ADS100航摄影像空中三角测量精度分析

屈伟军

（湖南省第二测绘院，湖南 长沙 410114）

目前，我国基本比例尺地形图的测制主要是采用航空摄影测量成图的方法。传统的航空摄影测量成图流程主要包括航空摄影、控制点

测量、空中三角测量和立体测图4个阶段，因为空中三角测量阶段需要引入大量地面控制点来解算相片外方位元素，从而导致成图过程周期长，野外工作量大[1]，尤其在荒漠、密林和高山等测区，很难获取地面控制点，无法采用常规的航空摄影测量方法。为了缩短作业周期，减少外业工作量和降低费用，近年来，出现了大量高精度的机载导航设备，航摄仪定向数据的利用在国际摄影测量界引起了广泛的高度重视[2]。国内外大量的试验研究证明，把POS数据作为附加观测值引入空中三角测量可以有效减少地面控制点的数量[3-4]。

随着科技的发展，新一代航摄仪基本实现了POS系统的集成。在国内使用的主流数码航摄仪中，大致可以分为3个系列：

1）微软公司的UC系列，包括UC LP、UC XP、UC Eagle等；

2）徕卡公司的DMC系列，包括DMC I、DMC II、DMC III；

3）徕卡公司的ADS系列，包括ADS 40、ADS 80、ADS 100。

前2个系列为框幅式数码航摄仪，第3个系列为推扫式数码航摄仪。ADS100航摄仪作为ADS系列的最新款航摄仪，具有优秀的航空摄影技术指标，目前国内已投入使用超过20余台。本文利用ADS100航摄仪集成有高精度POS系统的特点[3]，对ADS100航摄影像使用不同方式进行的空中三角测量精度进行分析，探讨减少航测空中三角测量过程中地面控制点数量的方法，以期缩短项目工期、节约项目成本。

1 ADS100数字航摄仪简介

ADS100数字航摄仪由瑞士徕卡公司于2013年推出，是世界上先进的推扫式航摄仪[5]。ADS100数字航摄仪集成了高精度的POS系统（包含惯性测量单元IMU和全球导航卫星系统GNSS），采用三线阵CCD扫描，一次飞行可以同时获取前视、下视和后视具有100%三度重叠的影像，其前视和下视具有高达0.8的基高比，能够保证良好的高程精度。徕卡ADS100航摄系统所集成的POS精度为POS AV 610级别，可以获取摄影瞬间相机精确的空间位置和姿态，为空中三角测量提供准确的外方位元素初值，POS AV 610的精度指标如表1所示。

表1 POS AV 610 绝对精度Tabel 1 Absolute accuracy of POS AV 610

2 试验数据概况

2.1 摄区基本情况

选择湖南省境内的2个摄区数据进行试验，2个摄区的航摄地面分辨率均为0.2 m，航摄时间均为2014年11月。摄区一为丘陵地形，摄影面积约1 400 km2，共11条航线，飞行方向为南北向，旁向重叠度30%，摄区内均匀布设了46个地面控制点；摄区二属山地地形，摄影面积约1 000 km2，共10条航线，飞行方向为东西向，旁向重叠度35%，摄区内均匀布设了38个地面控制点。

2.2 机载IMU/GNSS数据处理情况

机载IMU/GNSS数据使用徕卡公司的Inertial Explorer（简称IE）软件进行处理，摄区一利用湖南省CORS基站数据，采用差分GNSS方式对机载IMU/GNSS数据进行紧耦合处理，摄区二分别利用湖南省CORS基站数据和IGS精密星历数据，采用差分GNSS和精密单点定位[6]2种方式对机载IMU/GNSS数据进行紧耦合处理。

3 空中三角测量结果及分析

空中三角测量使用徕卡公司的XPro软件，平差时坐标系统采用CGCS 2000坐标系统，高程采用椭球高（可保证平差计算的数学严密性，后期可进行高程转换）。摄区一分别按照使用较多控制点、使用少量控制点和无控制点三种不同的方案进行区域网平差，控制点布设方案如图1所示（图1中三角形为控制点，圆形为检查点）。

