攝影測量新核“芯”

陳銘亮

（北京北斗星通導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，北京 100094）

測繪工作是一個國家的重要基礎(chǔ)工作，在國民經(jīng)濟的發(fā)展中起著不可或缺的作用。隨著科技的發(fā)展和社會的進步，測繪工作也向信息化、數(shù)字化、自動化發(fā)展。我國空間地理信息的變化很快，大量的事實證明，傳統(tǒng)的測繪方式已經(jīng)遠不能滿足日益快速變化的空間信息需要：一種是傳統(tǒng)的人工內(nèi)外業(yè)結(jié)合的方式，耗時費工，要完成全部的空間地理信息建設(shè)需要數(shù)十年；另一種是衛(wèi)星遙感與航空攝影測量，適用于大面積作業(yè)，但是成本高、精度低、判讀難。在這樣的環(huán)境下，移動測量系統(tǒng)（MMS）應(yīng)運而生。

1 組合導(dǎo)航產(chǎn)品在陸地移動測量領(lǐng)域的應(yīng)用

通過在移動載體上裝配GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、CCD（視頻系統(tǒng)）、INS（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）或航位推算系統(tǒng)等先進的傳感器和設(shè)備，快速采集城市實景影像及各種城市設(shè)施的空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，后期通過復(fù)雜的數(shù)據(jù)整合，形成城市全要素、可視化、可測量的實景三維數(shù)據(jù)平臺。

1.1 車載移動測量系統(tǒng)組成

車載移動測量系統(tǒng)主要有以下組成（見圖1）：

⊙ 攝像機。系統(tǒng)攝像設(shè)備，主要用于車輛行駛過程中視頻拍攝。

⊙ CCD全景相機。系統(tǒng)立體攝影測量影像獲取設(shè)備，道路測量時拍攝影像，以構(gòu)成立體像對。

⊙ 激光掃描儀。系統(tǒng)物體三維模型測量設(shè)備，獲取車輛周圍物體三維建模所需點云數(shù)據(jù)。

⊙ GNSS+INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)位置、速度、姿態(tài)測量設(shè)備，提供車輛精確的位置、速度、姿態(tài)信息，從而換算至激光雷達和CCD相機中心。

⊙ 里程計。系統(tǒng)車輛速度、位移測量設(shè)備。當GNSS衛(wèi)星信號失鎖時，通過測量車輛車輪位移量來輔助INS解算。

⊙ 時間同步系統(tǒng)。它是移動測量系統(tǒng)各傳感器間聯(lián)系的紐帶，是系統(tǒng)標定和數(shù)據(jù)解算的基礎(chǔ)，各傳感器以GPS時間為主線，形成一個有機的統(tǒng)一體。

圖1 車載移動測量系統(tǒng)組成

車載移動測量系統(tǒng)將激光掃描儀、IMU、相機和里程計所采集的信息基于GPS時間系統(tǒng)進行統(tǒng)一。GNSS和IMU組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)合里程計提供的測量信息進行組合導(dǎo)航，獲取系統(tǒng)同樣基于GPS時間系統(tǒng)的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)。激光掃描儀和相機用來獲取目標地物的坐標和影像數(shù)據(jù)，通過GPS時間對齊，結(jié)合姿態(tài)數(shù)據(jù)融合生成帶有絕對坐標的彩色點云數(shù)據(jù)。

1.2 車載移動測量系統(tǒng)的優(yōu)勢

（1）數(shù)據(jù)獲取效率高。不受空域、陰天等因素限制，作業(yè)靈活；每天可完成上百公里基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的采集。

（2）安全性高。大大減少外業(yè)控制測量；提高外業(yè)人員的安全性。

（3）精度高、成本低。測點精度可達厘米級；可根據(jù)實際要求對不同性能等級的系統(tǒng)部件進行靈活選擇。

車載移動測量系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于高清街景采集、城市部件管理、高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）路面信息采集、道路設(shè)施調(diào)查、城市三維建模等領(lǐng)域。

2 組合導(dǎo)航產(chǎn)品在航空攝影測量領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著國土測繪作業(yè)的系統(tǒng)化和細致化，以及民用地圖用戶的爆炸式發(fā)展，以及人們對空中娛樂項目的追求，航空攝影測量逐漸成為一塊越來越重要的市場，而由于GNSS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性測量技術(shù)的不斷提高，GNSS+INS組合系統(tǒng)在航空攝影測量領(lǐng)域中逐步成為熱點應(yīng)用（見圖2）。

