淺析無人機(jī)影像自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差精度

(湖南輝達(dá)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

淺析無人機(jī)影像自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差精度

吳昌

(湖南輝達(dá)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司湖南長(zhǎng)沙410000)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們的生活水平的極大提高，對(duì)于新鮮事物的探索意識(shí)和探索能力也在不斷的加強(qiáng)，對(duì)于很多人類難以挑戰(zhàn)和完成的任務(wù)和工作也會(huì)考慮使用一定的技術(shù)去幫助我們完成的同時(shí)還能保證技術(shù)的提高和精確度的提高。無人機(jī)的出現(xiàn)就是對(duì)復(fù)雜地區(qū)、多云多霧地區(qū)的拍攝進(jìn)行很好的飛行處理，進(jìn)行靈活的完成任務(wù)，但是其中的鏡頭比較小，所以對(duì)于實(shí)際獲取的影響具有一定的影響，一般而言影像的幅度比較小，數(shù)量比較多，而且重疊度不規(guī)則。所以對(duì)于無人機(jī)獲取的影響在處理的方法和處理的過程中也是和傳統(tǒng)的航空影像比較不同。本文就是在介紹了無人機(jī)影像和“自檢校法”的基礎(chǔ)上，無人機(jī)影像自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型、常規(guī)光束法區(qū)域網(wǎng)平差、自檢校光束法平差模型進(jìn)行了分析，對(duì)其中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行探討，最后分析出對(duì)如何更好的定位精度的一些建議和措施。

無人機(jī)影像；自檢校；光束法區(qū)域網(wǎng)平差

引言

無人機(jī)遙感系統(tǒng)是我們?cè)趯?shí)際的操作中通過遙控器對(duì)無人飛行器的控制，從而使其具有低空檢測(cè)和進(jìn)行一定的攝像的能。目前在很多方面的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛，比如在農(nóng)村的土地確權(quán)上，在海洋環(huán)境的檢測(cè)上，在地質(zhì)災(zāi)害的勘察上，在人為很難達(dá)到或者進(jìn)行實(shí)際操作的復(fù)雜環(huán)境下[1]。無人機(jī)攝像技術(shù)的廣泛使得對(duì)其探究和功能優(yōu)化的力度也在不斷的加大，目前，對(duì)無人機(jī)攝像誤差的分析和處理主要采用空中三角測(cè)量的方法，但是，文章[2]已經(jīng)表明，在已經(jīng)引入了誤差的預(yù)更正后，平差之后的結(jié)果仍然在一定程度上存在較大的誤差需要我們?nèi)シ治觥?/p>

一、無人機(jī)影像和“自檢校法”介紹

(一)無人機(jī)影像介紹

無人機(jī)在傳統(tǒng)的概念理解上應(yīng)該是無人駕駛的飛機(jī)，這里指的是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器，它具有體積小、造價(jià)低、使用方便、對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場(chǎng)生存能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在無人機(jī)攝像中就是采用無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)環(huán)境復(fù)雜或者要求比較多的地方進(jìn)行攝像處理，往往能達(dá)到意想不到的結(jié)果。

(二)“自檢校法”介紹[3]

“自檢校法”是目前的使用和研究中在空中三角測(cè)量的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)誤差的消除最有效和最靈活的方法，是使用最為廣泛的方法，同時(shí)也是處理效果最好的。在處理的原則上把相片的坐標(biāo)函數(shù)作為相片的系統(tǒng)誤差，但是對(duì)于使用的無人機(jī)數(shù)碼相機(jī)需要建立一定的系統(tǒng)誤差模型，需要對(duì)誤差的模型和相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行分析處理。

