專利名稱：一種gps/ins數(shù)據(jù)直接定向精度評估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及攝影測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種GPS/INS數(shù)據(jù)直接定 向精度評估方法。
背景技術(shù)：
獲取影像的外方位元素是攝影測量的關(guān)鍵問題之一，很多攝影測量工 作者一直為解決如何快速高效地獲取影像的外方位元素的問題而努力著。 長期以來，人們主要用空中三角測量技術(shù)，通過大量的外業(yè)控制點(diǎn)來間接 解求外方位元素，上述方法既浪費(fèi)經(jīng)費(fèi)，又延長了成圖周期，嚴(yán)重影響國 民經(jīng)濟(jì)建設(shè)所急需的資料。20世紀(jì)90年代以來，國際攝影測量界開始研 究釆用GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)(即GPS/INS系統(tǒng)GPS系統(tǒng)和INS慣性導(dǎo) 航系統(tǒng)的組合系統(tǒng))來獲取像片攝影時的空間方位，以完全取代攝影測量 加密，從而實(shí)現(xiàn)無地面控制的空中三角測量航空遙感已成為國內(nèi)航空攝影 測量的一種趨勢。
而如何評估GPS/INS系統(tǒng)所得到的外方位元素精度成為目前迫切需要 解決的問題，常用的評估方法有兩種 一種是將GPS/INS系統(tǒng)所得的外方 位元素?cái)?shù)據(jù)即GPS/INS數(shù)據(jù)導(dǎo)入立體測圖儀建立立體模型，人工立體觀測 獲取地面檢查點(diǎn)的物方坐標(biāo)，再與實(shí)測檢查點(diǎn)坐標(biāo)對比來評估；另一種是 利用高精度量測的檢查點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)點(diǎn)投影系數(shù)法兩片前交計(jì)算得到 檢查點(diǎn)的物方坐標(biāo)，再與實(shí)測檢查點(diǎn)坐標(biāo)對比來評估。
第一種方法從常規(guī)立體測圖入手，也是生產(chǎn)中常容易想到的評估外方 位元素的方法。立體測圖儀是成熟的用于數(shù)字?jǐn)z影測量的系統(tǒng)，將外方位 元素?cái)?shù)據(jù)導(dǎo)入立體測圖儀，即可在兩張像片組成的立體模型中，人工觀測 地面控制點(diǎn)而獲取地面控制點(diǎn)物方坐標(biāo)。但是這種方法存在兩個不足1、由于GPS/INS系統(tǒng)獲取的外方位元素存在誤差，在立體測圖儀中存在很大
視差，很難進(jìn)行立體測圖，在視差的影響下，就不能正確量測到所需的地 面控制點(diǎn)，導(dǎo)致像點(diǎn)坐標(biāo)的量測存在較大誤差，這樣量測的地面控制點(diǎn)坐 標(biāo)的誤差中有很大一部分來自像點(diǎn)坐標(biāo)誤差的影響，不能嚴(yán)密地評估外方
位元素的數(shù)據(jù)質(zhì)量。2、地面一個檢查點(diǎn)會出現(xiàn)在多個立體像對中，需要
人工逐個模型地觀測，再將多個模型觀測得到的坐標(biāo)值平差得到最后的坐 標(biāo)值，同實(shí)測點(diǎn)坐標(biāo)對比，才能比較客觀地評估外方位元素質(zhì)量，這是一 個非常費(fèi)工費(fèi)時的工作，不僅浪費(fèi)經(jīng)費(fèi)，而且也增加了質(zhì)量評估的時間。 正是因?yàn)樯鲜鰡栴}的存在，導(dǎo)致本方法的弱點(diǎn)不可避免，很難很好地應(yīng)用
到實(shí)際的GIS/INS數(shù)據(jù)評估工作中。從實(shí)際用立體測圖儀人工量測的
GPS/INS數(shù)據(jù)直接定向的精度分析表可看出，由于人工成分太多，在存在
視差的條件下，量測的像點(diǎn)坐標(biāo)誤差太多，無法正確評估直接定向精度，
分析所得數(shù)據(jù)無法用于評估工作。
另 一種方法是從攝影測量理論入手，進(jìn)行攝影測量立體像對空間前方
交會中的點(diǎn)投影系數(shù)法空間前方交會。用空三加密所得到的高精度的量測
像點(diǎn)坐標(biāo)，聯(lián)合GPS/INS系統(tǒng)所得的外方位元素?cái)?shù)據(jù)，代入點(diǎn)投影系數(shù)的
空間前方交會公式，求出地面控制點(diǎn)坐標(biāo)。空間前方交會公式如下 義=IS1 +碼=X'引+ & + iVX2
r = & + m; = ^ + & + tvt2 =4+| (M +群2 + A)
Z = ZS1 =ZS1 +5Z +iV'Z2 式(1 )
詳細(xì)內(nèi)容可參考攝影測量學(xué)教材中立體像對空間前方交會一節(jié)。這種 方法有效避免了量測像點(diǎn)坐標(biāo)的誤差，理論上應(yīng)該符合數(shù)學(xué)模型。但存在
以下兩種缺點(diǎn)1、經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明這種方法不能符合實(shí)際攝影測量生產(chǎn) 情況，只是數(shù)學(xué)理想化的雙線前交，實(shí)際加密生產(chǎn)中的光東法平差是實(shí)現(xiàn) 多個同名光東最佳地交會到一起，并不能真是交會到一起，只有由同一個 地面控制點(diǎn)和左右片的外方位元素通過共線方程計(jì)算出來的理論的像點(diǎn) 坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再和左右片的外方位元素?cái)?shù)據(jù)計(jì)算前方交會才符合該方法的數(shù)
