熊良生

摘 要：目前，無人機(jī)免像控航測系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)并逐步應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目中，這將大幅度減少無人機(jī)測繪的生產(chǎn)成本。本文從無人機(jī)硬件配置、航空攝影測量手段和后處理技術(shù)三個(gè)方面，分析了采用無人機(jī)進(jìn)行大比例尺航空攝影測量中免除地面控制測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：大比例尺 無人機(jī) 免像控 曝光延遲 自檢校

中圖分類號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（b）-0047-02

近年來，無人機(jī)航測系統(tǒng)已被用于國土、規(guī)劃、勘探等各個(gè)領(lǐng)域，然而，傳統(tǒng)的無人機(jī)航測中或多或少地需要引入地面控制點(diǎn)，才能保證后處理成果的精度。地面控制測量生產(chǎn)是一項(xiàng)非常耗時(shí)耗力的工作，近些年，很多專家、學(xué)者都在進(jìn)行著各種減免像控的研究工作。經(jīng)過大量實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目的積累和無人機(jī)硬件的不斷發(fā)展以及后處理技術(shù)的創(chuàng)新，大比例尺無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)逐步出現(xiàn)在市場，具有代表性的是成都縱橫和武漢訊圖聯(lián)合研發(fā)的CW-10C無人機(jī)航測系統(tǒng)。目前，無人機(jī)免像控技術(shù)已成功應(yīng)用于地形圖測量、河湖監(jiān)測等方方面面，并且取得了理想的成果。

像片控制測量最主要的目的就是在空中三角測量中用于絕對定位定向，用以恢復(fù)影像的精確外方位元素，若能夠直接測定到足夠高精度的初始外方位元素，就能夠達(dá)到免除地面控制的目的。因此，所謂的免像控，實(shí)際上是把傳統(tǒng)的地面控制轉(zhuǎn)換為高精度的空中控制，以高精度的空中控制進(jìn)行絕對定位定向。本文從無人機(jī)硬件配置、航空攝影測量手段和后處理技術(shù)三個(gè)方面，分析目前無人機(jī)進(jìn)行大比例尺航空攝影測量中免除地面控制測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。

1 無人機(jī)系統(tǒng)硬件配置

（1）高精度定位系統(tǒng)。

若需要獲取高精度的初始外方位元素，首當(dāng)其沖的就是使用GNSS設(shè)備獲取影像的三個(gè)高精度線元素。目前，高精度定位技術(shù)手段很多。常見的GNSS定位技術(shù)有RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)）、PPP（精密單點(diǎn)定位技術(shù)）和PPK（載波相位差分技術(shù)）。RTK技術(shù)需要在地面架設(shè)基站，無人機(jī)上的GNSS設(shè)備要接收地面基站的信號(hào)才能得到較高精度的定位結(jié)果，該技術(shù)適用范圍較小，通常在1～2km以內(nèi)，不適合大范圍的項(xiàng)目，且精度與無人機(jī)和基站間的距離有一定關(guān)系，可靠性較低；PPP技術(shù)則依賴高精度衛(wèi)星星歷，處理周期長，通常需要兩到三天才能解算數(shù)據(jù)，且其精度較低，通常在1m左右，不適合進(jìn)行大比例尺的航測項(xiàng)目。

因此，免像控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)中最好采用PPK技術(shù)進(jìn)行GNSS定位。PPK技術(shù)的定位精度較高，平面可達(dá)1～2cm，高程達(dá)2～3cm，三維總體精度優(yōu)于5cm，且可靠性強(qiáng)，覆蓋范圍大，距離通?？蛇_(dá)15～30km。

（2）高精度定姿系統(tǒng)。

影像的6個(gè)外方位元素中，除了3個(gè)線元素，還包括3個(gè)角元素，代表相機(jī)曝光時(shí)刻的姿態(tài)，通過慣性測量單元IMU可直接測定初始的角元素值。另外，也可配備GNSS/INS組合導(dǎo)航定位定向等系統(tǒng)，通過解算可直接得到6個(gè)高精度的外方位元素。

（3）相機(jī)曝光同步裝置。

目前，常見的GNSS記錄方式為：當(dāng)飛控系統(tǒng)同時(shí)將信號(hào)發(fā)送給相機(jī)和GNSS差分模塊時(shí)，由于相機(jī)從接收信號(hào)到曝光需要一定的反應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致相機(jī)曝光延遲，從而造成GNSS差分模塊和相機(jī)接收信號(hào)兩者不同步。

