推扫式数字航空摄影GPS-IMU数据质量自动化检查的实现.doc

推扫式数字航空摄影GPS/IMU数据质量自动化检查的实现
何鑫星1 李倩1 谭理1 程多祥2
(1.四川省测绘产品质量监督检查站，四川 成都 610041 ；2.四川测绘地理信息局测绘技术服务中心，610081)
摘 要：本文介绍了推扫式数字航空摄影成果GPS/IMU数据质量检查的内容以及相应的检查技术和方法，并对利用VisualBasic.NET开发语言进行检查系统开发的技术进行了探讨。利用该系统可快速、高效并系统性地完成GPS/IMU数据的质量检查，在实际质检工作中具有较高的应用价值。
关键词：推扫式数字航空摄影; GPS/IMU; VisualBasic.NET;质量自动检查

Implementation of the push-broom digital aerial photography GPS / IMU data quality automated inspection
HE Xin-xing1 Li Qian1 Tan Li1 ChengDuo-xiang2
(Sichuan Provincial Surveying and mapping product quality supervision and inspection station, Chengdu 610041, China)
一、引言
随着传感器、GPS、IMU技术的发展，基于GPS/IMU辅助数字传感器的航测相机发展迅速，使数字摄影成为现实，推扫式数字航空摄影就是这样一种集传感器、GPS、IMU技术为一体的现代数字摄影系统。当前GPS/IMU辅助数字航空摄影测量应用越来越广泛，尤其是推扫式数字航空摄影，其成果质量对GPS/IMU的依赖程度较高，为了其成果能更好的适应信息化测绘体系建设的需要，目前迫切需要开展推扫式数字航空摄影成果质量检查技术研究。本文通过对GPS/IMU数据的分析计算及试验，确定了推扫式数字航空摄影成果GPS/IMU数据质量检查的内容以及相应的检查技术和方法，开发了针对GPS/IMU数据的质量检查软件，实现了自动化检查及评价。
二、GPS/IMU数据的内容及解算流程
POS数据的解算，数据源涉及到地面基站GPS数据、机载GPS数据、IMU数据、以及曝光时刻事件文件数据，除了地面基站GPS数据外其他3种数据被压缩记录在POS系统中的原始数据文件（*.dat）中。在数据解算前，需要对数据进行解压和分离，具体解算流程如下：