二、無人機(jī)影像自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差模型分析

(一)POS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差分析

POS系統(tǒng)是我們經(jīng)常使用的全球定位系統(tǒng)(GPS)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)進(jìn)行組合使用的一種組合導(dǎo)航系統(tǒng)，它不但結(jié)合了全球定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)而且有效的使用了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在進(jìn)行影像處理的時(shí)候，在影像曝光的時(shí)刻可以及時(shí)的獲取使用數(shù)碼相機(jī)的相關(guān)信息，包括空間位置和姿態(tài)變化，給數(shù)據(jù)和位置的獲取能夠?qū)娇沼跋竦亩ㄏ蚍治鲇幸欢ǖ膸椭椭С?。POS對(duì)于數(shù)碼相機(jī)的空間位置是通過無人機(jī)的動(dòng)態(tài)GPS定位技術(shù)了測(cè)量，該技術(shù)是基于GPS接收機(jī)采用的。是通過載波相位來進(jìn)行判斷和分析的。POS對(duì)于數(shù)碼相機(jī)姿態(tài)角的獲取是利用其自身具有的慣性測(cè)量裝置進(jìn)行分析測(cè)量，可以對(duì)姿態(tài)角進(jìn)行一定的記錄和實(shí)時(shí)的傳輸。

利用POS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差分析的基本原理是通過測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)、攝站坐標(biāo)和姿態(tài)角等作為其實(shí)際使用的觀測(cè)值，利用相對(duì)應(yīng)的地面控制點(diǎn)坐標(biāo)、外方位元素和在實(shí)際操作中的各種系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差改正之后的數(shù)值作為一定的待定參數(shù)，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)、攝站坐標(biāo)和姿態(tài)角的權(quán)，然后采用最小二乘法進(jìn)行物點(diǎn)三維坐標(biāo)的求解。主要利用的方法原理是將實(shí)際攝影測(cè)量的值和非攝影測(cè)量的值進(jìn)行實(shí)際的聯(lián)合平差，然后求解其加密點(diǎn)的坐標(biāo)。這里把其中的流程歸結(jié)為圖1的流程。

圖1 POS系統(tǒng)實(shí)際數(shù)據(jù)處理的流程

(二)常規(guī)光束法區(qū)域網(wǎng)平差分析

在對(duì)POS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差進(jìn)行分析之后，這里進(jìn)行介紹常規(guī)光束法區(qū)域網(wǎng)平差，它是利用光束的原理，在實(shí)際的操作測(cè)量中待定點(diǎn)、像點(diǎn)(這里是指控制點(diǎn)的像點(diǎn))、攝影中心、地面點(diǎn)都可以構(gòu)成一條光束。利用平差基本單元和平差基礎(chǔ)方程的方法進(jìn)行分析數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，平差的基本單元選用形成的一條光束，平差基礎(chǔ)方程為共線方程。對(duì)觀測(cè)值的選擇一般是用像點(diǎn)的坐標(biāo)，其他的坐標(biāo)和元素作為待定參數(shù)(主要是利用地面點(diǎn)坐標(biāo)以及相應(yīng)的攝像外方位元素)，對(duì)1張相片能夠列出2個(gè)誤差方程，對(duì)于n張就能列出2n個(gè)誤差方程進(jìn)行求解待定點(diǎn)的地面坐標(biāo)。

(三)自檢校光束法平差模型分析

一般而言，在處理的原則上我們把相片的坐標(biāo)函數(shù)作為相片的系統(tǒng)誤差，但是對(duì)于使用的無人機(jī)數(shù)碼相機(jī)需要建立一定的系統(tǒng)誤差模型，需要對(duì)誤差的模型和相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行分析處理。在前面介紹和分析了以光線束為基本單元的常規(guī)光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法，在其連接的誤差方程中，如何能利用一定的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的誤差進(jìn)行抵償，將會(huì)有效的增加其中的準(zhǔn)確性，在實(shí)際的操作中可以通過增加待定參數(shù)，這種方法稱為光束法區(qū)域網(wǎng)平差。

對(duì)像點(diǎn)坐標(biāo)中產(chǎn)生的所有系統(tǒng)誤差進(jìn)行消除，使其能夠有效的滿足中心點(diǎn)和像點(diǎn)以及物點(diǎn)共線的這一基本條件。主要是通過共線條件方程進(jìn)行一定的改進(jìn)，將改進(jìn)后的誤差方程(包括地面控制點(diǎn)的、GPS和POS觀測(cè)值的)根據(jù)最小二乘法的原則進(jìn)行整體的平差計(jì)算，這樣可以得到參數(shù)的估值和其他參數(shù)的數(shù)值也會(huì)被遺棄計(jì)算出來。