因此，即使GNSS的定位精度可控制在5cm以內(nèi)，若相機(jī)曝光延時(shí)較長，依然會(huì)大幅降低實(shí)際的GNSS定位精度。例如，假設(shè)飛機(jī)飛行速度為30m/s，相機(jī)曝光延時(shí)為100ms，從GNSS記錄定位坐標(biāo)開始到相機(jī)實(shí)際拍照時(shí)，飛機(jī)飛行距離達(dá)3m，該偏移值對實(shí)際的GNSS定位精度的影響是非?？捎^的。

若要實(shí)現(xiàn)免像控測量，通常有兩種手段。一種是在無人機(jī)上搭載曝光同步裝置，如引閃器等，它可以捕獲相機(jī)快門動(dòng)作信號(hào)并發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，以記錄此刻的定位信息，可大幅減小曝光延時(shí)，市面上已有部分設(shè)備可將其控制在10ms內(nèi)。另一種是在無人機(jī)上搭載相機(jī)曝光延遲時(shí)間檢測裝置，用以精確測定相機(jī)曝光延遲時(shí)間，然后對GNSS定位結(jié)果進(jìn)行改正。

（4）采用減震無人機(jī)。

目前常見的無人機(jī)有電動(dòng)和油動(dòng)兩種，油動(dòng)無人機(jī)震動(dòng)幅度較大，在飛行過程中對無人機(jī)的姿態(tài)以及相機(jī)內(nèi)部器件的穩(wěn)定性影響較大；相反，電動(dòng)無人機(jī)則震動(dòng)小，且安全、靈活、性價(jià)比高。因此，在免像控的無人機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)盡量采用震動(dòng)較小的電動(dòng)無人機(jī)或配備相應(yīng)的減震裝置。

2 航空攝影測量手段

2.1 飛行速度控制

前文中提到，相機(jī)曝光延時(shí)對GNSS實(shí)際定位精度影響較大，在前文的案例中，若飛行速度控制在20m/s，曝光延遲帶來的GNSS偏移則減小1m?？梢姡退亠w行可進(jìn)一步降低相機(jī)曝光延遲對GNSS精度的影響。

2.2 敷設(shè)構(gòu)架航線

在航線設(shè)計(jì)時(shí)盡量敷設(shè)構(gòu)架航線，構(gòu)架航線的方向應(yīng)垂直于其他航線，且其航攝比例尺較其他航線宜小15%左右，即其航飛高度應(yīng)較高。因?yàn)榭杖^程中的交會(huì)計(jì)算類似于人眼觀察物體，當(dāng)人眼由近及遠(yuǎn)，從不同距離觀察物體，則能更準(zhǔn)確地判斷物體與人之間的距離。構(gòu)架航線的存在降低了系統(tǒng)觀測方程的相關(guān)性，可進(jìn)一步提高空三的高程精度。

2.3 航飛重疊度控制

空中三角測量中，在得到內(nèi)、外方位元素以后，通過前方交會(huì)可解算出地面點(diǎn)的坐標(biāo)，若像片重疊度過大，即交會(huì)角過小，會(huì)影響計(jì)算精度，導(dǎo)致計(jì)算的高程精度較差。因此，在航飛設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制合理的像片重疊度，一般以航向60%～65%，旁向30%～35%為宜。另外，像片傾角，航線彎曲度，像片旋角也應(yīng)盡可能小，以控制在3°以內(nèi)為宜，這需要盡量挑選風(fēng)力較小的天氣進(jìn)行作業(yè)。

3 后處理技術(shù)

3.1 GNSS輔助平差

目前大部分的航空攝影測量后處理軟件均包含GNSS輔助平差模塊，如Inpho、PATB、Bingo等，為了免除地面控制點(diǎn)，在后處理過程中必須要將相機(jī)曝光時(shí)刻的高精度GNSS觀測值參與平差，甚至將精度可靠的IMU數(shù)據(jù)也參與平差，對提高空三精度有非常重要的作用。

3.2 包含相機(jī)曝光延時(shí)改正的平差

雖然目前有專業(yè)的曝光同步設(shè)備，可高精度獲取GNSS設(shè)備與相機(jī)間的同步信息，經(jīng)后處理可得到精確的曝光時(shí)刻GNSS相位中心坐標(biāo)，然而該設(shè)備昂貴，且部分無人機(jī)體積過小載重輕，無法搭載該類設(shè)備。這時(shí)，可將曝光延遲參數(shù)引入到GNSS輔助光束法平差模型中進(jìn)行解算，以降低相機(jī)曝光延遲對GNSS定位結(jié)果的影響。

