空三加密POS系统的应用与分析

■李小敏

（广东省地图院　广东　广州　510062）

空三加密POS系统的应用与分析

■李小敏

（广东省地图院广东广州510062）

随着我国科学技术的不断进步，惯性导航技术和全球定位技术已经成为一项重要的技术,也让空三加密可以使用少许的控制点进行测量工作。POS的出现使得空三加密更加趋于数字化、技术化。本文通过对某市高精度数码航空摄影中POS系统的应用，经过常规、加带POS系统等空三加密作业方法的作业对比和数学精度分析，研究和分析了POS辅助空中三角测量成果精度的影响，探讨满足各项标准规范要求的前提下，POS辅助空中三角测量中野外像控点施测的最优方案，并探讨了POS系统辅助空三加密的原理以及测量方法等等。

POS系统空三加密

1　引言

社会在不断进步，科学技术也在不断进步，所以说测绘技术和计算机技术也在突飞猛进的进步。在我国，传统的航空摄影测量主要侧重于摄影技术的运用，周期短、价格低、准确性高是传统航空摄影的优点，他已经成为绘制地形图的重要技术手段。精密空间定位系统(Positioning Orientation System，POS)技术的研发应用，增强了导航定位精度，也大大提升了数码航空摄影的质量。POS系统是准确性和精度都很高的定位定向系统，它把差分全球定位系统(DGPS)技术和惯性导航技术结合在一起，发挥更强大的功能，他可以从中得到空间位置的信息和三轴姿态信息，也就是获取瞬时摄影像片的空间位置和三轴姿态信息。系统包括GPS接收机和IMU两个部分，也称GPS/IMU集成系统。

2　POS系统的概述

2.1POS系统组成介绍

图1　POS系统的流程图

POS系统是在全球定位系统(GPS)和惯性测量单元(IMU)的基础上，而形成的一种系统，该项系统可以直接对航空摄影影像的外方位元素直接进行测定工作,也能够在没有地面控制或者地面控制很少的情况下，顺利完成定位和图像采集的工作。POS技术的引进，在实践过程中的数据采集以及处理都大大提高了工作效率，对工程的进展也有很大的帮助。POS系统中的接收机，主要作用是接收GPS数据,IMU的作用是提供设备瞬间的速度,加速度以及方向信息,并且接收POS数据处理软件发出的问题，从而获得定位的信息。

2.2POS系统的技术分析

IMU是一种不受外界干扰，可以传输能量，而且不依靠任何外界事物的的一种导航设备，它的优点是具有良好的隐蔽性，数据更新速度快，更新率高，稳定性也好。所以在军事和民用领域有着举足轻重的地位，扮演着越来越重要的角色。但是它也具有一定的缺点，比如，单独使用时具有一定的误差，它的应用程序和所接受的任务也是他的缺点。GPS是一种无线电导航和定位系统,他是一个接收站可以提供精确度高的位置信息。图1是POS系统的流程图。

2.2.1数码航空摄影

某市数码航空摄影采用基于POS系统数字航空遥感技术获取摄区影像数据。使用最新型号的大像幅数字航空遥感像机（集成飞行管理系统、POS系统、三轴稳定平台采用焦距79.8mm,像片像素5.2um,幅面6.80cm×13.08cm（解压缩后数据量748M左右）,地面分辨率0.18m的影像数据和POS数据，采用先进的集成传感器定向（简称ISO-Integrated Sensor Orientation）摄影测量方案，辅助地面基站、布设检校场，通过少量外业控制点测量，经过IMU/DGPS数据处理与数字空中三角测量解算，获取航空摄影像片的高精度外方位元素。地面基准站采用广州市连续运行参考站（SYCORS）的数据进行摄影的联合数据处理，确保数码航空摄影数据成果的精确程度。

2.2.2坐标转换

通过POS系统计算的摄影瞬间像主点的坐标,是通过GPS卫星定位系统采集的数据信息而获得的，它的数据主要是使用了国家大地坐标系(CGCS2000坐标系)的研究结果。从目前的状况来看，不论是在航测外业工作还是内业工作的工作图中，所使用的的坐标系都是是1954年北京坐标系，1980西安坐标系以及地方独立坐标系统，它与摄影瞬间像点的坐标之间存在一定的差异，为了利用摄影瞬间像片的位置(3个线元素)和姿态(3个角元素)，必须进行坐标转换，在统一的坐标系内进行航测内业运算和测图。

3　空三组网计算方案

3.1外业像控点布设

图2　航线及像控点分布图

航测成图采用地面分辨率优于0.2cm的数码航摄资料，该实验摄区采用POS辅助航摄，航线东西向飞行，摄影比例尺1：3500，共11条航线，每条航线约有40张像片，共计431张航片。按照常规加密要求对像控点布设，航线按每隔4条基线布设一对平高控制点。如图2航线及像控点分布图（见图2），同向不超20个航片，旁向不超4航线一个控制点，共布设10排5列像控点。

表1　空三加密精度统计

3.2航测内业空中三角测量

3.2.1全自动空中三角测量

数字航空摄影的测量作业,空中三角测量(简称空三加密)在航测内业空中三角测量中起着关键性的作用，它对产品的质量以及工作效率都有着巨大的影响。空中三角测量是来确定区域范围内的定位以及姿态测量,用来获得该区域范围内的任何一个点的绝对坐标，在定向控制和外部定向参数的基础上,准确找出区域内所有的影像外方位元素,最后确定出对应的对象空间点的坐标。