7學(xué)模型。即使使用高精度的空三加密成果數(shù)據(jù)，通過該方法前方交會計(jì)算， 得到的地面控制點(diǎn)物方坐標(biāo)的誤差也很大，尤其是高程誤差大，基本不符 合實(shí)際情況，無法反映外方位元素?cái)?shù)據(jù)的質(zhì)量，所以不能正確評估GPS/INS
的數(shù)據(jù)質(zhì)量，算法不夠嚴(yán)密。2、點(diǎn)投影系數(shù)法只限于兩片前方交會，不
能實(shí)現(xiàn)多光線的交會，受影像數(shù)約東。正是由于該方法的以上不足，所以
只能作為理論的前方交會模型方法，不能真正用于實(shí)際的GPS/INS數(shù)據(jù)直 接定向精度評估工作。據(jù)實(shí)際分析得出的常規(guī)空中三角測量所得的像片外 方位元素定向的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其空三精度足以滿足丘陵地區(qū)的規(guī)范要 求；但用常規(guī)空中三角測量所得的外方位元素?cái)?shù)據(jù)和像點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過 點(diǎn)投影系數(shù)法兩片前方交會所得的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其誤差大大超過了規(guī)范 要求，甚至不合常理，可見，用點(diǎn)投影系數(shù)法兩片前方交會的方法不能正 確評估外方位元素?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量，不能用于GPS/INS所得外方位元素直接定向 的精度評估工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一 種GPS/INS數(shù)據(jù)直接定向精度評估方法，其評估精度高、量測誤差小，評 估結(jié)果能直接應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，能有效避免人工立體量測中增加的像點(diǎn)坐 標(biāo)量測誤差，并且其算法不受像片數(shù)約東。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明釆用的技術(shù)方案是 一種GPS/INS數(shù)據(jù)直 接定向精度評估方法，其特征在于該方法包括以下步驟
步驟一、通過航空攝影方法按照航空攝影規(guī)范攝取待測區(qū)域的多張攝
影像片并通過像片量測方法獲取各張像片中地面控制點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)觀測 數(shù)據(jù)，同時通過GPS/INS系統(tǒng)獲取各張像片攝影時的外方位元素，所述外 方位元素包括外方位角元素 p 、 《和以及攝影中心點(diǎn)坐標(biāo)(Xs ， & ， zs ); 并通過常規(guī)攝影測量方法獲取所述各張像片的內(nèi)方位元素;c。、 y。和/;所
述多張攝影像片的數(shù)量為地面每個控制點(diǎn)在多張像片上成像的像片數(shù)，設(shè)
8為N張；
釆用常規(guī)實(shí)地測量方法，測量出待測區(qū)域內(nèi)所有控制點(diǎn)的實(shí)測坐標(biāo)數(shù)
據(jù)且將所有實(shí)測坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳送至中央處理器；
步驟二、將所獲取的N張攝影像片對應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)觀測數(shù)據(jù)、內(nèi)外方 位元素、每個地面控制點(diǎn)對應(yīng)的攝影像片數(shù)N均傳送至中央處理器進(jìn)行分 析處理求取待測區(qū)域內(nèi)所有地面點(diǎn)的最佳物方坐標(biāo)及其坐標(biāo)理論誤差，對 于待測區(qū)域內(nèi)一地面控制點(diǎn)Ml即物點(diǎn)而言，所述中央處理器的分析處理 過程如下
第一步、獲取地面控制點(diǎn)M1所對應(yīng)的攝影像片數(shù)N;
第二步、利用N張攝影像片對應(yīng)的外方位元素^、^和K空間方位元素，
計(jì)算各張像片的旋轉(zhuǎn)矩陣，第i張像片的旋轉(zhuǎn)矩陣《=
^ a2 a3
4 & ^ A c2 c3
,其中，
i=l、 2、 3…N;
第三步、求出N張像片中N個同名點(diǎn)對應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算值和誤差方 程式的常數(shù)項(xiàng)
首先，利用共線方程公式列出N張像片中N個同名點(diǎn)對應(yīng)的N組共線 方程和N組誤差方程式(因此，對于任何地面控制點(diǎn)而言，對應(yīng)N(N22) 個同名像點(diǎn)可列出2N ( 2"^4 )個共線方程和誤差方程，但未知數(shù)只有三 個，所以有2N-3個多余觀測)，對于第i張像片而言，其同名點(diǎn)對應(yīng)的
共線方程和誤差方程式分別為
a)
"3(x-^)+63(y-}g+C3(z-zs)
"2(us)+Z)2(r-ys)+c2(z-zs)
和<
v =(小x + 一AX + — + —AZ \ , 漢 W
3 (2)，式(1)和(2)中(X， Y, Z)
、" az w 況
為地面控制點(diǎn)Ml對應(yīng)的未知坐標(biāo)數(shù)據(jù)，(x， y)在第i張像片中為地面控制點(diǎn)Ml對應(yīng)像點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)觀測數(shù)據(jù)；為像點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)改正
