深圳市IMU/GPS辅助区域网平差布点方案

任治敏，卢永华

(深圳市勘察研究院有限公司，广东 深圳 518026)



深圳市IMU/GPS辅助区域网平差布点方案

任治敏*，卢永华

(深圳市勘察研究院有限公司，广东 深圳 518026)

采用深圳市一组带有IMU/GPS导航数据的航摄资料，根据地形划分空三区域，对各个空三区域不同的像控点布设方案产生的空三结果进行对比分析。以此为基础，从理论上得出深圳市各类地形基于IMU/GPS辅助光束法区域网平差最佳布点方案。

深圳市；地形；IMU/GPS辅助光束法区域网平差；布点方案

1 引 言

航空摄影测量数据是深圳市空间基础数据的重要组成部分，为各类基础调查提供基础图件或影像证据，广泛应用于土地利用现状调查、建设用地遥感监测、建筑现状调查、土地监察执法等业务中。

深圳市的整体地势为东南高，西北低，多数地块属于低丘陵地，并有平缓台地相间。市区有梧桐山、笔架山、马峦山等山峰。

IMU/GPS(Inertial Measurement Unit/Global Position System)辅助航空摄影测量可以直接获取像片的6个外方位元素，包括三个线元素和三个角元素[1～4]。是利用惯性测量单元(IMU)和全球定位系统(GPS)的组合测量技术，获取摄影瞬间摄影中心的位置参数和影像姿态参数的一种航空摄影技术[5]。

本文采用深圳市一组带有IMU/GPS导航数据的航摄资料为基础，根据深圳市的地形分布及特点，通过不同像控点布设方案得到平差精度，从理论上优化深圳市IMU/GPS辅助区域网平差布点方案。

2 研究区域与数据

研究区域深圳市位于中国南部沿海，广东省东南部，毗邻香港，位于北回归线以南。陆域位置东经113°46′～114°37′，北纬22°27′～22°52′。东临大鹏湾，西连珠江口，南与香港新界接壤，北靠东莞、惠州两市。深圳全境地势东南高，西北低，大部分为低丘陵地，间以平缓的台地，西部为滨海平原。境内最高山为梧桐山，海拔 943.7 m。

所用的航摄资料覆盖了整个深圳市，航摄实施共三个有效架次，有效架次航摄时间分别为2014年12月21日、2014年12月22日，2014年12月31日。共37条航线，其中北部航线N1～N9采用航向65%、旁向35%的敷设方法，南部航线N10～N32为中心城区，拥有较多高层建筑，为了减少建筑投影差，采用采用航向75%、旁向40%的敷设方法。影像地面分辨率为 0.18 m，可满足 1∶2 000数字地形图成图要求。

航摄资料相关参数如表1所示。

航摄资料参数 表1

惯导系统采用Applanix公司生产POS AV510系统获取位置与姿态参数。该系统记录相机飞行的空中姿态，利用机载GPS接收机记录的位置信息，将基站数据、机载GPS数据及IMU数据融合，再加上检校场所获得的偏心分量，就可精确计算出每张像片曝光瞬间的6个外方位元素[6]。

3 空三分区

区域网的划分一般按图廓线整齐划分，可根据航摄分区、地形条件等情况划分，力求网的图形呈方形或矩形。区域网的大小和像片控制点间的跨度主要依据成图精度、航摄资料条件以及对系统误差的处理等因素[7]。

根据以上划分原则，在深圳市范围内划分出4个区域网作为本文实验区域，如图1所示。

地形类别的确定 表2

图1 区域网分布

各区域网参数如表3所示。

各个区域网参数 表3

4 像控点布设

4.1 点位布设

IMU/GPS辅助光束法区域网平差时，布点要求为：平高控制点采用四角布点法，即在区域四个角处布设平高控制点，四角宜采用双点布设，平坦地区区域网中根据需要加布高程控制点；当布设构架航线时，可适当减少像控点点数[8]。

对不同地形类别的区域网，分别布设平高点和高程点，每个区域网按照4种方案布设，每种方案平面和高程控制的基线和航线跨度参照表4所示。4种方法布点示意图如图2所示。

点位布设基线和航线跨度 表4

图2 布点方案示意图

4.2 点位测量

深圳市1∶1 000地形图时效性好，几何精度高，其地物点的平面及高程精度如下：

主要地物点相对于邻近控制点的点位中误差应 ≤±10 cm，次要地物点相对于邻近控制点的点位中误差 ≤±15 cm；平坦地区高程点相对于邻近控制点的高程中误差应 ≤±15 cm，铺装地面高程点相对于邻近控制点的高程中误差应 ≤±7 cm。

以上精度完全满足1∶2 000像控点的选取要求：像片平高控制点相对邻近基础控制点的平面位置中误差不超过 0.24 m；像片高程控制点相对邻近基础控制点的高程中误差不超过1/10(平丘地 0.1 m，山地 0.2 m)基本等高距。

