基于非量測相機(jī)提高高程精度關(guān)鍵技術(shù)研究

李穎

遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心 遼寧沈陽 110034

由于飛行平臺與任務(wù)載荷自身特點(diǎn)，無人機(jī)航攝遙感系統(tǒng)有著以下幾個(gè)方面的問題。

首先，無人機(jī)作為飛行平臺，其具有飛行姿態(tài)不穩(wěn)定的特點(diǎn)。無人機(jī)由于體積小、重量輕，在空中工作比有人駕駛飛機(jī)更容易受到氣流的干擾。氣流的突變會促使飛機(jī)姿態(tài)在俯仰及側(cè)滾方向上變化，造成曝光像片傾角超限，從而造成立體模型高程誤差變大甚至超限[1]。

其次，無人機(jī)任務(wù)載荷小，只能搭載非量測型相機(jī)，由于非量測型數(shù)碼相機(jī)與專業(yè)航攝相機(jī)相比有較大的鏡頭畸變，最大可達(dá)20-40像素。畸變的產(chǎn)生會使物點(diǎn)、投影中心、像點(diǎn)三點(diǎn)不再共線，同名光線不再相交，空間后方交會精度降低，重建物體的幾何模型變形。

第三，由于無人機(jī)任務(wù)載荷較小，無法搭載大型高精度的量測型攝像機(jī)，也無法搭載高精度曝光同步設(shè)備及GNSS/POS系統(tǒng)，以至于攝站位置精度存在較大誤差，影響平面與高程精度。最后，由于無人機(jī)航空攝影測量所使用的普通數(shù)碼相機(jī)的像幅小得多，這樣會造成航攝基線變短，基線與航高之比變小，從而使空中三角形不穩(wěn)定，降低了解算的穩(wěn)定性。

針對以上問題，通過本項(xiàng)目的研究，不僅能夠提高大比例尺航測成圖平面與高程精度，而且可以大量減少外業(yè)像控?cái)?shù)量，大幅提高工作效率。

1 目標(biāo)與任務(wù)

本次研究利用CW-10垂直起降無人機(jī)作為航空器平臺，任務(wù)載荷為非量測型數(shù)碼相機(jī)SONYa7R。建立室內(nèi)標(biāo)定場，對非量測型數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲取畸變參數(shù)。通過航線設(shè)計(jì)軟件鋪設(shè)無人機(jī)航攝飛行航線，獲取研究區(qū)域低空遙感影像數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)碼影像畸變差糾正與GPS后差分解算等數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲得高精度攝站坐標(biāo)數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)和未畸變航攝影像數(shù)據(jù)，通過影像匹配、空三加密、區(qū)域網(wǎng)平差，恢復(fù)航片攝影時(shí)外方位元素，逐航帶建立立體像對。最終采用立體量測的方法采集測量高程點(diǎn)，外業(yè)檢測采集點(diǎn)的坐標(biāo)高程，通過對比研究和分析大比例尺地形圖高程精度。

2 項(xiàng)目實(shí)施中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 影像畸變差糾正

幾何畸變分為系統(tǒng)性和非系統(tǒng)性，系統(tǒng)性的變形可以尋找到規(guī)律，根據(jù)所使用的航空攝影平臺、相機(jī)參數(shù)、使用的投影方式來推算圖像中不同位置像元位移[2]。幾何糾正主要糾正由于系統(tǒng)性因素引起的圖像變形，這些因素對每幅圖像產(chǎn)生的影響都是相同的，可以利用軟件進(jìn)行統(tǒng)一糾正。非系統(tǒng)性幾何變形沒有規(guī)律可循，它可能由于遙感平臺高度變化、地球曲率、空氣折射變化、航攝時(shí)間瞬時(shí)姿態(tài)和速度不同等不確定的因素造成的，很難預(yù)測。

另外，糾正數(shù)碼相機(jī)鏡頭非線性畸變與飛行器姿態(tài)變化引起的圖像旋轉(zhuǎn)和投影變形糾正，需要通過相機(jī)糾正參數(shù)的轉(zhuǎn)換來糾正相機(jī)，所以需要逐幅進(jìn)行糾正。

