王曉艷 楊 超 梁 石 王 安

(陜西測(cè)繪地理信息局測(cè)繪開(kāi)發(fā)服務(wù)中心/西安華測(cè)航攝遙感有限公司，陜西 西安，710054)

PPP與DGPS在IMU/GPS輔助1∶10000航測(cè)項(xiàng)目中的應(yīng)用研究

王曉艷 楊 超 梁 石 王 安

(陜西測(cè)繪地理信息局測(cè)繪開(kāi)發(fā)服務(wù)中心/西安華測(cè)航攝遙感有限公司，陜西 西安，710054)

IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)可減少外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量工作量，進(jìn)而縮短航攝成圖周期，多應(yīng)用于1∶10 000比例尺成圖項(xiàng)目中。POS數(shù)據(jù)解算方法分為精密單點(diǎn)定位與差分GPS兩種，本文結(jié)合商南項(xiàng)目(地面分辨率為0.5m)，對(duì)兩種解算方法得出的外方位元素進(jìn)行比較分析，采用帶控制點(diǎn)的POS輔助空三加密方法，經(jīng)對(duì)空三加密地面檢查點(diǎn)精度分析，分析兩種解算結(jié)果能否滿(mǎn)足1∶10 000比例尺成圖精度。

精密單點(diǎn)定位 差分GPS POS輔助 精度

1 引言

IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)是當(dāng)前使用較廣泛的一種輔助航空攝影技術(shù)，該技術(shù)利用慣性測(cè)量單元(IMU)和全球定位系統(tǒng)(GPS)的組合測(cè)量技術(shù)，獲取攝影瞬間攝影中心的位置參數(shù)及影像的姿態(tài)參數(shù)的一種航空攝影技術(shù)[1]。該技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是POS數(shù)據(jù)解算技術(shù)。POS解算方法根據(jù)是否采用地面基站，分為精密單點(diǎn)定位和差分GPS定位兩種。

在IMU、GPS硬件設(shè)備相同的情況下，POS解算精度的不同與采用的解算方法有關(guān)，POS解算精度又將影響成圖精度。IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)多在1∶10 000比例尺測(cè)圖項(xiàng)目中應(yīng)用，技術(shù)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮得也比較顯著。本文結(jié)合商南項(xiàng)目(航攝儀為UCXp WA，地面分辨率為0.5m)，選取合適的試驗(yàn)區(qū)域，比較分析兩種解算結(jié)果，采用帶控制點(diǎn)的POS輔助空三加密方法，經(jīng)對(duì)空三加密地面檢查點(diǎn)精度分析，分析兩種解算結(jié)果能否滿(mǎn)足1∶10 000比例尺成圖精度。

2 精密單點(diǎn)與差分GPS定位

精密單點(diǎn)定位(PPP—Precise Point Positioning)是利用載波相位觀測(cè)值以及由IGS等組織提供的高精度的衛(wèi)星星歷及衛(wèi)星鐘差來(lái)進(jìn)行高精度單點(diǎn)定位的方法。目前，根據(jù)一天的靜態(tài)觀測(cè)值所求得的平面位置精度可達(dá)2-3cm，高程精度可達(dá)3-4cm，實(shí)時(shí)定位的精度可達(dá)分米級(jí)[2]。PPP技術(shù)具有全天候、無(wú)需參考站和高精度定位的優(yōu)點(diǎn)，一直為科研項(xiàng)目和民用工程提供可靠、高精度的定位保障。精密單點(diǎn)定位技術(shù)為IMU/GPS輔助航空攝影項(xiàng)目提供了新的解決方案，若在解算精度滿(mǎn)足要求的情況下，采用該技術(shù)可以省掉地面基站的布設(shè)、觀測(cè)和計(jì)算工作。

