專利名稱：一種基于gps/imu定位定向技術(shù)的海島空中三角測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航空攝影測量領(lǐng)域，特別是一種基于GPS/IMU定位定向技術(shù)的海島空中三角測量方法。
背景技術(shù)：
空中三角測量，也稱空三，是航空攝影測量數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵技術(shù)和步驟，目的是恢復(fù)航空攝影時(shí)各航空像片，也稱航片，曝光瞬間航空照相機(jī)，也稱航攝儀，的位置和姿態(tài)，即獲得每張航片的6個(gè)外方位元素{ZS，乙，Zs,爐，》,幻。現(xiàn)代空三均基于光束法，即通過迭代調(diào)整重迭航片的外方位元素，實(shí)現(xiàn)同名光束空間相交，以達(dá) 到最終確定各航片外方位元素的目的。所采用的數(shù)學(xué)公式是共線方程物方空間的物點(diǎn)、航攝儀鏡
X-X0 Ci1 by Cj X-Xs
頭的投影中心和該物點(diǎn)在航片上的成像點(diǎn)共線，即=A b2 C2 Y-Ys或
f _ _^3 辦3 C3 _ — Zg _
^ = JCQ1CX-X^ + b.CY-^ + C1(Z-Zs)
_ 0 7 a3(X-Xs) + b3(Y-Ys) + c3(Z-Zs)fa2(X-Xs) + b2(Y-Ys) + c2(Z-Zs)
7 a3(X-Xs) + b3(Y-Ys)+ C3(Z-Zs)式中{Xcyyf}為航片的內(nèi)方位元素，即像主點(diǎn)的像坐標(biāo)和航攝儀鏡頭焦距，[X y
' 1 辦I cI"
_f]T為像點(diǎn)，[X Y Z]T為物點(diǎn)，[Xs Ys ZS]T為投影中心，A= a2 b2 C2為空間旋轉(zhuǎn)矩陣，
_fl3 b3 C3 _
其中各元素是航片姿態(tài)角{爐，《，勾的函數(shù)。所需確定的參數(shù)是每張航片的6個(gè)外方位元素{&，J7s,Zs，供,詠幻和每個(gè)物點(diǎn)坐標(biāo){X，Y，Z}。在重迭相鄰航片上量測足夠同名像點(diǎn)，便可聯(lián)合一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)構(gòu)建足夠多的共線方程，對9個(gè)待定參數(shù)求偏導(dǎo)進(jìn)行線性化，再通過最小二平差迭代計(jì)算改正各參數(shù)，使得同名光束空間相交的誤差橢球滿足規(guī)范的要求，由此，最終確定各航片的外方位元素。也就是說，實(shí)現(xiàn)空三解求航片外方位元素的一個(gè)重要前提就是在每張航片上量測足夠多的同名像點(diǎn)，也稱銜接點(diǎn)。而這些點(diǎn)應(yīng)該是明顯的地物點(diǎn)，呈現(xiàn)明確的影像紋理，以便識別和測定，必要時(shí)，需在航攝前人工在地面布設(shè)標(biāo)志點(diǎn)。對于海島測區(qū)而言，相當(dāng)部分的航片“落水”，即影像上只有隨機(jī)狀態(tài)的水紋，沒有足夠的固定紋理可尋，而水上又無法布設(shè)固定的標(biāo)志點(diǎn)，因此，海島測量成為測繪界的一個(gè)重大難題?，F(xiàn)代全球定位系統(tǒng)GPS聯(lián)合高精度慣性測量裝置IMU為直接測定航片的外方位元素提供了良好的基礎(chǔ)，對于小比例尺成圖，甚至可取代空三。然而，對于大、中比例尺成圖，由于航攝儀參數(shù)會受到天氣因素的影響而發(fā)生變化，需通過空三中的自檢校過程加以補(bǔ)償，故空三是不可替代的。不過，通過使用GPS/MU數(shù)據(jù)，可無需或采用少量地面控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)空三，以提高生產(chǎn)效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是海島上無控制點(diǎn)，大量航片“落水”，且海島附近的海域地區(qū)紋理差，無法獲取足夠的銜接點(diǎn)構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)空中三角測量的問題。