樊建強　楊旭

摘要：利用POS系統(tǒng)可以在航空攝影過程中直接測定每張相片的6個外方位元素。通過檢校計算精確測定Boresight角度可以提高POS數(shù)據(jù)的精度，實現(xiàn)直接定向。本文探討檢校原理與流程，通過實際數(shù)據(jù)分析驗證。

關(guān)鍵詞：POS系統(tǒng)；航空攝影；檢校場

Calculate the Boresight angle of

Aerial Photogrammetry Camera

Abstract： Using POS system can direct determination of 6 exterior orientation in aerial photogrammetry. In camera calibration calculate the boresight angle to improve the accuracy of POS system， achieve the Direct Georeferencing. This paper discusses the principle and process of the calibration， validation through the actual data analysis.

Keywords： POS， aerial photogrammetry， calibration.

1. 背景介紹

攝影測量中解析空中三角測量（空三加密）的內(nèi)容是解求航攝區(qū)域內(nèi)每張影像的外方位元素X，Y，Z， j，w，k及解算待定點的地面坐標。POS系統(tǒng)的應用初衷，就是在航空攝影中精確測量曝光時的航攝儀位置及姿態(tài)信息，進而直接獲取外方位元素，進行POS輔助空中三角測量或者直接定向法。為提高POS解算精度，需要進行檢校計算。

2. 原理分析

2.1 POS系統(tǒng)簡介

POS（Position and Orientation System， 定位定向系統(tǒng)）集合了差分GNSS設(shè)備與IMU （慣性導航測量單元）于一體，可以獲取實時空間位置和三軸姿態(tài)信息，已廣泛應用于飛機、火箭、輪船等導航定位。POS系統(tǒng)由四部分組成

（1）GNSS接收機：機載移動GNSS接收機及地面基站GNSS接收機，數(shù)據(jù)采樣頻率大于等于1Hz。POS技術(shù)中采用載波相位差分的GNSS動態(tài)定位技術(shù)解求天線相位中心位置。差分技術(shù)就是在一個或幾個已知點位安置接收機為基準站，與機載接收機同步觀測，然后將基準站測定的位置坐標或其它參數(shù)與相應的已知結(jié)果求差，綜合兩站的觀測數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算。

（2）IMU單元 ：由加速度計、陀螺儀和中央處理器組成。通過組合加速度和角度速率，以獲取IMU相對于地球的位置、速度和方向。

（3）計算控制系統(tǒng)：包含控制計算系統(tǒng)和實時組合導航的計算機。用于配置系統(tǒng)各硬件的性能參數(shù)，記錄存儲數(shù)據(jù)和實時組合導航計算結(jié)果為飛行管理系統(tǒng)提供必要信息。

（4）數(shù)據(jù)后處理軟件：通過處理POS系統(tǒng)在飛行中獲得的IMU和GNSS移動站數(shù)據(jù)以及基準站數(shù)據(jù)得到最優(yōu)的組合導航解。當POS系統(tǒng)用于攝影測量時，最后還需要進行偏心及檢校計算來獲取每張影像在曝光瞬間的外方位元素。

2.2 POS系統(tǒng)應用

POS系統(tǒng)應用于攝影測量有兩種方式：

（1）直接傳感器定向

在已知GPS天線相位中心、IMU及航攝儀三者之間空間關(guān)系的前提下，可直接對POS系統(tǒng)獲取的GPS天線相位中心的空間坐標（X，Y，Z）及IMU系統(tǒng)獲取的橫滾角、俯仰角、航跡角進行數(shù)據(jù)處理，獲取航空影像曝光瞬間的攝站中心三維空間坐標（XS， YS ，ZS）及其航攝儀三個姿態(tài)角（j，w，k），從而實現(xiàn)無地面控制條件下直接恢復航空攝影的成像過程。直接定向主要優(yōu)點是：整個測區(qū)不進行空三加密平差計算、不加入地面控制點。與傳統(tǒng)的空中三角測量以及GPS輔助控制三角測量相比，不但節(jié)約了很大的費用，同時還極大地提高了生產(chǎn)效率。單獨直接定向的缺點在于：缺少了多余觀測，計算過程中如出現(xiàn)了采用了錯誤的GPS基站坐標之類問題，都將直接影響最終的結(jié)果。此外，由于幾何模型、系統(tǒng)誤差和解算數(shù)據(jù)相關(guān)性的影響，直接傳感器定向所能達到的精度仍然難以滿足大比例尺測圖的需要。

（2）集成傳感器定向。

即POS輔助航空攝影測量。通過將GPS/IMU系統(tǒng)獲取的外方位元素作為帶權(quán)觀測值引入光束法區(qū)域網(wǎng)平差中，以獲取高精度影像定向參數(shù)和目標點的空間坐標，實現(xiàn)大幅度減少地面控制點的數(shù)量。POS輔助空三加密中，雖然不可避免空中三角測量和加密點量測，但是也具有更好的容錯能力和更高的精度。引入的數(shù)據(jù)能夠作為初始值提高自動匹配的準確與效率，只需加入少量地面控制點同樣提升了生產(chǎn)效率和降低成本。

以上兩種方式的結(jié)果精度差別較大。POS輔助航空攝影測量中加入控制數(shù)據(jù)聯(lián)合平差，精度和穩(wěn)定性較強。直接傳感器定向主要適用于小比例尺測圖，或?qū)ψ匀粸暮︻l發(fā)區(qū)、國界及爭議區(qū)、自然條件惡劣區(qū)等難以開展地面控制測量工作的地區(qū)。但是直接定向法條件是需要利用檢校場飛行處理消除POS系統(tǒng)誤差、精確的解求外方位元素。同時檢校數(shù)據(jù)也會對POS輔助航空攝影的處理精度有所提高。

