Wykorzystanie jednostki IMU typu MEMS do określenia przybliżonych elementów orientacji zdjęć naziemnych

Opisane w niniejszej pracy badania dotyczą wykorzystania mikro elektromechanicznych sensorów inercyjnych i magnetycznych do bezpośredniego wyznaczania elementów orientacji zewnętrznej zdjęć pomiarowych. Na początku opisano rolę jaką obecnie jednostki inercyjne typu MEMS odgrywają w kontekście technologii pozyskiwania informacji przestrzennej oraz przedstawiono podstawowe zależności matematyczne obrazujące związek pomiędzy pomiarami inercyjnymi a elementami orientacji sensorów optycznych w szczególności kamer cyfrowych. Pomiary testowe przeprowadzono wykorzystując prototyp systemu fotogrametrycznego zbudowany z aparatu cyfrowego, zestawu GPS oraz jednostki IMU typu MEMS. W ramach prowadzonych prac zrealizowano pomiary w warunkach statycznych oraz dynamicznych. Pomiary inercyjne posłużyły następnie do wyznaczenie elementów orientacji zewnętrznej zdjęć. Uzyskane wyniki pokazują, że błędy uzyskane dla azymutu osi kamery są znacznie wyższe niż dla pozostałych dwóch kątów parametryzujących macierz obrotu. Wskazano na potencjalne źródła błędów związane głównie z niedoskonałością konstrukcji systemu oraz ze zmiennością pola magnetycznego. Podniesienie uzyskiwanych dokładności możliwe jest dzięki integracji pomiarów inercyjnych z pomiarami fotogrametrycznymi oraz pomiarami GNSS. Dalszy rozwój technologii MEMS może stworzyć możliwość konstrukcji jeszcze dokładniejszych sensorów inercyjnych, także wkrótce mogą one znaleźć zastosowanie jako składniki komercyjnych systemów mobilnego kartowania.

This paper address the topic of application of MEMS inertial and magnetic sensors for direct determination of exterior orientation parameters of acquired images. First the role that MEMS inertial units currently play in the spatial information acquisition technology is characterized. Besides basic mathematical formulas describing the dependencies between inertial measurements and orientation parameters of optical sensors, especially cameras, are given. The test measurements were conducted using the photogrammetric system prototype consisted of the digital camera, GPS set and MEMS IMU. During the tests the measurements in static and dynamic conditions were carried out. Subsequently the inertial measurements were used to determine exterior orientation parameters of acquired images. The obtained results show that relatively high errors affect the determined azimuth of camera axis. The errors of other two angles, that parameterize the rotation matrix, are smaller. The potential sources of errors may be connected mainly with imperfections of system construction and instabilities of the Earth magnetic field. In order to improve the acquired accuracies, further integration of inertial measurements with photogrammetric and GNSS observation can be carried out. Further development of MEMS technology may provide the possibility of constructing more accurate sensors so that they can be shortly concerned as parts of commercial mobile mapping systems.