相機(jī)標(biāo)定過程分為四個(gè)步驟：（1）建立室內(nèi)標(biāo)定場。場地面積為3米×2米（寬×高）。拍攝者站立位置與墻壁距離不小于3米。（2）進(jìn)行標(biāo)定相機(jī)設(shè)置。進(jìn)行標(biāo)定的相機(jī)，在拍攝時(shí)為定焦模式。將相機(jī)對焦至無窮遠(yuǎn)之后，將鏡頭固定好。在拍攝時(shí)通過調(diào)節(jié)光圈大小，曝光時(shí)間，感光度ISO等參數(shù)來調(diào)節(jié)影像的清晰度。（3）拍攝標(biāo)定影像。相機(jī)標(biāo)定影像的拍攝位置分為三個(gè)，分別位于標(biāo)定板正前方，標(biāo)定板右前方以及標(biāo)定板左前方。拍攝時(shí)端舉相機(jī)分為水平端舉相機(jī)和垂直端舉相機(jī)，拍攝一套標(biāo)定影像總共是45張影像。4.解算相機(jī)檢校參數(shù)，獲得相機(jī)檢校文件。

在本項(xiàng)目分析與研究中，進(jìn)行空三解算時(shí)，Inpho的UASMaster軟件需要進(jìn)行事先影像畸變差糾正，而GodWork和Pix4DMapper兩款軟件包含相機(jī)自檢校功能，不需要事先進(jìn)行影像畸變差糾正，但是在輸出工程文件時(shí)，需要輸出未畸變影像。

2.2 GPS事后差分處理

本項(xiàng)目科技創(chuàng)新研究無人機(jī)航攝的解算后差分?jǐn)?shù)據(jù)是利用CW-10無人機(jī)攜帶的低功耗、高性能工業(yè)級GPS定位存儲器PPS-100。PPS-100內(nèi)置高性能的嵌入式微處理器，體積小，重量輕，可向自動(dòng)駕駛儀輸出實(shí)時(shí)GPS定位信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛儀實(shí)時(shí)精準(zhǔn)導(dǎo)航定位功能，同時(shí)將GPS原始數(shù)據(jù)保存在內(nèi)置的數(shù)據(jù)存儲器中，飛行任務(wù)完成后，進(jìn)行事后差分GPS數(shù)據(jù)解算，得到高精度GPS位置信息。

GPS后差分解算通過POSTec軟件進(jìn)行，步驟如下：（1）曝光點(diǎn)時(shí)間提取。提取無人機(jī)航攝影像曝光時(shí)間，抵償了機(jī)械快門反應(yīng)速度。（2）原始數(shù)據(jù)解包。將基站數(shù)據(jù)和移動(dòng)站數(shù)據(jù)解包，解包后文件可用GPS軟件讀取。（3）基站定位處理。導(dǎo)入外業(yè)測量精確的基站（地面站）位置信息。（4）載波相位差分。將基站采集的載波相位結(jié)合移動(dòng)站信息進(jìn)行求差解算無人機(jī)位置坐標(biāo)。5.信息融合解算。將曝光點(diǎn)時(shí)間與后差分融合輸出解算后POS數(shù)據(jù)。

2.3 構(gòu)架航線設(shè)計(jì)

構(gòu)架航線又叫作航空攝影控制航線，主要是指在攝影區(qū)域內(nèi)加飛的若干條與測圖航線近似垂直的航線。通過無人機(jī)航線規(guī)劃設(shè)計(jì)，正確使用構(gòu)架航線，能夠提升構(gòu)架航線航攝高度，打破非量測型數(shù)碼相機(jī)焦距與航測高程誤差的強(qiáng)相關(guān)性，增強(qiáng)空三解算穩(wěn)定性，提高航測高程精度[3]。

本項(xiàng)目的作業(yè)范圍為一塊近似矩形區(qū)域和一塊條帶型區(qū)域，考慮到無人機(jī)的飛行時(shí)長、旁向重疊度以及構(gòu)架航線等因素，本項(xiàng)目航攝范圍分為三個(gè)航攝分區(qū)，設(shè)計(jì)航線33條，其中常規(guī)航線21條，構(gòu)架航線12條，共獲取影像548張。

項(xiàng)目成果顯示，對于條帶形狀測區(qū)，構(gòu)架航線可以大幅提升其高程精度，尤其是條帶兩端的高程精度。所以，在進(jìn)行帶狀圖無人機(jī)航攝時(shí)，保證航程的前提下盡量采用構(gòu)架航線，不僅可以提高高程精度，還能有效減少外業(yè)控制點(diǎn)數(shù)量。

3 結(jié)語

本項(xiàng)研究提出的提高無人機(jī)航攝高程精度的技術(shù)與方法可有效提高無人機(jī)航攝高程精度，減少野外控制點(diǎn)布設(shè)數(shù)量，大幅提高作業(yè)效率，對帶狀圖、應(yīng)急測繪保障專題數(shù)據(jù)集生產(chǎn)更具參考價(jià)值。