2.3 檢校參數(shù)

要通過原始數(shù)據(jù)得到外方位元素，還需要量測偏心分量，對于線元素有GPS天線到航攝儀攝影中心的偏心分量和IMU單元到航攝儀攝影中心的偏心分量。目前市面上成熟的數(shù)碼航攝儀都提供了偏心量測參考點，由GPS天線到攝影中心用卷尺量測精確到厘米級，內(nèi)置型IMU與航攝儀攝影中心的偏心參數(shù)可以出廠測定精確到毫米。

檢校中我們關(guān)注的重點是Boresight角，也就是視準軸誤差。IMU單元記錄的姿態(tài)角為IMU本地坐標系在導航坐標系下的橫滾角，俯仰角及航跡角（Roll，Pitch，Heading），而攝影測量中外方位角元素j，w，k為物方坐標系旋轉(zhuǎn)到像空間坐標系的3個旋轉(zhuǎn)角，相應軸間的很小夾角即為Boresight角。除了坐標系變換外，具體體現(xiàn)在設(shè)備的出廠尺寸和工藝的偏差，安裝IMU時螺絲的松緊，設(shè)備間的接縫及劇烈的震動也都可能導致角度有微小不同。所以如經(jīng)過IMU拆裝、非正常的劇烈震動等情況，也需要重新檢校計算Boresight角。通過一定的檢校流程，使經(jīng)過檢校場飛行、外業(yè)控制和空三加密平差的過程，最終解算出本航攝儀POS系統(tǒng)的Boresight角，來提高POS系統(tǒng)攝影測量中對地目標定位精度。解算軟件使用Applanix公司的POSPac軟件中的CalQC模塊。

3. 實施過程

3.1 檢校飛行

檢校場選在城區(qū)，面積為4平方公里，地形高差小于50米。在本檢校場飛行兩次，分別獲取0.1m和0.16m地面分辨率成果。其中0.1m數(shù)據(jù)航線覆設(shè)方向為東西向覆設(shè)4條，相對航高1200米；0.16m數(shù)據(jù)覆設(shè)方向為南北向覆設(shè)2條航線，相對航高1800m。

航空攝影前在檢校場地面布設(shè)了17個地標點，整個測區(qū)均勻分布，布設(shè)在周圍無遮擋的平地確保影像中可見，尺寸為60cm*60cm的十字標，足以滿足內(nèi)業(yè)判讀。

航攝儀為UltraCamLp，配套POSAV 510系統(tǒng)。使用Trimble R6雙頻GPS架設(shè)在檢校場附近的已知基站上，采樣間隔為1s。機載GPS采樣間隔為1s，IMU采樣頻率為200hz。

機載設(shè)備開機后靜態(tài)同步觀測5min，然后起飛作業(yè)。到測區(qū)前做8字飛行來激活I(lǐng)MU，防止長時間直線飛行造成精度下降，然后對準基站點平飛進入，作業(yè)中要求飛機轉(zhuǎn)彎時傾斜角度不大于20°。作業(yè)完成后對準基站點平飛退出，等飛機落地停穩(wěn)后仍需繼續(xù)觀測5min。

3.2 外業(yè)控制

航片沖印后，外業(yè)實測地標點并增加部分檢查點。像控點測量采用GPS網(wǎng)配合GPS高程測量。通過GPS網(wǎng)聯(lián)測像控點和3個B級GPS控制點，獲取像控點平面坐標。采用區(qū)域似大地水準面模型插值改正獲取像控點高程。

3.3 數(shù)據(jù)解算

在POSPac軟件中CalQC模塊中進行檢校計算。原始數(shù)據(jù)為機載IMU數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為標準RENIX格式的基站數(shù)據(jù)。需加入的附加參數(shù)有基站坐標、控制點檢查點坐標、偏心分量、相機參數(shù)，將處理后的TIF影像導入軟件并生成金字塔影像

在影像中量測控制點和檢查。在設(shè)置航片時要注意kappa角偏移量是否與航攝儀統(tǒng)一。反復平差解算得到符合精度要求的參數(shù)。

4. 結(jié)論

檢校結(jié)果的Boresight角為-12.913′，5.018′，-3.337′。未加入Boresight角與加入Boresight角后某測區(qū)1：10000成圖航空攝影直接傳感器定向檢查點中誤差見表1。結(jié)果證明經(jīng)檢校的相片外方位元素可用于正射影像的制作和對精度要求較低的對地目標定位中。

參考文獻：

[1] 袁修孝.機載POS系統(tǒng)視準軸誤差效驗[N].武漢大學學報（信息科學版），2006—12.

[2] 袁修孝.GPS輔助空中三角測量原理及應用[M].北京：測繪出版社，2001.

[3] 李學友，趙榮軍，李英成，等.IMU/DGPS 輔助航測技術(shù)在大比例尺航測成圖中的應用[J].測繪科學，2006，vol1.

[4] 趙海濤，左正立，房成法，王光.POS輔助UCD航空攝影測量直接地理定位精度分析[J].測繪信息與工程，2008，33（3）.

[5] 龍海奎，曾慶友，吳珊.POS系統(tǒng)在空三加密中的應用與分析[J].城市勘測，2011，（5）.

[6] 郭如寶. 淺談UCE數(shù)碼航攝儀在國家基礎(chǔ)航空攝影項目中的應用[J]. 西部資源， 2014（4）：138-140.