自动空中三角测量的过程中,关于模型的连接点,经过多影像匹配算法可以提高准确性和工作效率，图像的坐标也可以自动完成测量。地面控制点中的区域网络,从目前来看，还不能通过有效的算法自动完成图像的定位，只能够通过数字摄影测量工作站的操作员手动完成测量。

3.2.2空中三角测量作业

第一，要按常规方法进行区域网加密计算，加密网的定向点以及航测外业中的检查点都看作内业点进行准确测定。通过加密计算得到的外业检查点的空三解算坐标与外业实测中得到的坐标找出差异，并且研究分析误差所在的原因，从而获得满足标准规范要求的加密网。引入POS数据辅助空中三角测量的计算，全部检查点以及定向点都不需要重新测量，加强像控点权重的比例系数的大小，将加密网定向点的数量以及分布进行变化（一是选择10条基线布设一对像控点的方案，二是在10条基线基础上，隔航线布设一对像控点的方案），改变POS数据权重比例（改变POS数据的平面权重，对加密网平面精度影响不大。

4　POS数据辅助下的空三处理

POS数据辅助下的空三处理，是一项复杂性和技术性较强的工作。在实际工作中，POS数据辅助扮演着重要的角色。与传统工艺相比较而言，空三加密的过程和高精度将会使形象改变,在这种情况下，我们能够利用INPHO数据处理软件以及传统的数字摄影测量工作站进行试验,将传统的空三加密图像处理软件与专门处理图像软件进行详细的比较与研究，从而得出空三加密技术的对精度的影响。

4.1POS辅助空三加密的原理

在开展数码航空摄影时，将POS系统和数码航摄仪集成在一起，通过GPS载波相位差分定位获取数码航摄仪的位置参数及IMU测定的数码航摄仪的姿态参数，经后续IMU、DGPS数据的联合处理，获取航空摄影瞬间像片的位置（3个线元素）和姿态（3个角元素）即像片定向的6个外方位元素这样在航测内业时能恢复摄影时像片与地面的关系，从而进行像片的解析测量。在实际的生产实践中，可以根据不同的精度要求，采取提高外业控制点的措施来避免误差，从而达到加密的要求。

4.2POS辅助航空摄影测量方法

POS辅助航空摄影测量方法主要包括直接定向法和POS辅助空中三角测量方法。直接定向法就是通过设置检校场的方式，对集成系统的误差进行检验，从而获得每张像片的精度较高的外方位元素。通俗的说，就是对检校场进行空中三角测量工作，从而检校场每张像片的外方位元素值、偏心角的值以及三维坐标系统差的改正数三个数值。用得到偏心角的值以及三维坐标系统差改正数，对整个区域内的POS数据进行处理改正，最后得到每张像片的外方位元素。

两者相比较来说,DG方法相对简单，不需要地面控制点，可以减少价格，提高工作效率，但是对于大比例尺地形图测绘的技术要求无法达到。

5　数据信息及其精度研究

空三加密成果主要分为三个，分别是常规空三加密（不加POS系统，4条基线布设一对像控点的区域法）、加带POS系统的空三加密（10条基线布设一对像控点的区域法）和加带POS系统的空三加密（隔条航线布设一对像控点的区域法），在带POS系统空三加密中，经过多次作业实践，循环研究分析发现由GPS获取的外方位线元素比惯性导航IMU获取的角元素对空三加密精度的影响值较大，而且更有效。表1为空三加密精度统计。

从表1中可以很显然的看出，三种加密成果的检查点都在误差的范围之内，数学精度也满足规范要求的指标，完全适合技术生产要求。从检查点和航测成图的数学精度分析过程中，我们能够看出带POS系统后，空三加密的精度在不断提高，尤其是在高程精度方面效果十分明显，两种控制点布点的方案虽然存在一定的差异，但是都比规范限差优越，能够满足大比例尺航测成图规范要求。

我们可以通过以上分析可以明确地知道，POS系统它在足够的数据处理系统软件的控制下是比较稳定的,可靠地，其稳定性和可靠性较好。当控制点比较少的时候,POS数据误差变化也是相对平稳,并且能够保持足够的高精度。

6　总结

综合以上的分析可以知道，POS系统在空三加密中的作用是非常重要的，它对提高空中三角测量有着不可忽视的作用。这些结果表明,对两系统现场控制点的分布是一样的,关于传统的摄像机现场控制点均匀分布,也适合新的数码相机拍摄,加入POS数据辅助空中三角测量,能够有效地降低地面控制点的数量。在实际的空三加密过程中,应该让控制点均匀分布在所需要的范围内,这样做有利于提高测量结果的精确性。

[1]杨如华，朱玉云.POS辅助空中三角测量中野外像控点的位置和数量对精度的影响分析［J］.矿山测量，2012(1):52-54.

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[3]陈宇彤，邓权，黄绍美.GPS辅助空中三角测量在大比例尺地形图中的应用［J］.测绘与空间地理信息，2010(3)

P2[文献码]B

1000-405X（2016）-9-229-2