數(shù)；
假定(X, Y， Z)的初值為(0， 0, 0),將(0, 0, 0)作為地面控 制點(diǎn)Ml坐標(biāo)的近似值代入式(l)，求出第i張像片中同名點(diǎn)對應(yīng)的像點(diǎn)坐
"K)化(r-&)+c2(z-Zs)，并相應(yīng)計(jì)算出
標(biāo)計(jì)算值(x)和(y)
第i張像片中同名點(diǎn)對應(yīng)的誤差方程式的常數(shù)項(xiàng)/.和"
|X = X - CO
第四步、逐點(diǎn)列出N張像片中N個同名點(diǎn)對應(yīng)的N個誤差方程式 對于第i張像片而言，其誤差方程式V產(chǎn)AiQ-Li,其中R二
V V
/ / L y」 a12"13
—"21a22a23 —
,Q = [AX， AY， AZ];
Ai中的各偏導(dǎo)數(shù)為
a,，
a12 =
a13 =
a21 =
22
3x —
i_ —
5_ ，= 雙

"l/ + "3(X —X。)
a3(X-
V + 63(H0)
-A)+,rs)+C3(z
q/ + c3(x_x0)
-zs)"3(r-}g+C3(z-
a2/+"30;->;o)
"3(x-xs)+63(y-^)+C3(z-zs)
"3(Us)+,l^)+C3(Z-Zs) c2/ + c3(>;->;0)
總誤差方程式 V= V2 ... VN
況a3(ns)+63(n;)+c3(z-zj，
第五步、將逐點(diǎn)列出的N個誤差方程式合成為 V=AQ-L(3),其中Q:[AX， AY， AZ], A= [A! A2 ... AN: L= [Li L2 LN]T;
第六步、根據(jù)最小二乘間接平差原理，列出式(3)的法方程式 ATPAQ=ATPL(4)，式(4)中，P為單位矩陣；求出式(4)解的表達(dá)式為
10而可求出地面控制點(diǎn)Ml坐標(biāo)近似值的改正數(shù) AX，AY!和AZ"
第七步、判斷改正數(shù)AX,, AY,和AZ,是否小于限差，若小于限差，計(jì)算 此時地面控制點(diǎn)M1改正后的坐標(biāo)(X!， Y1; ZJ ，其中X產(chǎn)0+A&， Y產(chǎn)0+AY, 和Z嚴(yán)0+AZ"坐標(biāo)(Xi, Y" ZJ即為地面控制點(diǎn)Ml的最佳物方坐標(biāo)，地 面控制點(diǎn)M1的分析處理過程完畢，轉(zhuǎn)入第九步；
若改正數(shù)AX,， A乂和AZ,不小于限差，則轉(zhuǎn)入第八步；
第八步、以第七步改正后的坐標(biāo)作為地面控制點(diǎn)Ml坐標(biāo)的近似值代 入式(l)，重復(fù)第三步至第七步，經(jīng)多次迭代運(yùn)算后，直至第六步中所計(jì) 算得出的改正數(shù)AXk， AYk和AZk小于限差，此時地面控制點(diǎn)Ml改正后的坐 標(biāo)為(Xk， Yk， Zk)，其中Xk-0+AXJ…+ AXk， Y^O+AY, +…+AYk, Z^O+AZ, +… + AZk, k為迭代的次數(shù)；坐標(biāo)(Xk， Yk， Zk)即為地面控制點(diǎn)M1的最佳物 方坐標(biāo)，地面控制點(diǎn)M1的分析處理過程完畢，轉(zhuǎn)入第九步；
第九步、通過第六步中所述法方程式中未知數(shù)矩陣Q的系數(shù)矩陣的逆 矩陣(^4'來求解地面控制點(diǎn)Ml坐標(biāo)的理論精度即理論誤差，此時視地面 控制點(diǎn)M1的像點(diǎn)坐標(biāo)觀測數(shù)據(jù)為等精度不相關(guān)觀測值，由于矩陣t^力-'中
第f個主對角線上的元素2#就是法方程式中第f個未知數(shù)的權(quán)倒數(shù)，則 第f個未知數(shù)的中誤差 二^/^m。，其中f-l、 2和3, m。為單位權(quán)中誤差
且附。"J^P^，其中—]-iX+《，則地面控制點(diǎn)Ml坐標(biāo)的理論誤差
附迴=附i,附少組=附2和附固=附3;
第十步、將計(jì)算得出的地面控制點(diǎn)mi的最佳物方坐標(biāo)與地面控制點(diǎn)
Ml的實(shí)測坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行作差比較，得出相應(yīng)差值A(chǔ)X腿，AY^和AZm,;
步驟三、重復(fù)步驟二，計(jì)算下一地面控制點(diǎn)M2的最佳物方坐標(biāo)及其 坐標(biāo)理論誤差，直至求出待測區(qū)域內(nèi)所有地面控制點(diǎn)的最佳物方坐標(biāo)及其
坐標(biāo)理論誤差附一,附貞和m一；并且將待測區(qū)域內(nèi)所有地面控制點(diǎn)的最佳物
方坐標(biāo)與各自的實(shí)測坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行作差比較，并得出相應(yīng)多組差值
11AXMj， AYmj和AZmj,其中j = l、 2…t， t為待測區(qū)域內(nèi)所有地面控制點(diǎn)的數(shù)
步驟四、計(jì)算直接定向精度結(jié)果，即所有地面控制點(diǎn)坐標(biāo)的實(shí)際中誤 差mx、 my 、 ms 、 mh、實(shí)際最大誤差A(yù)Xmax， AYm 、 AS,和AH歸和理論中誤 差mlx、 mly、 mls、 mlh:
首先，計(jì)算多組差值A(chǔ)XMj， AYMj和AZMj的坐標(biāo)值中誤差 jAXM12+... + AXMt2=mx、 |AYM12—. + AYMt2 =my和卜Zj +... + AZMt2 =mz=mh同
Vt t ~ t
時，相應(yīng)計(jì)算得出平面中誤差ms = VTOc2+，2 ;