图1 摄区一三种控制点布设方案Fig.1 3 control point layout options of photography area I

第1种方案使用19个控制点，27个检查点；第2种方案使用5个控制点，41个检查点；第3种方案无控制点，46个全为检查点。三种方案平差后控制点和检查点的中误差及最大值如表2所示。

表2 摄区一3种方案空三平差结果Table 2 Adjustment result of the photography area I m

从表中数据可以看出，3种方案的空三平差结果检查点的平面和高程中误差都在0.2 m左右，均小于空三规范[7]对1∶2 000比例尺丘陵地检查点中误差的要求（平面误差为0.70 m、高程误差为0.35 m）。因此，使用ADS100航摄影像进行空中三角测量，若采用差分GNSS方式处理机载IMU/GNSS数据，可以做到无控制点平差，其结果精度与使用大量控制点时基本一致，均能满足规范要求，且空中三角测量结果的精度不随地面控制点数量增加而提高。

摄区二对机载IMU/GNSS数据进行了差分GNSS和精密单点定位2种不同方式的处理，处理后均采用无控制点的空中三角测量方案，平差后38个检查点的中误差及最大值如表3所示。

表3 摄区二无控制点空三平差结果Table 3 Adjustment result without control points of photography area II m

从表中数据可以看出，2种方式的空三平差结果相差较大，采用差分GNSS方式处理机载IMU/GNSS数据时，检查点的中误差能够满足空三规范对1∶2 000比例尺山地检查点中误差的要求（平面误差为1.0 m、高程误差为0.8 m），采用精密单点定位方式处理机载IMU/GNSS数据时，虽然检查点的中误差也满足了规范要求，但进一步分析发现，其结果存在一定系统误差，如图2所示。

图2 精密单点定位无控制点空三平差后检查点平面和高程残差分布示意图Fig.2 Distribution of horizontal and vertical residuals for checkpoints after adjustment without control point by accurate single-point positioning method

从图2可见，空三结果的平面和高程都存在一定系统误差，其原因是在采用精密单点定位方式处理机载IMU/GNSS数据时，IE软件只进行了框架转换，而未进行历元转换。CGCS 2000坐标系统采用的框架是ITRF97，历元为2000.0，而IGS精密星历的历元为航摄当天（2014年11月），距离参考历元已有14年之久。从中国在全球参考框架下的速度场[8]可以看出，该系统误差的方向和大小与大陆板块运动的方向和大小吻合（如图3）。

图3 中国大陆在全球参考框架下的速度场Fig.3 Velocity field of Chinese mainland under global reference frame

在采用精密单点定位方式处理机载IMU/GNSS数据时，本文对摄区二加入1个控制点进行空中三角测量，平差后37个检查点的中误差及最大值如表4所示。

加入1个控制点后，各检查点的残差分布如图4所示。

从表4和图4可以看出，在加入1个控制点后，空三平差结果已经消除了系统误差，其精度也满足相应的规范要求。

图4 精密单点定位加入1个控制点空三平差后检查点平面和高程残差分布示意图Fig.4 Distribution of the horizontal and vertical residuals for checkpoints after adjustment with 1 control point by accurate singlepoint positioning method

表4 摄区二1个控制点空三平差结果Table 4 Adjustment result with 1 control point of photography area II m

4 结语

利用ADS100航摄影像，采用差分GNSS方式处理机载IMU/GNSS数据时，在无地面控制点的情况下达到了很高的空中三角测量精度，与使用大量控制点时精度相当；在采用精密单点定位方式处理机载IMU/GNSS数据时，空中三角测量结果存在一定的系统误差，但通过加入1个控制点即可消除该误差，上述2种方式的空中三角测量结果精度均能满足国家规范要求。实验结果表明，使用ADS100航摄影像进行无控制点或者少量控制点的空中三角测量是可行的，其结果精度可靠，满足国家规范要求，可以应用于生产作业。