3.3 相機(jī)自標(biāo)定/自檢校光束法平差

因?yàn)闊o人機(jī)多數(shù)采用小數(shù)碼相機(jī)，而非專業(yè)的航攝儀，其畸變較大，內(nèi)方位元素也不穩(wěn)定；即使是專業(yè)的航攝儀，由于溫度、氣壓、器件老化、震動(dòng)等因素，也會(huì)使成像參數(shù)發(fā)生變化，不準(zhǔn)確的相機(jī)參數(shù)勢必對后處理結(jié)果造成一定的影響。為了實(shí)現(xiàn)免像控，可使用帶有相機(jī)自標(biāo)定功能的空三軟件，在空三加密過程中無需嚴(yán)格的相機(jī)參數(shù)，而是在平差過程中自動(dòng)計(jì)算相機(jī)參數(shù)，該方法省去了相機(jī)檢校的過程，靈活性強(qiáng)。另外，大量的研究實(shí)驗(yàn)也證明，自檢校光束法平差通過擬合消除了一些未知的系統(tǒng)誤差，可大幅度提高空三精度，從而幫助實(shí)現(xiàn)免像控的目的。

4 結(jié)語

隨著無人機(jī)軟硬件及后處理技術(shù)的飛速發(fā)展，采用無人機(jī)免像控進(jìn)行大比例尺航空攝影測量已成為現(xiàn)實(shí)。歸根結(jié)底，其關(guān)鍵技術(shù)就是盡一切可能地提高初始外方位元素的觀測精度，以及在后處理過程中最大幅度地消除系統(tǒng)誤差。

然而，就目前已有的水平來看，免像控技術(shù)依然還有很大的發(fā)展空間。目前市面上大多數(shù)相關(guān)產(chǎn)品的姿態(tài)并不穩(wěn)定，僅適合進(jìn)行DOM制作，無法滿足大比例尺DLG的生產(chǎn)，且GNSS差分精度、數(shù)碼相機(jī)內(nèi)定向等問題還有望進(jìn)一步發(fā)展。相信在不遠(yuǎn)的將來，免像控技術(shù)可大規(guī)模走向市場，同時(shí)實(shí)現(xiàn)大比例尺的DLG生產(chǎn)工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 本刊市場部.1∶500免像控?zé)o人機(jī)航測系統(tǒng)發(fā)布測繪行業(yè)揭開新篇章[J].中國水利，2017（10）：70.

[2] 范秀慶.無人機(jī)免像控技術(shù)在地形圖測量中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2017（6）：159-160.

[3] 周冰，劉佳瑩，吳峴.免外控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)在電廠地形圖測量中的應(yīng)用及精度分析[J].測繪通報(bào)，2017（S1）：188-191.

[4] 錢海明，王春林，孫金彥，等.無人機(jī)免像控技術(shù)在河湖監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2017（S1）：195-196，200.

[5] 孫紅星，李德仁，丁學(xué)文，等.一種GNSS高精度輔助無人機(jī)空三測量方法：湖北，CN105823469A[P].2016-08-03.

[6] 白立舜，張宏偉，聶敏莉.GPS PPK技術(shù)和GPS RTK技術(shù)在包頭市第二次土地調(diào)查中的應(yīng)用與對比分析[J].測繪通報(bào)，2013（7）：49-53.

[7] 孫紅星，丁學(xué)文，王暉.基于三向卡爾曼濾波平滑器的

GNSS/INS組合定位定向算法：湖北，CN105806338A

[P].2016-07-27.

[8] 孫紅星，丁學(xué)文，王暉.一種基于GNSS/MEMS定位定向

的無地面參考低空三角測量方法：湖北，CN105910582A

[P].2016-08-31.

[9] 王偉峰，雷鳴，?？∏?，等.相機(jī)機(jī)械快門曝光延時(shí)測定裝置及方法：陜西，CN107024830A[P].2017-08-08.

[10]李丙玉，王曉東，王健.一種航拍相機(jī)曝光延遲時(shí)間檢測裝置及檢測方法：吉林，CN104243971A[P].2014-12-24.

[11]王鐵軍，袁曉宏，劉雪松，等.GPS輔助的構(gòu)架航線區(qū)域網(wǎng)平差精度分析[J].地理信息世界，2012（4）：23-27.

[12]吳俊.GPS/INS輔助航空攝影測量原理及應(yīng)用研究[D].

解放軍信息工程大學(xué)，2006.

[13]張春森，朱師歡，臧玉府，等.顧及曝光延遲的無人機(jī)GPS輔助光束法平差方法[J].測繪學(xué)報(bào)，2017，46（5）：565-572.