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是使用帶有高精度GPS/IMU定位定向設(shè)備的航空攝影系統(tǒng)，對目標(biāo)海島及海域和擁有大地控制網(wǎng)的陸岸測區(qū)進(jìn)行立體測圖航攝，提取海島和陸岸影像上的銜接點(diǎn)，對“落水”影像，直接依據(jù)基于GPS/MU數(shù)據(jù)求得的外方位元素，進(jìn)行虛擬銜接點(diǎn)生成，從而實(shí)現(xiàn)光束法空中三角測量計(jì)算，以求得海島和陸岸的影像的外方位元素和相應(yīng)物點(diǎn)大地坐標(biāo)。擁有大地控制網(wǎng)的陸岸測區(qū)是至少包括一個(gè)大地控制點(diǎn)的大陸邊緣或島嶼。使用帶有高精度GPS/MU定位定向設(shè)備的航空攝影系統(tǒng)，對目標(biāo)海島及海域和擁有大地控制網(wǎng)的陸岸測區(qū)進(jìn)行立體測圖航攝時(shí)，測區(qū)內(nèi)必須包括至少一個(gè)大地控制點(diǎn)。 本發(fā)明的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是航空影像和相應(yīng)的高精度GPS/MU定位定向數(shù)據(jù)，通過差分GPS和IMU數(shù)據(jù)的聯(lián)合解算，直接求得每張航片曝光瞬間的外方位元素，簡稱GPS/IMU外方位元素。本發(fā)明的主要技術(shù)核心是“落水”航片上的虛擬銜接點(diǎn)生成，即選定一張“落水”航片作為基準(zhǔn)航片，在其標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位上定義足夠數(shù)量的銜接點(diǎn)，基于其GPSAMU外方位元素，并視海平面為等高，將這些銜接點(diǎn)投影到海平面上，生成其物方空間坐標(biāo)，再將這些物點(diǎn)分別依據(jù)相鄰“落水”航片的GPS/MU外方位元素再成像在相應(yīng)的像方空間中，由此獲得相應(yīng)的銜接點(diǎn)。在空中三角測量計(jì)算中，虛擬銜接點(diǎn)的物方坐標(biāo)將作為真值使用，由此保障區(qū)域網(wǎng)的幾何穩(wěn)定性。本發(fā)明有效地解決了無控制海島測量難題，并為海島大、中比例尺成圖奠定了基礎(chǔ)。本發(fā)明也有效地解決了其他紋理差或單一測區(qū)的航空攝影測量問題，例如沙漠、草原、雪地等地區(qū)。


圖I是本發(fā)明一種基于GPS/MU定位定向技術(shù)的海島空中三角測量方法的航攝路線示意圖。圖2是本發(fā)明一種基于GPS/MU定位定向技術(shù)的海島空中三角測量方法的步驟流程圖。圖3是本發(fā)明的“落水”基準(zhǔn)航片的點(diǎn)位示意圖。圖4是本發(fā)明的虛擬銜接點(diǎn)生成說明圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，對于無控制點(diǎn)的目標(biāo)海島1，在進(jìn)行立體測圖航攝時(shí)，須使用帶有高精度GPS/IMU定位定向設(shè)備的航空攝影系統(tǒng)的飛機(jī)從陸岸2的基地3出發(fā)，對陸岸2的邊緣地區(qū)、目標(biāo)海島I和兩者之間的水域地區(qū)按照飛行路線5進(jìn)行航拍，獲取區(qū)域4的具有足夠重疊度的影像序列，在陸岸2的邊緣地區(qū)、區(qū)域4的范圍內(nèi)須有至少一個(gè)大地控制點(diǎn)。一種基于GPS/MU定位定向技術(shù)的海島空中三角測量方法，如圖2所示，具體步驟如下步驟SI :使用帶有高精度GPS/MU定位定向設(shè)備的航空攝影系統(tǒng)，對目標(biāo)海島及海域和擁有大地控制網(wǎng)的陸岸測區(qū)進(jìn)行立體測圖航攝；步驟S2 :通過差分GPS和IMU數(shù)據(jù)的聯(lián)合解算，直接求得每張航片曝光瞬間的外方位元素，簡稱GPS/MU外方位元素；步驟S3 :對于目標(biāo)海島和擁有大地控制網(wǎng)的陸岸測區(qū)的影像，直接提取同名像點(diǎn)