從AXM」'AYMj中計(jì)算所有地面控制點(diǎn)的平面誤差值asmj = V《+A《， 從AXm」'aymj, ASMj和AZM」篩選出最大的坐標(biāo)值差值即坐標(biāo)值最大誤差
△xmax， AYmax， ASmax^ AZmiK=AHmax ;
從所有地面控制點(diǎn)坐標(biāo)的理論誤差，計(jì)算得出總的理論中誤差
mlx= mxM1 +'" + mxMt , mly= myM1 +.■. +,mlh= mhM1 +". + mhMt 、 V t ， "V t ， "\( t 、
ml S = iJot/x2 +m/_y2 。
步驟一中所述的常規(guī)實(shí)地測量方法為常規(guī)野外控制點(diǎn)測量方法。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)l、設(shè)計(jì)新穎，本發(fā)明以攝影 測量的重點(diǎn)方程共線方程為基礎(chǔ)，以光束法多片前方交會為理論依據(jù)，結(jié) 合最小二乘原理平差計(jì)算得到地面控制點(diǎn)物方坐標(biāo)，再經(jīng)過與地面控制點(diǎn) 的實(shí)測坐標(biāo)比較，統(tǒng)計(jì)得到坐標(biāo)的誤差值來評估GPS/INS系統(tǒng)所得外方位 元素直接定向的精度。2、自動化程度高，不需要人工參與量測；而傳統(tǒng) 立體測圖儀人工量測方法自動化程度低，人工參與成分大，手工工作量大， 且手工工作難度較大，效率較低。3、本發(fā)明釆用光東法原理進(jìn)行計(jì)算處 理，算法嚴(yán)密，能正確反映外方位元素質(zhì)量；傳統(tǒng)點(diǎn)投影系數(shù)法兩片前交 方法算法不嚴(yán)密，不能正確反映外方位元素質(zhì)量。4、本發(fā)明釆用多片最 小二乘計(jì)算，即采用多像空間前方交會方法計(jì)算得出地面控制點(diǎn)的物方坐 標(biāo)，因而不受像片數(shù)約東；傳統(tǒng)立體測圖儀人工量測方法為兩片立體模型量測，因而受像片數(shù)約東；傳統(tǒng)點(diǎn)投影系數(shù)法兩片前交方法為兩片前方交 會，因而也受像片數(shù)約束。5、本發(fā)明用加密的像點(diǎn)坐標(biāo)，能有效避免像
點(diǎn)坐標(biāo)誤差問題；傳統(tǒng)立體測圖儀人工量測方法存在視差，不能有效避免
像點(diǎn)坐標(biāo)誤差。綜上所述，本發(fā)明從攝影測量的核心方程共線方程入手， 結(jié)合最小二乘原理，利用一點(diǎn)多度重疊的多余觀測條件，實(shí)現(xiàn)地面控制點(diǎn)
最佳值的計(jì)算，完成GPS/INS數(shù)據(jù)直接定向精度的評估，其不僅能夠避免
人工立體量測中增加的像點(diǎn)坐標(biāo)量測誤差，而且能充分利用一個地面控制
點(diǎn)的多度重疊的條件和數(shù)據(jù)，增加平差條件，其算法不受像片數(shù)約束；同 時，其也能結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)最小二乘光東法平差，算法理論嚴(yán)密、 計(jì)算出地面控制點(diǎn)坐標(biāo)的最佳值，能真正實(shí)現(xiàn)GPS/INS數(shù)據(jù)直接定向精度 的評估。
下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明的流程框圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明所述的GPS/INS數(shù)據(jù)直接定向精度評估方法，包 括以下步驟
步驟一、通過航空攝影方法按照航空攝影規(guī)范攝取待測區(qū)域的多張攝 影像片并通過像片量測方法獲取各張像片中地面控制點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)觀測 數(shù)據(jù)，同時通過GPS/INS系統(tǒng)獲取各張像片攝影時的外方位元素，所述外 方位元素包括外方位角元素P、 w和/c以及攝影中心點(diǎn)坐標(biāo)(&， Zs); 并通過常規(guī)攝影測量方法獲取所述各張像片的內(nèi)方位元素x。、 y。和/;所
述多張攝影像片的數(shù)量為地面每個控制點(diǎn)在多張像片上成像的像片數(shù)，設(shè) 為N張。
釆用常規(guī)實(shí)地測量方法，測量出待測區(qū)域內(nèi)所有控制點(diǎn)的實(shí)測坐標(biāo)數(shù)
13據(jù)且將所有實(shí)測坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳送至中央處理器。
本實(shí)施例中，所述常規(guī)實(shí)地測量方法為常規(guī)野外控制點(diǎn)測量方法。求 取內(nèi)方位元素x。、 y。和/的方法為相機(jī)檢校和內(nèi)定向等方法。
步驟二、將所獲取的N張攝影像片對應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)觀測數(shù)據(jù)、內(nèi)外方
位元素、每個地面控制點(diǎn)對應(yīng)的攝影像片數(shù)N均傳送至中央處理器進(jìn)行分
析處理求取待測區(qū)域內(nèi)所有地面點(diǎn)的最佳物方坐標(biāo)及其坐標(biāo)理論誤差，對
于待測區(qū)域內(nèi)一地面控制點(diǎn)Ml即物點(diǎn)而言，所述中央處理器的分析處理 過程如下
第一步、獲取地面控制點(diǎn)M1所對應(yīng)的攝影像片數(shù)N;
第二步、利用N張攝影像片對應(yīng)的外方位元素^、w和K空間方位元素，
