一种基于GPS/IMU定位定向技术的海岛空中三角测量方法

摘要

本发明涉及航空摄影测量领域，特别是一种基于GPS/IMU定位定向技术的海岛空中三角测量方法。本发明的技术方案是使用带有高精度GPS/IMU定位定向设备的航空摄影系统，对目标海岛及海域和拥有大地控制网的陆岸测区进行立体测图航摄，提取海岛和陆岸影像上的衔接点，对“落水”影像，直接依据基于GPS/IMU数据求得的外方位元素，进行虚拟衔接点生成，从而实现光束法空中三角测量计算，以求得海岛和陆岸的影像的外方位元素和相应物点大地坐标。本发明有效地解决了无控制海岛测量难题，并为海岛大、中比例尺成图奠定了基础，同时还能效地解决了其他纹理差或单一(如沙漠、草原、雪地等)测区的航空摄影测量问题。

说明书

技术领域

本发明涉及航空摄影测量领域，特别是一种基于GPS/IMU定位定向技术的海岛空中三角测量方法。

背景技术

空中三角测量，也称空三，是航空摄影测量数据处理过程中的关键技术和步骤，目的是恢复航空摄影 时各航空像片，也称航片，曝光瞬间航空照相机，也称航摄仪，的位置和姿态，即获得每张航片的6个外 方位元素：现代空三均基于光束法，即通过迭代调整重迭航片的外方位元素，实现 同名光束空间相交，以达到最终确定各航片外方位元素的目的。所采用的数学公式是共线方程：物方空间 的物点、航摄仪镜头的投影中心和该物点在航片上的成像点共线，即： $\left(\begin{array}{c}x-x_0\\ y-y_0\\ -f\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& b_1& c_1\\ a_2& b_2& c_2\\ a_3& b_3& c_3\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}X-X_S\\ Y-Y_S\\ Z-Z_S\end{array}\right)$或$\left(\begin{array}{c}x=x_0-f\frac{a_1(X-X_S)+b_1(Y-Y_S)+c_1(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}\\ y=y_0-f\frac{a_2(X-X_S)+b_2(Y-Y_S)+c_2(Z-Z_S)}{a_3(X-X_S)+b_3(Y-Y_S)+c_3(Z-Z_S)}\end{array}\right)$

式中：{x₀，y₀，f}为航片的内方位元素，即像主点的像坐标和航摄仪镜头焦距，[x y -f]^T为像点， [X Y Z]^T为物点，[X_S Y_S Z_S]^T为投影中心，$R=\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& b_1& c_1\\ a_2& b_2& c_2\\ a_3& b_3& c_3\end{array}\right)$为空间旋转矩阵，其中各元素是 航片姿态角的函数。所需确定的参数是每张航片的6个外方位元素和每个物 点坐标{X，Y，Z}。在重迭相邻航片上量测足够同名像点，便可联合一定数量的地面控制点构建足够多的 共线方程，对9个待定参数求偏导进行线性化，再通过最小二平差迭代计算改正各参数，使得同名光束空 间相交的误差椭球满足规范的要求，由此，最终确定各航片的外方位元素。也就是说，实现空三解求航片 外方位元素的一个重要前提就是在每张航片上量测足够多的同名像点，也称衔接点。而这些点应该是明显 的地物点，呈现明确的影像纹理，以便识别和测定，必要时，需在航摄前人工在地面布设标志点。

对于海岛测区而言，相当部分的航片“落水”，即影像上只有随机状态的水纹，没有足够的固定纹理 可寻，而水上又无法布设固定的标志点，因此，海岛测量成为测绘界的一个重大难题。

现代全球定位系统GPS联合高精度惯性测量装置IMU为直接测定航片的外方位元素提供了良好的基 础，对于小比例尺成图，甚至可取代空三。然而，对于大、中比例尺成图，由于航摄仪参数会受到天气因 素的影响而发生变化，需通过空三中的自检校过程加以补偿，故空三是不可替代的。不过，通过使用GPS/IMU 数据，可无需或采用少量地面控制点实现空三，以提高生产效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：海岛上无控制点，大量航片“落水”，且海岛附近的海域地区纹理差， 无法获取足够的衔接点构建区域网实现空中三角测量的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：使用带有高精度GPS/IMU定位定向设备的航空摄影系统， 对目标海岛及海域和拥有大地控制网的陆岸测区进行立体测图航摄，提取海岛和陆岸影像上的衔接点，对 “落水”影像，直接依据基于GPS/IMU数据求得的外方位元素，进行虚拟衔接点生成，从而实现光束法空 中三角测量计算，以求得海岛和陆岸的影像的外方位元素和相应物点大地坐标。