作為銜接點(diǎn)；步驟S4 :對“落水”影像，選定一張“落水”航片作為基準(zhǔn)航片，在其標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位上定義足夠數(shù)量的虛擬銜接點(diǎn)；步驟S5 :基于步驟S4中定義的虛擬銜接點(diǎn)的GPS/MU外方位元素，并視海平面為等高，將這些虛擬銜接點(diǎn)投影到海平面上，生成其物方空間坐標(biāo)；步驟S6 :將步驟S5中獲取的物點(diǎn)分別依據(jù)相鄰“落水”航片的GPS/IMU外方位元素再成像在相應(yīng)的像方空間中，由此獲得相應(yīng)的虛擬銜接點(diǎn)；步驟S7 :重復(fù)步驟S5和S6獲取所有剩余“落水”影像的虛擬銜接點(diǎn)；步驟S8 :將步驟S3、S6和S7中獲取的銜接點(diǎn)和陸岸測區(qū)的大地控制點(diǎn)構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)；步驟S9 :在空中三級測量計(jì)算中，虛擬銜接點(diǎn)的物方坐標(biāo)將作為真值使用，由此保障區(qū)域網(wǎng)的幾何穩(wěn)定性；步驟SlO :獲取海島的測量數(shù)據(jù)。以下結(jié)合圖3和圖4闡述虛擬銜接點(diǎn)的生成。假設(shè)圖3是步驟S4選取的基準(zhǔn)航片al，在其標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位上選擇7個(gè)像點(diǎn)作為這張航片al的虛擬銜接點(diǎn)。假設(shè)海平面為等高，根據(jù)基準(zhǔn)航片al的GPS/MU外方位元素將虛擬銜接點(diǎn)Si投影到海平面上，生成其物點(diǎn)Tl，再將物點(diǎn)Tl分別依據(jù)相鄰“落水”航片a2和a3的GPS/MU外方位元素再成像在a2和a3上，由此獲得相應(yīng)的虛擬銜接點(diǎn)Pll和P12。對基準(zhǔn)航片al上的其它虛擬銜接點(diǎn)，例如s2，重復(fù)以上步驟，將虛擬銜接點(diǎn)投影到海平面上，生成其物點(diǎn)，例如T2，在相鄰“落水”航片a2、a3和其他相鄰“落水”航片生成虛擬銜接點(diǎn)p21、p22等。
權(quán)利要求
1.一種基于GPS/MU定位定向技術(shù)的海島空中三角測量方法，其特征在于使用帶有高精度GPS/MU定位定向設(shè)備的航空攝影系統(tǒng)，對目標(biāo)海島及海域和擁有大地控制網(wǎng)的陸岸測區(qū)進(jìn)行立體測圖航攝，提取海島和陸岸影像上的銜接點(diǎn)，對“落水”影像，直接依據(jù)基于GPS/MU數(shù)據(jù)求得的外方位元素，進(jìn)行虛擬銜接點(diǎn)生成，從而實(shí)現(xiàn)光束法空中三角測量計(jì)算，以求得海島和陸岸的影像的外方位元素和相應(yīng)物點(diǎn)大地坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于GPS/MU定位定向技術(shù)的海島空中三角測量方法，其特征在于擁有大地控制網(wǎng)的陸岸測區(qū)是至少包括一個(gè)大地控制點(diǎn)的大陸邊緣或島嶼。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于GPS/MU定位定向技術(shù)的海島空中三角測量方法，核心是“落水”航片上的虛擬銜接點(diǎn)生成，其特征在于選定一張“落水”航片作為基準(zhǔn)航片，在其標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位上定義足夠數(shù)量的銜接點(diǎn)，基于其GPS/MU外方位元素，并視海平面為等高，將這些銜接點(diǎn)投影到海平面上，生成其物方空間坐標(biāo)，再將這些物點(diǎn)分別依據(jù)相鄰“落水”航片的GPS/MU外方位元素再成像在相應(yīng)的像方空間中，由此獲得相應(yīng)的銜接點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于GPS/MU定位定向技術(shù)的海島空中三角測量方法，其特征在于在空中三角測量計(jì)算中，虛擬銜接點(diǎn)的物方坐標(biāo)將作為真值使用，由此保障區(qū)域網(wǎng)的幾何穩(wěn)定性。