計(jì)算各張像片的旋轉(zhuǎn)矩陣，第i張像片的旋轉(zhuǎn)矩陣^:
(32 (73 & ~ ^
Cj c
,其中，
i-l、 2、 3…N;
第三步、求出N張像片中N個同名點(diǎn)對應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算值和誤差方 程式的常數(shù)項(xiàng)
首先，利用共線方程公式列出N張像片中N個同名點(diǎn)對應(yīng)的N組共線 方程和N組誤差方程式，對于第i張像片而言，其同名點(diǎn)對應(yīng)的共線方程
和誤差方程式分別為
少— V _
和<
一;c十一AZ + —AF + —AZ
漢
^3 (2),式(1)和(2)中(X, Y， Z)
L y 、,/ , 漢 ay 況
為地面控制點(diǎn)Ml對應(yīng)的未知坐標(biāo)數(shù)據(jù)，(x, y)在第i張像片中為地面 控制點(diǎn)Ml對應(yīng)像點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)觀測數(shù)據(jù)；為像點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)改正
數(shù)；
假定(X， Y， Z)的初值為(0， 0, 0),將(0, 0, 0)作為地面控
14制點(diǎn)Ml坐標(biāo)的近似值代入式(1)，求出第i張像片中同名點(diǎn)對應(yīng)的像點(diǎn)坐
(T)_ "(Us) + W"s) + q(Z-Zs)
"3^_A)+63(,_ys)+e3(，_zs)并相應(yīng)計(jì)算出
標(biāo)計(jì)算值(x)和(y):
"2(X-Xs)+62(W)+c2(Z-Zs)
"3(x-xs)《-rs)+C3(z-zs)
第i張像片中同名點(diǎn)對應(yīng)的誤差方程式的常數(shù)項(xiàng)/.和乙
|7義=X - (X)
lW-(力'
第四步、逐點(diǎn)列出N張像片中N個同名點(diǎn)對應(yīng)的N個誤差方程式 對于第i張像片而言，其誤差方程式V嚴(yán)AiQ-Li,其中K"、 、f,<formula>formula see original document page 15</formula>
第五步、將逐點(diǎn)列出的N個誤差方程式合成為一總誤差方程式 V=AQ-L(3),其中Q-[AX， AY， AZ]， A= [A! A2 ... AN]T, V= A= ^ V2 VN] T， L= [Li L2 … LN] t;
第六步、根據(jù)最小二乘間接平差原理，列出式(3)的法方程式 ATPAQ=ATPL(4)，式(4)中，P為單位矩陣；求出式(4)解的表達(dá)式為 Q = (#^—^7 (4),從而可求出地面控制點(diǎn)Ml坐標(biāo)近似值的改正數(shù) AXP AY和AZ"
第七步、判斷改正數(shù)AX,， AY,和AZ,是否小于限差，若小于限差，計(jì)算此時地面控制點(diǎn)M1改正后的坐標(biāo)(Xi, Y丄,ZJ ，其中X產(chǎn)0+AX" Y產(chǎn)0+AY' 和Z產(chǎn)0+AZ。坐標(biāo)(Xn Y" ZJ即為地面控制點(diǎn)Ml的最佳物方坐標(biāo)，地 面控制點(diǎn)M1的分析處理過程完畢，轉(zhuǎn)入第九步；
若改正數(shù)AX,， AY,和AZ,不小于限差，則轉(zhuǎn)入第八步；
第八步、以第七步改正后的坐標(biāo)作為地面控制點(diǎn)Ml坐標(biāo)的近似值代
入式(l),重復(fù)第三步至第七步，經(jīng)多次迭代運(yùn)算后，直至第六步中所計(jì) 算得出的改正數(shù)AXk， AYk和AZk小于限差，此時地面控制點(diǎn)Ml改正后的坐 標(biāo)為(Xk， Yk, Zk)，其中X^O+AX, +…+ AXk， Y^O+A^ +…+AYk, Z^O+AZJ… + AZk， k為迭代的次數(shù)；坐標(biāo)(Xk, Yk， Zk)即為地面控制點(diǎn)M1的最佳物 方坐標(biāo)，地面控制點(diǎn)M1的分析處理過程完畢，轉(zhuǎn)入第九步；
第九步、通過第六步中所述法方程式中未知數(shù)矩陣Q的系數(shù)矩陣的逆 矩陣(Z々'來求解地面控制點(diǎn)Ml坐標(biāo)的理論精度即理論誤差，此時視地面 控制點(diǎn)Ml的像點(diǎn)坐標(biāo)觀測數(shù)據(jù)為等精度不相關(guān)觀測值，由于矩陣(^^廣中 第f個主對角線上的元素2#就是法方程式中第f個未知數(shù)的權(quán)倒數(shù)，則 第f個未知數(shù)的中誤差柳,二^m。，其中f=l、 2和3， m。為單位權(quán)中誤差
且附±,_H_，其中["=|^+/;，則地面控制點(diǎn)Ml坐標(biāo)的理論誤差
附祐==附2和附顧=附3 ;
同時，需注意的是此處的/ 和~為第i張像片經(jīng)k次迭代后的誤差
方程式的常數(shù)項(xiàng)，具體是第三步中計(jì)算得出的第i張像片中同名點(diǎn)對應(yīng)的 誤差方程式的常數(shù)項(xiàng)t和/y。
第十步、將計(jì)算得出的地面控制點(diǎn)Ml的最佳物方坐標(biāo)與地面控制點(diǎn) Ml的實(shí)測坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行作差比較，得出相應(yīng)差值A(chǔ)X組，AY腿和AZm"
步驟三、重復(fù)步驟二，計(jì)算下一地面控制點(diǎn)M2的最佳物方坐標(biāo)及其
坐標(biāo)理論誤差，直至求出待測區(qū)域內(nèi)所有地面控制點(diǎn)的最佳物方坐標(biāo)及其 坐標(biāo)理論誤差附謝,m洲.和附鄉(xiāng).；并且將待測區(qū)域內(nèi)所有地面控制點(diǎn)的最佳物
