许值为5%，检测点高程中误差为：±0.521m，允许值为±0.75m。高程精度满足1: 2000数字线划图成图需要。

4.3 1∶2000数字高程模型（DEM）数学精度检验

内业检测1:2000数字高程模型 （DEM）1307个特征点高程，检测点高程中误差为±0.306m，允许值为±0.7m；粗差38个，粗差率为2.90%，允许值为5%；

外业检测1:2000数字高程模型（DEM）230个特征点高程，检测点高程中误差为±0.521m，允许值为±0.75m；粗差5个，粗差率为2.20%，允许值为5%。

高程精度满足1:2000数字高程模型 （DEM）成图要求。

4.4 1∶2000数字正射影像图（DOM）数学精度检验

内业检测1:2000数字正射影像图（DOM）7487个特征点的平面坐标，检测点平面位置中误差为± 0.434m，允许值为±1.4m；粗差22个，粗差率为0.29%，允许值为5%；

外业检测1:2000数字正射影像图（DOM）102个特征点的平面坐标，检测点平面位置中误差为± 0.429m，允许值为±1.4m；粗差2个，粗差率为1.96%，允许值为5%。

5 结论

5.1 DGPS平面计算精度与基站与飞机间距离有关系，距离越小，精度越高。

5.2 若能够充分利用已有大比例尺数字化测图成果，建立与当地地形更吻合的区域似大地水准面模型，以获取高精度的摄站高程，外业高程控制点的布设，将会有更大幅度的减少，甚至无需布设高程控制点。

5.3 加密区大小的选择：运用IMU/DGPS数字航空摄影测量技术，在1:2000成图中的山地、高山地地区，对于短边平行航线的像片而言，平高控制点基线跨度最大可放宽2倍，平面、高程精度均可达到规范要求；对于平地、丘陵地而言，平面控制点基线跨度最大可放宽1倍；高程点基线跨度可放宽0.5倍。

5.4 运用IMU/DGPS辅助航空摄影测量技术进行大比例尺测图，能满足测量的各项精度要求，同时减少作业成本的投入，大幅度提高了工作效率，取得良好的经济效益和社会效益。

［1］李学友，等．IMU/DGPS辅助航测技术在大比例尺航测成图中的应用［J］．测绘科学，2006，(1)：60—62．

［2］蔡文惠，梁国华．IMU/DGPS辅助航空摄影测量应用探讨［J］．测绘通报，2009，(4)：41—43．

［3］GB/T7930-20081：5001：10001：2000地形图航空摄影测量内业规范［S］．

［4］GB/T7931-20081：5001：10001：2000地形图航空摄影测量外业规范［S］．

［5］CH/Z_3004-2010低空数字航空摄影测量外业规范［S］