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于GPS/MU定位定向技術(shù)的海島空中三角測量方法，步驟如下 步驟SI :使用帶有高精度GPS/MU定位定向設(shè)備的航空攝影系統(tǒng)，對目標(biāo)海島及海域和擁有大地控制網(wǎng)的陸岸測區(qū)進(jìn)行立體測圖航攝； 步驟S2 :通過差分GPS和IMU數(shù)據(jù)的聯(lián)合解算，直接求得每張航片曝光瞬間的外方位元素，簡稱GPS/1MU外方位元素； 步驟S3 :對于目標(biāo)海島和擁有大地控制網(wǎng)的陸岸測區(qū)的影像，直接提取同名像點(diǎn)作為銜接點(diǎn)； 步驟S4 :對“落水”影像，選定一張“落水”航片作為基準(zhǔn)航片，在其標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位上定義足夠數(shù)量的虛擬銜接點(diǎn)； 步驟S5 :基于步驟S4中定義的虛擬銜接點(diǎn)的GPS/IMU外方位元素，并視海平面為等高，將這些虛擬銜接點(diǎn)投影到海平面上，生成其物方空間坐標(biāo)； 步驟S6 :將步驟S5中獲取的物點(diǎn)分別依據(jù)相鄰“落水”航片的GPS/IMU外方位元素再成像在相應(yīng)的像方空間中，由此獲得相應(yīng)的虛擬銜接點(diǎn)； 步驟S7 :重復(fù)步驟S5和S6獲取所有剩余“落水”影像的虛擬銜接點(diǎn)； 步驟S8 :將步驟S3、S6和S7中獲取的銜接點(diǎn)和陸岸測區(qū)的大地控制網(wǎng)構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)；步驟S9 :在空中三級測量計(jì)算中，虛擬銜接點(diǎn)的物方坐標(biāo)將作為真值使用，由此保障區(qū)域網(wǎng)的幾何穩(wěn)定性； 步驟SlO :獲取海島的測量數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于GPS/MU定位定向技術(shù)的海島空中三角測量方法，其特征在于適用于除海島以外其他紋理差或單一測區(qū)的航空攝影測量。
全文摘要
本發(fā)明涉及航空攝影測量領(lǐng)域，特別是一種基于GPS/IMU定位定向技術(shù)的海島空中三角測量方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是使用帶有高精度GPS/IMU定位定向設(shè)備的航空攝影系統(tǒng)，對目標(biāo)海島及海域和擁有大地控制網(wǎng)的陸岸測區(qū)進(jìn)行立體測圖航攝，提取海島和陸岸影像上的銜接點(diǎn)，對“落水”影像，直接依據(jù)基于GPS/IMU數(shù)據(jù)求得的外方位元素，進(jìn)行虛擬銜接點(diǎn)生成，從而實(shí)現(xiàn)光束法空中三角測量計(jì)算，以求得海島和陸岸的影像的外方位元素和相應(yīng)物點(diǎn)大地坐標(biāo)。本發(fā)明有效地解決了無控制海島測量難題，并為海島大、中比例尺成圖奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)還能效地解決了其他紋理差或單一(如沙漠、草原、雪地等)測區(qū)的航空攝影測量問題。
文檔編號G01C11/34GK102721410SQ20121020472
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者唐糧 申請人:唐糧