方坐標(biāo)與各自的實(shí)測坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行作差比較，并得出相應(yīng)多組差值
16AXM」，AYmj和AZmj，其中j = l、 2…t, t為待測區(qū)域內(nèi)所有地面控制點(diǎn)的數(shù)
步驟四、計(jì)算直接定向精度結(jié)果，即所有地面控制點(diǎn)坐標(biāo)的實(shí)際中誤 差mx、 my、 ms、 mh、實(shí)際最大誤差A(yù)X,， AY腿、AS,和AH隱和理論中誤 差mlx、 mly、 mls、 mlh:
首先，計(jì)算多組差值A(chǔ)XMj， AYMj和AZMj的坐標(biāo)值中誤差 jAXM12+... + AXMt2=mx、 |AYM12—. + AYMt2 =my和+AZMt2 =mz=mh同
Vt Vt V t
時，相應(yīng)計(jì)算得出平面中誤差ms = >w2+mj;2 ;
從AXM AYMj中計(jì)算所有地面控制點(diǎn)的平面誤差值A(chǔ)Sm」=V《+《， 從AXm' aym」，ASMj和AZMj篩選出最大的坐標(biāo)值差值即坐標(biāo)值最大誤差
AXmax， AYmax ， ASmaxAZ咖x = AH咖x ;
從所有地面控制點(diǎn)坐標(biāo)的理論誤差，計(jì)算得出總的理論中誤差
mlx= m順2+…+ 2 , mly= myM1 + " +，mlh=卜m卩+…+ mhM,2 、 V t ， t ， "\( t 、
綜上，要進(jìn)行GPS/INS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)直接定向的精度評估工作，就要將 GPS/INS數(shù)據(jù)直接定向的結(jié)果和常規(guī)空中三角測量的定向結(jié)果進(jìn)行比較，所 以先進(jìn)行常規(guī)的空中三角測量工作并且達(dá)到高精度要求，除了得到加密精度 成果之外，從常規(guī)空中三角測量中，可以得到高精度的地面控制點(diǎn)的量測像 點(diǎn)坐標(biāo)，首先保證了前方交會中像點(diǎn)坐標(biāo)的量測精度。
因而當(dāng)將本發(fā)明用于GPS/INS應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究中時，先由GPS/INS組合 導(dǎo)航系統(tǒng)來獲取像片攝影時的空間方位，即像片的外方位元素^、 &、 Zs、 ^、"、、因精度對比所需，在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了常規(guī)攝影測量即常規(guī)空中三角 測量得到了 一套滿足精度要求的外方位元素?cái)?shù)據(jù)和控制點(diǎn)像點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。從 外方位元素?cái)?shù)據(jù)和像點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)這些已知數(shù)據(jù)出發(fā)，經(jīng)上述步驟即步驟一到 步驟四(在Microsoft Visual C++ 6. 0平臺上用0++語言開發(fā)具體實(shí)用程序)， 可得到地面控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)值。
17用本發(fā)明統(tǒng)計(jì)的常規(guī)空中三角測量所得外方位元素定向精度，如表1所
示
表1 本發(fā)明統(tǒng)計(jì)的常規(guī)空中三角測量成果直接定向精度
統(tǒng)計(jì)中誤差(cm)最大誤差(cm)所用mxmymsmhM歸max"^"""1 max(ax
點(diǎn)數(shù)
4908.54468.706412. 166. 522019.948521,298029. 734720. 6727
利用常規(guī)空中三角測量系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的常規(guī)空中三角測量所得的像片外方位
元素定向的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示 表2
-f平 高定句點(diǎn)殘差(cm)多余控制點(diǎn)較差(cm)中誤差最大誤差中誤差最大誤差定檢mymsmh"隨厶h眼mxmymsmh△ x隱A h隨
向査
點(diǎn)，點(diǎn)
544808. 27.711. 25. 519. 820. 621. 518. 67.78. 811. 77. 516. 419. 922. 1IS. 7
將表1和表2對比分析可知，表l與表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致，可見本 發(fā)明能夠正確客觀地評估外方位元素的定向精度。
選用一個測區(qū)的574個控制點(diǎn)的地面控制點(diǎn)坐標(biāo)，與實(shí)測地面控制點(diǎn)數(shù) 據(jù)對比，即用本發(fā)明統(tǒng)計(jì)GPS/INS系統(tǒng)所得外方位元素直接定向精度結(jié)果如 表3所示
表3 本發(fā)明統(tǒng)計(jì)的GPS/INS數(shù)據(jù)直接定向精度
統(tǒng)計(jì) 所用實(shí)際中誤差(cm)實(shí)際最大誤差(cm)理論中誤差(cm)點(diǎn)數(shù)raxmymsmhmax《W隨mixmlymismlh