因此，在地形图覆盖的地区，将地形图叠加深圳已有影像，选取特征点位的高程点，并且读取三维坐标。

部分点位在地形图上找不到合适的像控点，这类像控点通过外业实地测量。GPS外业观测采用(标称精度不低于 5 mm+1 ppm×D)的双频GPS接收机(Trimble 5700)进行。

5 平差精度计算

5.1 平差精度测算

除了布设像控点，另需在空三分区中布设一定数量的检查点，平差结束后，计算检查点的坐标已知值和解算值之差，并根据以下公式计算平面中误差和高程中误差[9]：

(1)

式中：m1—中误差，单位为m；

△—野外实测值与解算值的误差，单位为m；

n—参与评定精度的点数。

5.2 平差精度要求

对于1∶2 000比例尺数字地形图成图要求，检查点的限差值如表5所示[9]。

检查点误差最大限值 表5

5.3 平差结果及分析

各个区域内均布设10个检查点，4个空三分区均采用4种方案进行空三解算，每种方案再通过pos数据是否参与平差计算分为两种情况，每个区域组合出8种平差方案，4个区域共计32种平差方案。分别计算各个检查点的限差和区域网中误差。其平差后结果如表6所示。

通过表6，对不同组合的平差结果进行分析：

(1)4个区域共32种平差方案在平面精度上并没有太大的变化，其中误差均在 0.5 m以下，最大残差均在 1 m以下，均不存在平面精度超限的情况。

(2)1区(丘陵)和2区(平地)只有按照方案一进行布点，才能保证高程精度不超限，并且在这种布点方式下，pos数据对高程精度影像并不大。

(3)3区(山地)和4区(高山地)按照前三种方案布点时，均能满足高程精度不超限，第四种方案在pos数据参与平差的情况下能满足这两种地形的高程精度要求。

平差后检查点精度 表6

6 结 论

(1)深圳市基础测绘数据较为完善，1∶1 000地形图上地物点精度完全满足航空摄影测量 1∶2 000像控点精度，充分利用已有地形图数据可大大减少像控点外业测量的工作量。

(2)布设平高点时，在旁向航线跨度4条，航向基线跨度24条的情况下均可满足不同地形的平面精度，且pos数据对平面精度影并没有太大影像。

(3)平地和丘陵的高程控制点在旁向航线跨度1条，航向基线跨度6条的情况下能保证高程精度不超限，放宽航向或者旁向高程点的布设，即使在pos数据参与平差的情况下，也无法满足这两种地形对高程精度的要求。

(4)山地和高山地这两种地形，在像控点布设和量测较为困难的情况下，pos数据参与平差能较大的提升区域网的高程精度，将高程控制点的布设放宽到旁向航线跨度4条，航向基线跨度24条。在深圳市梧桐山、七娘山、笔架山等难以布点和测点的山区，IMU/GPS辅助区域网平差具有非常大的优势。

[1] 李学友. IMU/DGPS辅助航空摄影测量原理、方法及实践[D]. 郑州：解放军信息工程大学，2005.

[2] Jens Kremer. CCNS/AEROcontrol-an Intergrated GPS/IMU System for Direct Georeferencing of Airborne Image Data[R]. Stuttgart，2002.

[3] M.Mostafa，J.Hutton，B.Reid. GPS/IMU products-the Applanix approach[R]. Germany， 2001.

[4] A.Dorota，Grejner-Brzezinska. Direct Exterior Orientation of Airborne Imagery with GPS/INS System: Performance Analysis[J]. Navigation，1999，46(4)：261～270.

[5] 郭大海，王建超，郑雄伟. 机载POS系统直接地理定位技术理论与实践[M] . 北京：地质出版社，2009：1～5.

[6] 姜艳武，苏坤，张鑫鑫. POS AV510系统辅助DMC在航空摄影中的应用[J]. 影像技术，2011(3)：59～61.

[7] GB/T 13977-2012. 1∶5000 1∶10000地形图航空摄影测量外业规范[S].

[8] CH/T 3006-2011. 数字航空摄影测量 控制测量规范[S].

[9] GB/T 23236-2009. 数字航空摄影测量 空中三角测量规范[S].

Control Point Layout Schemes for Block Adjustment Based on IMU/GPS in Shenzhen City

Ren Zhimin，Lu Yonghua

(Shenzhen Investigation&Research Insitute Co. ，Ltd. Shenzhen 518026，China)

This paper selects a set of aerial photographs with the camera position determined by IMU/GPS kinematic positioning， divides the aerotriangulation area based on terrain，and compares aerotriangulation results of different control point layout schemes for different aerotriangulation area.Based on the analysis of the test results，the author put forward the best control point layout scheme for IMU/GPS-supported bundle block adjustment of different terrain in Shenzhen city.

Shenzhen city；terrain；IMU/GPS-supported bundle block adjustment；control point layout scheme

1672-8262(2016)05-64-04

P231

B

2016—03—11

任治敏(1986—)，女，硕士，工程师，主要从事摄影测量与遥感方面的项目管理及研究工作。