差分GPS(DGPS—Differential GPS)是利用已知精確三維坐標(biāo)的差分GPS基準(zhǔn)臺(tái)，求得偽距修正量或位置修正量，將這個(gè)修正量實(shí)時(shí)或事后發(fā)送給用戶(hù)(GPS導(dǎo)航儀)，對(duì)用戶(hù)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以提高GPS定位精度[3]。單站差分GPS建立在用戶(hù)的位置或距離誤差與基準(zhǔn)站的誤差完全相同這一基礎(chǔ)之上。當(dāng)用戶(hù)離基準(zhǔn)站較近時(shí)(例如S<20km)，這種方法的定位精度有可能達(dá)到亞米級(jí)；當(dāng)間距增加至200km時(shí)，定位精度將下降為5～10m[2]。差分GPS的優(yōu)點(diǎn)是不需要考慮復(fù)雜的誤差模型，解算模型簡(jiǎn)單、待估參數(shù)少、定位精度高，因此被廣泛應(yīng)用在IMU/GPS輔助航空攝影測(cè)量中。其不足之處在于：作業(yè)時(shí)至少需要一臺(tái)接收機(jī)置于基站上進(jìn)行同步連續(xù)觀測(cè)。對(duì)于人煙稀少、偏遠(yuǎn)的荒漠、戈壁區(qū)域，建設(shè)基站存在很大的困難。

實(shí)踐中，采用PPP技術(shù)，完全可以達(dá)到厘米級(jí)的定位精度。與精密的差分GPS結(jié)果比較，PPP技術(shù)的動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位精度優(yōu)于40cm。靜態(tài)精密單點(diǎn)定位技術(shù)可以達(dá)到厘米級(jí)的定位精度，動(dòng)態(tài)定位精度也可以達(dá)到幾十厘米[4]。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況

商南項(xiàng)目采用UCXp-WA數(shù)碼航攝儀實(shí)施航空攝影，地面分辨率為0.5m，POS系統(tǒng)為Applanix公司的POS AV510 V6，成圖比例尺為1∶10 000。試驗(yàn)區(qū)選在商南項(xiàng)目航攝04分區(qū)的商南縣附近區(qū)域，面積約2011km2，東西向約50km，南北向約40km。試驗(yàn)區(qū)范圍覆蓋四幅1∶5萬(wàn)圖幅(圖號(hào)分別為：I49E015011、I49E015012、I49E016011、I49E016012)。地形以山地為主，少量高山地。試驗(yàn)區(qū)的攝站點(diǎn)、控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)分布情況如圖1所示。

試驗(yàn)區(qū)使用的航攝儀、飛機(jī)、地面分辨率、航向旁向重疊度、控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)等技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 試驗(yàn)樣區(qū)技術(shù)參數(shù)

4 POS數(shù)據(jù)解算

精密單點(diǎn)與差分GPS解算在POS數(shù)據(jù)解算的流程上基本一致，主要有以下四個(gè)步驟，應(yīng)用POS系統(tǒng)配套的POS數(shù)據(jù)解算軟件POSPac 7.1解算POS數(shù)據(jù)。主要步驟如下：

(1)IMU/DGPS數(shù)據(jù)預(yù)處理。對(duì)每個(gè)架次飛行的IMU/DGPS數(shù)據(jù)(包括機(jī)載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)、IMU記錄數(shù)據(jù)、Event Mark數(shù)據(jù)、差分GPS解算時(shí)還包括基站數(shù)據(jù))進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理完成后檢查POS數(shù)據(jù)是否完整、有無(wú)漏片的問(wèn)題；(2) IMU/DGPS數(shù)據(jù)濾波計(jì)算。應(yīng)用軟件解算對(duì)GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，經(jīng)卡爾曼濾波得出每張像片攝站點(diǎn)(投影中心)的粗精度的6個(gè)外方元素；(3) 檢校場(chǎng)空中三角測(cè)量、求解系統(tǒng)偏差。利用檢校場(chǎng)地面控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)進(jìn)行空三加密計(jì)算，空三精度符合規(guī)范要求后，將空三得到的檢校場(chǎng)外方位元素與IMU/DGPS數(shù)據(jù)濾波計(jì)算得到的外方位元素比較，得到外方位元素的系統(tǒng)偏差；(4) 檢校計(jì)算及成果輸出。對(duì)每張像片的6個(gè)外方位元素進(jìn)行系統(tǒng)偏差改正，輸出每張像片經(jīng)系統(tǒng)改正后的外方位元素成果。