49019. 417. 325. 9935.858. 573. 874.481.95. 56. 08. 212. 7
從表3可以看出，本發(fā)明能夠完成GPS/INS數(shù)據(jù)的直接定向精度評估工
18釆用現(xiàn)有的立體測圖儀人工量測的GPS/INS直接定向的精度分析結(jié)果， 和通過點(diǎn)投影系數(shù)法兩片前方交會統(tǒng)計(jì)的常規(guī)空中三角測量所得的像片外方
位元素定向的精度結(jié)果分別如表4和表5所示
表4:立體測圖儀統(tǒng)計(jì)GPS/INS數(shù)據(jù)直接定向精度結(jié)果
統(tǒng)計(jì)所 用點(diǎn)數(shù)中誤差(m)最大誤差(m)mxmymsmhAX """^ i maxmax認(rèn)腿
5100. 2540. 2070. 3280. 1470. 7390. 6690. 8200, 617
表5:點(diǎn)投影系數(shù)法統(tǒng)計(jì)的常規(guī)空中三角測量成果直接定向精度結(jié)果
統(tǒng)計(jì)中誤差(m)最大誤差(m)所用 點(diǎn)數(shù)mxmymsmhAX max"丄max認(rèn)隨
50477. 4 297152.877 8584.0448740.2591877. 968483.2799918. 87 27838. 2643
將表4和表5分別與表2對比分析可知，現(xiàn)有的立體測圖儀人工量測和 通過點(diǎn)投影系數(shù)法兩片前方交會方法均不能正確客觀地評估外方位元素的定 向精度。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是 根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu) 變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
19
權(quán)利要求
1. 一種GPS/INS數(shù)據(jù)直接定向精度評估方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟一、通過航空攝影方法按照航空攝影規(guī)范攝取待測區(qū)域的多張攝影像片并通過像片量測方法獲取各張像片中地面控制點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)觀測數(shù)據(jù)，同時通過GPS/INS系統(tǒng)獲取各張像片攝影時的外方位元素，所述外方位元素包括外方位角元素ω和κ以及攝影中心點(diǎn)坐標(biāo)(XS，YS，ZS)；并通過常規(guī)攝影測量方法獲取所述各張像片的內(nèi)方位元素x0、y0和f；所述多張攝影像片的數(shù)量為地面每個控制點(diǎn)在多張像片上成像的像片數(shù)，設(shè)為N張；采用常規(guī)實(shí)地測量方法，測量出待測區(qū)域內(nèi)所有控制點(diǎn)的實(shí)測坐標(biāo)數(shù)據(jù)且將所有實(shí)測坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳送至中央處理器；步驟二、將所獲取的N張攝影像片對應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)觀測數(shù)據(jù)、內(nèi)外方位元素、每個地面控制點(diǎn)對應(yīng)的攝影像片數(shù)N均傳送至中央處理器進(jìn)行分析處理求取待測區(qū)域內(nèi)所有地面點(diǎn)的最佳物方坐標(biāo)及其坐標(biāo)理論誤差，對于待測區(qū)域內(nèi)一地面控制點(diǎn)M1即物點(diǎn)而言，所述中央處理器的分析處理過程如下第一步、獲取地面控制點(diǎn)M1所對應(yīng)的攝影像片數(shù)N；第二步、利用N張攝影像片對應(yīng)的外方位元素ω和κ空間方位元素，計(jì)算各張像片的旋轉(zhuǎn)矩陣，第i張像片的旋轉(zhuǎn)矩陣其中，i＝1、2、3...N；第三步、求出N張像片中N個同名點(diǎn)對應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算值和誤差方程式的常數(shù)項(xiàng)首先，利用共線方程公式列出N張像片中N個同名點(diǎn)對應(yīng)的N組共線方程和N組誤差方程式，對于第i張像片而言，其同名點(diǎn)對應(yīng)的共線方程和誤差方程式分別為和式(1)和(2)中(X，Y，Z)為地面控制點(diǎn)M1對應(yīng)的未知坐標(biāo)數(shù)據(jù)，(x，y)在第i張像片中為地面控制點(diǎn)M1對應(yīng)像點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)觀測數(shù)據(jù)；(vx，vy)為像點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)改正數(shù)；假定(X，Y，Z)的初值為(0，0，0)，將(0，0，0)作為地面控制點(diǎn)M1坐標(biāo)的近似值代入式(1)，求出第i張像片中同名點(diǎn)對應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算值(x)和(y)并相應(yīng)計(jì)算出第i張像片中同名點(diǎn)對應(yīng)的誤差方程式的常數(shù)項(xiàng)lx和ly第四步、逐點(diǎn)列出N張像片中N個同名點(diǎn)對應(yīng)的N個誤差方程式對于第i張像片而言，其誤差方程式Vi＝AiQ-Li，其中Vi＝[vx vy]T，Li＝[lx