在進行航空攝影作業(yè)過程中，對攝相機的傾斜角有較為苛刻的要求：即航攝像片傾斜角應(yīng)越小越好，一般不應(yīng)大于2°，個別最大傾斜角不應(yīng)超過3°。然而，在實際的作業(yè)中，一方面，飛行器的飛行姿態(tài)會持續(xù)改變，另一方面，飛行器發(fā)動機勢必會產(chǎn)生或大或小的隨機振動。而這些因素都會改變航空攝影機的拍攝角度，直接影響到拍攝畫面的質(zhì)量甚至可用性，因此，攝相機必須裝載于可以自動調(diào)節(jié)慣性平臺上，從而確保攝相機與地面對象之間的拍攝角度始終保持在可控范圍。

圖2 航空攝影測量應(yīng)用組合導(dǎo)航產(chǎn)品

諾瓦泰SPAN-IGM是一款基于緊耦合技術(shù)的一體式GNSS+INS MEMS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可作為飛行器攝影穩(wěn)定平臺的姿態(tài)測量。同時，通過NovAtel高精度GNSS接收模塊，為航空攝影測量提供精準的經(jīng)緯度、高度及速度信息。另外，由于航空飛行器、尤其是無人機類載體對所裝載設(shè)備的體積和重量有嚴格的要求，SPAN-IGM體積?。?52 mm×137 mm×50.5mm）、重量輕（＜540g），非常適用于航空攝影測量應(yīng)用。

3 組合導(dǎo)航產(chǎn)品在海洋測圖領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著國家對海上領(lǐng)土的重視，海上實力的發(fā)展已經(jīng)初見端倪。在海洋裝備的分類中，船載平臺的姿態(tài)測量又是一個主流應(yīng)用。然而在海上特殊的環(huán)境下，由于風(fēng)浪及潮汐等的影響，船體受到的復(fù)雜擾動較多，導(dǎo)致船體起伏不定，而船用測量濾波技術(shù)中有效地解決了這一問題，使得海洋應(yīng)用的選擇更加便捷。

海上應(yīng)用需要感應(yīng)出船體姿態(tài)的細微變化，對慣性產(chǎn)品的精度要求較高，并且對長期穩(wěn)定性的要求也很高。其中，大中型船體的測姿系統(tǒng)以高精度慣導(dǎo)（激光、高精度光纖以及液浮陀螺）為主，用以測量船體姿態(tài)的細微變化；小型民用漁船對姿態(tài)測量要求很低，通常會采用精度較低的小型AHRS系統(tǒng)（姿態(tài)方位參考系統(tǒng)）輔助衛(wèi)星自動跟蹤天線，接收地球同步衛(wèi)星發(fā)射的通信信號。

然而，盡管在多數(shù)情況下，船舶在水面上的起伏量較小，但是起伏卻幾乎不能避免，并且船體起伏對具體的作業(yè)（比如對海深的測量）有直接的影響，因此，多數(shù)慣導(dǎo)產(chǎn)品在具體使用中穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性存在一定的問題。為更好地解決這一問題，Novatel組合導(dǎo)航產(chǎn)品嵌入了強大的Heave技術(shù)。

Heave 是內(nèi)置在GNSS+INS 組合導(dǎo)航產(chǎn)品中的濾波技術(shù)，能夠估算出短時間內(nèi)船舶相對于平均海水面的起伏情況，實現(xiàn)對船體最高可達3.5cm垂直位移的精確測量，能提供船舶的位置、速度和姿態(tài)全部6個自由度的測量信息。

圖3 海洋測圖應(yīng)用組合導(dǎo)航產(chǎn)品

在海洋繪圖應(yīng)用中，船舶的起伏運動對聲納測距的精度有直接的影響。為解決這一問題，強大的Heave 技術(shù)通過補償船體起伏引起的誤差，配合聲納測距系統(tǒng)可以使繪制出的海底地圖能更加準確、連貫、平滑（如圖3）。

諾瓦泰（NovAtel）SPAN系列慣導(dǎo)均采用Heave技術(shù)，能夠估算出船舶相對于平均海水面由波動引起的短期的垂直位移，因而聲納系統(tǒng)可以補償因這些因素引起的距離誤差。

SPAN-LCI是一款采用緊耦合技術(shù)的組合導(dǎo)航產(chǎn)品，配備戰(zhàn)術(shù)級的光纖IMU，其航向角精度可以達到0.008°、水平姿態(tài)0.005°，非常適合應(yīng)用于具有作業(yè)要求的船只，尤其是聲納測深，海地測圖等應(yīng)用方向。