當(dāng)采用精密單點(diǎn)定位解算時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)下載飛行當(dāng)天的精密衛(wèi)星星歷、精密衛(wèi)星鐘誤差等數(shù)據(jù)。這種精密軌道產(chǎn)品宜采用IGS組織提供的。IGS組織擁有全球范圍內(nèi)420多個(gè)永久GNSS跟蹤站，其地心坐標(biāo)經(jīng)度約3cm，分布更加合理，精密衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘誤差一般在7—14天后發(fā)布。

采用DGPS方法解算時(shí)，導(dǎo)入基站數(shù)據(jù)，試驗(yàn)區(qū)選用的基站距離試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的攝站點(diǎn)距離為30-170km。

5 PPP與DGPS解算結(jié)果比較分析

使用商南試驗(yàn)區(qū)的數(shù)據(jù)，共涉及9條航線(5-7航線是一個(gè)架次飛行，8-13航線是另一個(gè)架次飛行)，航線東西方向布設(shè)，每條航線30張像片，共270張像片。

外方位元素成果采用的坐標(biāo)系統(tǒng)為：

平面坐標(biāo)系：2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。

高程基準(zhǔn)：大地高。

投影與分帶方式：采用高斯-克呂格投影，采用3度分帶。

PPP解算結(jié)果與DGPS解算結(jié)果三個(gè)線元素之間的較差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 PPP解算結(jié)果與DGPS解算結(jié)果 三個(gè)線元素較差統(tǒng)計(jì)表 單位：米

PPP解算結(jié)果與DGPS解算結(jié)果三個(gè)線元素之間的較差統(tǒng)計(jì)圖如圖2所示。

PPP解算結(jié)果與DGPS解算結(jié)果三個(gè)角元素之間的較差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 PPP解算結(jié)果與DGPS解算結(jié)果 三個(gè)角元素差值統(tǒng)計(jì)表 單位：度

PPP解算結(jié)果與DGPS解算結(jié)果三個(gè)角元素之間的較差統(tǒng)計(jì)圖如圖3所示。

比較分析得出如下結(jié)論：

(1)對(duì)同一個(gè)架次同一個(gè)像主點(diǎn)而言，分別使用精密單點(diǎn)定位和差分GPS兩種解算方法得出的外方位元素差距在同一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，且同一條航線內(nèi)的較差接近一致；(2)使用精密單點(diǎn)定位和差分GPS兩種解算方法得出的外方位元素之間的較差與飛行架次、航線有一定的相關(guān)性，在同一架次、同一航線內(nèi)的較差呈現(xiàn)出較為一致的規(guī)律性。

6 試驗(yàn)方法及成圖精度分析

6.1 試驗(yàn)方法

采用帶地面控制點(diǎn)的POS輔助空三加密法，外方位元素值分別使用精密單點(diǎn)定位、差分GPS兩種解算方法得出的兩組成果，借助空三軟件比較外業(yè)實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)的精度，分析兩種解算結(jié)果能否滿(mǎn)足1∶10 000比例尺成圖精度。

POS輔助定向法的實(shí)際精度，可以利用n個(gè)地面檢查點(diǎn)的坐標(biāo)值(野外實(shí)測(cè))和POS輔助定向值之間的偏差(ΔX，ΔY，ΔZ)，按下公式1求出[5]：

(1)

式中，μxy為總體平面實(shí)際精度，μz為總體高程實(shí)際精度，n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)。

6.2 精度分析

空中三角測(cè)量像點(diǎn)采集和POS輔助空三平差解算都是在PixelGrid軟件中進(jìn)行，13個(gè)外業(yè)控制點(diǎn)參與定向計(jì)算，50個(gè)檢測(cè)點(diǎn)作為檢查點(diǎn)使用，PPP和DGPS使用相同的控制點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)和檢查點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)與外方位元素成果采用的坐標(biāo)系統(tǒng)一致。