ly]T，Q＝[ΔX，ΔY，ΔZ]；Ai中的各偏導(dǎo)數(shù)為第五步、將逐點(diǎn)列出的N個誤差方程式合成為一總誤差方程式V＝AQ-L(3)，其中Q＝[ΔX，ΔY，ΔZ]，A＝[A1A2...AN]T，V＝A＝[V1V2...VN]T，L＝[L1L2...LN]T；第六步、根據(jù)最小二乘間接平差原理，列出式(3)的法方程式ATPAQ＝ATPL(4)，式(4)中，P為單位矩陣；求出式(4)解的表達(dá)式為Q＝(ATA)-1ATL(4)，從而可求出地面控制點(diǎn)M1坐標(biāo)近似值的改正數(shù)ΔX1，ΔY1和ΔZ1；第七步、判斷改正數(shù)ΔX1，ΔY1和ΔZ1是否小于限差，若小于限差，計(jì)算此時地面控制點(diǎn)M1改正后的坐標(biāo)(X1，Y1，Z1)，其中X1＝0+ΔX1，Y1＝0+ΔY1和Z1＝0+ΔZ1，坐標(biāo)(X1，Y1，Z1)即為地面控制點(diǎn)M1的最佳物方坐標(biāo)，地面控制點(diǎn)M1的分析處理過程完畢，轉(zhuǎn)入第九步；若改正數(shù)ΔX1，ΔY1和ΔZ1不小于限差，則轉(zhuǎn)入第八步；第八步、以第七步改正后的坐標(biāo)作為地面控制點(diǎn)M1坐標(biāo)的近似值代入式(1)，重復(fù)第三步至第七步，經(jīng)多次迭代運(yùn)算后，直至第六步中所計(jì)算得出的改正數(shù)ΔXk，ΔYk和ΔZk小于限差，此時地面控制點(diǎn)M1改正后的坐標(biāo)為(Xk，Yk，Zk)，其中Xk＝0+ΔX1+…+ΔXk，Yk＝0+ΔY1+…+ΔYk，Zk＝0+ΔZ1+…+ΔZk，k為迭代的次數(shù)；坐標(biāo)(Xk，Yk，Zk)即為地面控制點(diǎn)M1的最佳物方坐標(biāo)，地面控制點(diǎn)M1的分析處理過程完畢，轉(zhuǎn)入第九步；第九步、通過第六步中所述法方程式中未知數(shù)矩陣Q的系數(shù)矩陣的逆矩陣(ATA)-1來求解地面控制點(diǎn)M1坐標(biāo)的理論精度即理論誤差，此時視地面控制點(diǎn)M1的像點(diǎn)坐標(biāo)觀測數(shù)據(jù)為等精度不相關(guān)觀測值，由于矩陣(ATA)-1中第f個主對角線上的元素Qff就是法方程式中第f個未知數(shù)的權(quán)倒數(shù)，則第f個未知數(shù)的中誤差其中f＝1、2和3，m0為單位權(quán)中誤差且其中則地面控制點(diǎn)M1坐標(biāo)的理論誤差mxM1＝m1，myM1＝m2和mhM1＝m3；第十步、將計(jì)算得出的地面控制點(diǎn)M1的最佳物方坐標(biāo)與地面控制點(diǎn)M1的實(shí)測坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行作差比較，得出相應(yīng)差值ΔXM1，ΔYM1和ΔZM1；步驟三、重復(fù)步驟二，計(jì)算下一地面控制點(diǎn)M2的最佳物方坐標(biāo)及其坐標(biāo)理論誤差，直至求出待測區(qū)域內(nèi)所有地面控制點(diǎn)的最佳物方坐標(biāo)及其坐標(biāo)理論誤差mxMj，myMj和mhMj；并且將待測區(qū)域內(nèi)所有地面控制點(diǎn)的最佳物方坐標(biāo)與各自的實(shí)測坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行作差比較，并得出相應(yīng)多組差值ΔXMj，ΔYMj和ΔZMj，其中j＝1、2...t，t為待測區(qū)域內(nèi)所有地面控制點(diǎn)的數(shù)量；步驟四、計(jì)算直接定向精度結(jié)果，即所有地面控制點(diǎn)坐標(biāo)的實(shí)際中誤差mx、my、ms、mh、實(shí)際最大誤差ΔXmax，ΔYmax、ΔSmax和ΔHmax和理論中誤差mlx、mly、mls、mlh首先，計(jì)算多組差值ΔXMj，ΔYMj和ΔZMj的坐標(biāo)值中誤差和同時，相應(yīng)計(jì)算得出平面中誤差從ΔXMj，ΔYMj中計(jì)算所有地面控制點(diǎn)的平面誤差值從ΔXMj，ΔYMj，ΔSMj和ΔZMj篩選出最大的坐標(biāo)值差值即坐標(biāo)值最大誤差ΔXmax，ΔYmax，ΔSmax和ΔZmax＝ΔHmax；從所有地面控制點(diǎn)坐標(biāo)的理論誤差，計(jì)算得出總的理論中誤差
2.按照權(quán)利要求1所述的一種GPS/INS數(shù)據(jù)直接定向精度評估方法， 其特征在于步驟一中所述的常規(guī)實(shí)地測量方法為常規(guī)野外控制點(diǎn)測量方 法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種GPS/INS數(shù)據(jù)直接定向精度評估方法，其以攝影測量的重點(diǎn)方程共線方程為基礎(chǔ)，以光束法多片前方交會為理論依據(jù)，結(jié)合最小二乘原理平差計(jì)算得到地面控制點(diǎn)物方坐標(biāo)，再經(jīng)過與地面控制點(diǎn)的實(shí)測坐標(biāo)比較，統(tǒng)計(jì)得到坐標(biāo)的誤差值來評估GPS/INS系統(tǒng)所得外方位元素直接定向的精度。本發(fā)明評估精度高、量測誤差小，評估結(jié)果能直接應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，能有效避免人工立體量測中增加的像點(diǎn)坐標(biāo)量測誤差，并且其算法不受像片數(shù)約束。
文檔編號G01C21/28GK101509784SQ20091002162
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
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