图1 POS数据解算流程
三、GPS/IMU数据质量检查的主要内容及方法
推扫式数字航空摄影成果机载GPS/IMU数据质量的检查包括机载GPS数据记录完整性、连续性、可利用率、采样间隔正确性的自动检查，IMU数据连续性的自动检查，IMU和GPS数据联合解算的符合性、地面基站GPS数据的时段长度、可利用率、采样间隔以及多路径效应、钟漂、钟漂率等的符合性检查，以及基于GPS/IMU数据解算成果的飞行质量检查。具体检查内容和指标如下：
表1 GPS/IMU数据质量检查的指标
一级指标
二级指标
地面基准站GPS原始观测数据质量
O文件头文件编辑完整性
时段长度
数据中断
数据跳秒
数据采用率
多路径效应
实际采样间隔
钟漂、钟漂率
有效观测卫星总数
机载GPS原始观测数据质量
数据完整性
数据连续性
数据可利用率
采样间隔正确性
机载IMU数据质量
检校场设计合理性
IMU数据连续性
IMU数据稳定性
基于GPS/IMU数据解算成果的飞行
质量
起飞及降落后的静态观测时间
最大最小航高差
相邻航线航高差
实际航高与设计航高差
航高保持
航线弯曲度
1、地面基准站GPS原始观测数据质量检查的方法
地面基准站GPS原始观测数据质量检查主要分为两部分，一是从O文件中读取数据并分析计算一部分指标项，二是调用TEQC平台对O文件进行质量检查并提取部分指标的质量信息。难点：①成果形式多样、格式亦不统一，实现对其关键内容的统一读取、保存、调用和计算难度较大；②如何在主程序中嵌入好TEQC平台，让TEQC平台能同步的出来质量信息，能方便后续计算分析与检查结果的汇总。
总体解决思路：定义统一的数据类型—>批量读取O文件数据/重定向TEQC处理后的质量信息—>数据分析梳理—>按统一类型的数组形式存储—>数据的定位提取—>与检查指标比对—>格式化检查结果并输出。
2、机载GPS原始观测数据的质量检查
（1）机载GPS接收机种类繁多，获得的数据类型、成果形式多样，相关规范对动态GPS观测数据的技术指标项未有明确的限差要求，且高频动态GPS数据的采样间隔小、数据量大，如何根据辅助航空摄影测量的特点和需要，制定数据质量检查内容，实现对数据及成果的统一识别、快速读取和分析，高效锁定数据问题的位置，并对其进行科学合理的质量评价是主要技术难点。
（2）实现机载GPS原始观测数据检查的主要流程及分析计算方法与基准站GPS原始观测数据基本一致，主要难点在于如何快速读取大数据量的文本文件。为此针对大数据量的文本文件的读取方法进行了研究测试，通过研究测试最后综合利用内存映射文件和多线程读取的技术大大提高了读取的速度。后续的分析计算方法、检查结果内容与形式等与基准站GPS原始观测数据基本一致。
3、机载IMU数据的质量检查
（1）机载IMU数据的质量检查利用GPS/IMU数据的解算结果来实现。GPS/IMU联合解算会生成一个可以转换为可读文本的“*.sol”文件，该文件正是提交下工序空三加密的起算数据文件，文件中包含了GPS时间、位置、姿态（外方位元素）、角速度、加速度等信息，可以通过对这些信息的间接分析计算反映出IMU数据的连续性、稳定性。
（2）机载IMU数据还可以应用其GPS/IMU联合解算结果进行飞行质量检查。
4、基于GPS/IMU数据解算成果实现飞行质量检查
利用GPS/IMU数据联合解算生成的位置、姿态等计算成果可以准确的描述飞机整个航摄过程的状态，因此可以基于GPS/IMU数据联合解算成果对飞行质量进行检查。首先要对解算结果文件进行有效内容提取，包括曝光序号、曝光瞬间的时间、各观测历元解算的GPS三维坐标成果、大地坐标成果、各观测历元的解算精度信息等，然后通过对提取的内容计算分析各个指标项的符合情况，具体检查方法如下：
（1）计算每条航线上各个摄站的高度，并进行排序（构造航摄飞行航迹剖面图），根据飞机起飞前和降落后的大地高保持静态不变的特性，计算飞机起飞前和降落后的静态观测时间。
（2）判断各航线最大航高与最小航高之差的符合性，比对分析各航线相邻像片航高差的符合性，计算出分区（或摄区）各个摄站相对于分区（或摄区）平均基准面的实际航高，取其极值（最大最小值），与设计航高比对，分析检查实际航高与设计航高之差的符合性，计算每条航线上各个摄站的高度，以时间为横轴，飞行高度为纵轴，绘制航摄飞行航迹剖面图，检查航高保持情况。
（3）计算航线首末像片的摄站间的距离，并构造直线方程，计算偏离直线最远的像主点到直线的距离，提取最大值计算航线弯曲度，通过比对检查判定航线弯曲度的符合性。
四、软件的实现及应用实例
1、根据检查的内容及指标设计了软件的主界面如下：

图2 GPS/IMU数据质量检查软件的主要界面
2、5.12地震灾后青川数据检查结果实例

图3 地面基准站GPS数据及飞行质量检查结果
五、结语
本文通过对GPS/IMU数据的分析计算及实验，提出了推扫式数字航空摄影成果GPS/IMU数据质量检查的内容以及相应的检查技术和方法，并开发了针对GPS/IMU数据的质量检查软件。主要创新点有：①提出了GPS原始观测数据质量检查的具体指标和方法。②飞行质量检查结果采用了图形和检查结果数据相结合的方式来展现，使得检查结果更加直观和易用。③研究了不同类型GPS接收机的原始观测数据，实现了对数据形式多样、格式亦不统一的原始观测数据的内容统一读取、分析和计算。

参考文献
[1] Brian Siler Jeff Spotts 著Special Edition Using Visual Basic.NET 2002.
[2] 数字航空摄影规范 第二部分：推扫式数字航空摄影.中国标准出版社 2012.
[3] IMU/GPS辅助航空摄影技术规范.中国标准出版社2012.
[4] 测绘成果质量检查与验收. 中国标准出版社, 2009.
[第一作者简介] 何鑫星 男 (1985年3月), 四川省测绘产品质量监督检验站，注册测绘师，主要从事测绘质检和测绘质检软件开发， E-Mail:343656142@。
基金项目：国家测绘地理信息局2012年度科研项目（推扫式数字航空摄影成果质量检验技术研究及其实现）