空三加密檢查點(diǎn)中誤差見(jiàn)表3所示。

GB/T 23236-2009《數(shù)字航空攝影測(cè)量 空中三角測(cè)量規(guī)范》、GB/T 13990-2012《1∶5000、1∶10000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》中規(guī)定，成圖比例尺1：10000平地平面位置中誤差為3.5m，高程中誤差為0.3m(此項(xiàng)見(jiàn)GB/T 23236-2009規(guī)范)；丘陵地平面位置中誤差為3.5m，高程中誤差為1.0m；山地平面位置中誤差為5.0m，高程中誤差山地2.0m；高山地平面中誤差為5.0m，高程中誤差為3.0m[6],[7]。

從表中結(jié)果可以看出，商南試驗(yàn)區(qū)采用PPP、DGPS兩種解算方法得出的兩組外方位元素，可滿(mǎn)足1∶10 000比例尺地形圖平地、丘陵地、山地、高山地地形的平面精度要求，滿(mǎn)足山地、高山地地形的高程精度要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)商南試驗(yàn)區(qū)采用PPP、DGPS解算方法得出的兩組像片外方位元素比較分析得出，兩組外方位元素之間存在一定的差值，與架次、航線有一定的相關(guān)性。經(jīng)試驗(yàn)分析，當(dāng)采用帶地面控制點(diǎn)的POS輔助空三加密方法時(shí)，PPP、DGPS解算方法得出的外方位元素成果均可滿(mǎn)足1∶10 000比例尺地形圖山地、高山地地形的平面、高程精度要求。

對(duì)于布測(cè)地面基站困難的1∶10 000 POS輔助航測(cè)項(xiàng)目，采用精密單點(diǎn)定位解算方法與差分GPS解算方法相比，可省掉地面基站的布設(shè)、觀測(cè)和計(jì)算工作，有很大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，下一步仍需要結(jié)合更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行這方面的試驗(yàn)研究。

[1] GB/T 27919-2011.IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[2] 李征航，黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理[M].湖北武漢：武漢大學(xué)出版社,2005.

[3] 徐紹銓?zhuān)瑥埲A海，楊志強(qiáng)等. GPS測(cè)量原理及應(yīng)用[M].湖北武漢：武漢大學(xué)出版社，2008.

[4] 劉焱雄，周興華，張衛(wèi)紅等.GPS精密單點(diǎn)定位精度分析[J].海洋測(cè)繪，2005,(1)：44-46.

[5] Yuan Xiuxiao.A Novel Method of Systematic Error Compensation for a Position and Orientation System[J].Progress in Natural Science,2008,18(8):953-963.

[6] GB/T 23236-2009.數(shù)字航空攝影測(cè)量 空中三角測(cè)量規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[7] GB/T 13990-2012.1∶5000、1∶10000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

Research on PPP and DGPS Applying in IMU/GPS-supported 1∶10000 Photogrammetry Project

WANG Xiao-yan,YANG Chao, LIANG Shi,WANG An

(The Development and Service Center of Shaanxi Administration of Surveying&Mapping /Xi’an Huace Aerial Photography and Remote Sensing Co.,Ltd, Xi’an Shanxi 710054，China)

The technology of IMU/GPS supported aerial photography can reduce workload of photo control survey and shorten the period of aerophotogrammetrical mapping. It is mostly used in 1∶10 000 scale mapping projects. POS data processing methods can be classified as PPP and DGPS. The paper compared exterior orientation calculated by those two methods(data from Shangnan projects), and analyzed accuracy of POS supported aerialtriangulation with GCPs by check points.Finally,the article make a conclusion that whether the exterior orientation calculated by PPP and DGPS can be used to 1∶10000 scale mapping.

2016-05-13

P231

B

1007-3000(2016)06-4