拥有大地控制网的陆岸测区是至少包括一个大地控制点的大陆边缘或岛屿。使用带有高精度GPS/IMU 定位定向设备的航空摄影系统，对目标海岛及海域和拥有大地控制网的陆岸测区进行立体测图航摄时，测 区内必须包括至少一个大地控制点。

本发明的数据基础是航空影像和相应的高精度GPS/IMU定位定向数据，通过差分GPS和IMU数据的联 合解算，直接求得每张航片曝光瞬间的外方位元素，简称GPS/IMU外方位元素。

本发明的主要技术核心是“落水”航片上的虚拟衔接点生成，即选定一张“落水”航片作为基准航片， 在其标准点位上定义足够数量的衔接点，基于其GPS/IMU外方位元素，并视海平面为等高，将这些衔接点 投影到海平面上，生成其物方空间坐标，再将这些物点分别依据相邻“落水”航片的GPS/IMU外方位元素 再成像在相应的像方空间中，由此获得相应的衔接点。在空中三角测量计算中，虚拟衔接点的物方坐标将 作为真值使用，由此保障区域网的几何稳定性。

本发明有效地解决了无控制海岛测量难题，并为海岛大、中比例尺成图奠定了基础。

本发明也有效地解决了其他纹理差或单一测区的航空摄影测量问题，例如沙漠、草原、雪地等地区。

附图说明

图1是本发明一种基于GPS/IMU定位定向技术的海岛空中三角测量方法的航摄路线示意图。

图2是本发明一种基于GPS/IMU定位定向技术的海岛空中三角测量方法的步骤流程图。

图3是本发明的“落水”基准航片的点位示意图。

图4是本发明的虚拟衔接点生成说明图。

具体实施方式

如图1所示，对于无控制点的目标海岛1，在进行立体测图航摄时，须使用带有高精度GPS/IMU定位 定向设备的航空摄影系统的飞机从陆岸2的基地3出发，对陆岸2的边缘地区、目标海岛1和两者之间的 水域地区按照飞行路线5进行航拍，获取区域4的具有足够重叠度的影像序列，在陆岸2的边缘地区、区 域4的范围内须有至少一个大地控制点。

一种基于GPS/IMU定位定向技术的海岛空中三角测量方法，如图2所示，具体步骤如下：

步骤S1：使用带有高精度GPS/IMU定位定向设备的航空摄影系统，对目标海岛及海域和拥有大地控制 网的陆岸测区进行立体测图航摄；

步骤S2：通过差分GPS和IMU数据的联合解算，直接求得每张航片曝光瞬间的外方位元素，简称GPS/IMU 外方位元素；

步骤S3：对于目标海岛和拥有大地控制网的陆岸测区的影像，直接提取同名像点作为衔接点；

步骤S4：对“落水”影像，选定一张“落水”航片作为基准航片，在其标准点位上定义足够数量的虚 拟衔接点；

步骤S5：基于步骤S4中定义的虚拟衔接点的GPS/IMU外方位元素，并视海平面为等高，将这些虚拟 衔接点投影到海平面上，生成其物方空间坐标；

步骤S6：将步骤S5中获取的物点分别依据相邻“落水”航片的GPS/IMU外方位元素再成像在相应的 像方空间中，由此获得相应的虚拟衔接点；

步骤S7：重复步骤S5和S6获取所有剩余“落水”影像的虚拟衔接点；

步骤S8：将步骤S3、S6和S7中获取的衔接点和陆岸测区的大地控制点构建区域网；

步骤S9：在空中三级测量计算中，虚拟衔接点的物方坐标将作为真值使用，由此保障区域网的几何稳 定性；

步骤S10：获取海岛的测量数据。

以下结合图3和图4阐述虚拟衔接点的生成。假设图3是步骤S4选取的基准航片a1，在其标准点位 上选择7个像点作为这张航片a1的虚拟衔接点。假设海平面为等高，根据基准航片a1的GPS/IMU外方位 元素将虚拟衔接点s1投影到海平面上，生成其物点T1，再将物点T1分别依据相邻“落水”航片a2和a3 的GPS/IMU外方位元素再成像在a2和a3上，由此获得相应的虚拟衔接点p11和p12。对基准航片a1上的 其它虚拟衔接点，例如s2，重复以上步骤，将虚拟衔接点投影到海平面上，生成其物点，例如T2，在相 邻“落水”航片a2、a3和其他相邻“落水”航片生成虚拟衔接点p21、p22等。