(四)自檢校光束法平差精度分析

自檢校光束法平差的精度是在進(jìn)行質(zhì)量控制的關(guān)鍵方面，是進(jìn)行空中三角測(cè)量的基礎(chǔ)組成，我們一般可以根據(jù)理論分析法或者是試驗(yàn)驗(yàn)證法進(jìn)行對(duì)其精度進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。對(duì)于理論分析法要利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的知識(shí)和內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算分析的，在統(tǒng)計(jì)學(xué)中方差-協(xié)方差的傳播定律是推導(dǎo)平差量精度的關(guān)鍵。對(duì)于試驗(yàn)驗(yàn)證法，需要在地面上固定大量的檢查點(diǎn)，對(duì)檢查點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)記錄分析，對(duì)實(shí)際測(cè)量的平面位置和計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行比較，把其中的差值當(dāng)做一定的真誤差在實(shí)際的對(duì)比中作為一定的參考。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(一)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量

在某一地區(qū)采用實(shí)地的測(cè)量進(jìn)行結(jié)果的分析，利用2條航帶20張影像，對(duì)每條航帶上10張影像進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)。在其他的參數(shù)中，GSD=5cm，像幅6000×4000，像素5.97um，控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)采用3個(gè)，對(duì)上述各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行說明時(shí)候?qū)?shù)據(jù)平差進(jìn)行分析。

表2 外方位元素精度(m)

(二)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)每一種方法的測(cè)量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和討論，我們主要能得出下面幾個(gè)結(jié)論：

(1)對(duì)POS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法和常規(guī)光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法的精度進(jìn)行分析，我們能夠發(fā)現(xiàn)，常規(guī)光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法在一定的程度上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于POS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法，但是在實(shí)際的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，常規(guī)光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法需要在地面設(shè)置大量的控制點(diǎn)，對(duì)于有些地理?xiàng)l件比較復(fù)雜或者環(huán)境季候比較惡劣的地方是非常困難的。相比較而言，POS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法在實(shí)際的應(yīng)用中比較普遍，還能減少工作的強(qiáng)度，有效的提工作的效率。

(2)在采用以上幾種校驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)的同時(shí)得到不同的數(shù)據(jù)和結(jié)果，所得到的相機(jī)參數(shù)和原始參數(shù)也是有一定的差別，我們可以推測(cè)出一個(gè)結(jié)論，動(dòng)態(tài)環(huán)境的情況下，初始相機(jī)內(nèi)的參數(shù)是在隨時(shí)發(fā)生變化的。

(3)光束法區(qū)域網(wǎng)平差在實(shí)際的結(jié)果中顯示對(duì)于影響誤差的影響比較大，在和其他幾種方法對(duì)比的情況下，是最為敏感的一種，在對(duì)無人機(jī)進(jìn)行初始參數(shù)進(jìn)行檢校的時(shí)候不能完全的保證無人機(jī)的誤差最小，在一定的情況下需要進(jìn)行引入自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差，這種方法也是保證誤差比較小，保證受到的影響最小的可靠措施。

四、結(jié)束語

隨著科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，無人機(jī)攝像的發(fā)展還有很大的發(fā)展空間，當(dāng)前的影響處理中，空中三角測(cè)量的精度還是很難控制，影響還是比較大，由于外界環(huán)境對(duì)相機(jī)參數(shù)有一定的影響，所以通過改變相機(jī)參數(shù)的辦法具有一定的限制性，本文提出的自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差對(duì)這一問題有很好的解決，對(duì)于地面控制點(diǎn)的提高，對(duì)于精確度的穩(wěn)定有效都有一定的幫助。

[1]武帥瑩.基于無人機(jī)影像區(qū)域網(wǎng)平差精度研究[J].測(cè)繪與空間地理信息,2014.

[2]李天子,郭輝.非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)的影響糾正[J].測(cè)繪通報(bào),2006.

[3]郭忠磊,趙志勇,滕惠忠,申家雙,張靚.無人機(jī)影像自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差精度分析[J].海洋測(cè)繪,2016.

吳昌(1985.5-)，男，湖南湘潭人，本科，注冊(cè)測(cè)繪師，從事工程測(cè)量和航測(cè)4d產(chǎn)品生產(chǎn)工作。