淺析大比例尺無人機航空攝影測量中免像控技術的實現

熊良生

摘 要：目前，無人機免像控航測系統已經出現并逐步應用于實際生產項目中，這將大幅度減少無人機測繪的生產成本。本文從無人機硬件配置、航空攝影測量手段和后處理技術三個方面，分析了采用無人機進行大比例尺航空攝影測量中免除地面控制測量技術的實現方法。

關鍵詞：大比例尺 無人機 免像控 曝光延遲 自檢校

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（b）-0047-02

近年來，無人機航測系統已被用于國土、規劃、勘探等各個領域，然而，傳統的無人機航測中或多或少地需要引入地面控制點，才能保證后處理成果的精度。地面控制測量生產是一項非常耗時耗力的工作，近些年，很多專家、學者都在進行著各種減免像控的研究工作。經過大量實際生產項目的積累和無人機硬件的不斷發展以及后處理技術的創新，大比例尺無人機航空攝影測量技術逐步出現在市場，具有代表性的是成都縱橫和武漢訊圖聯合研發的CW-10C無人機航測系統。目前，無人機免像控技術已成功應用于地形圖測量、河湖監測等方方面面，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，就能夠達到免除地面控制的目的。因此，所謂的免像控，實際上是把傳統的地面控制轉換為高精度的空中控制，以高精度的空中控制進行絕對定位定向。本文從無人機硬件配置、航空攝影測量手段和后處理技術三個方面，分析目前無人機進行大比例尺航空攝影測量中免除地面控制測量技術的實現方法。

1 無人機系統硬件配置

（1）高精度定位系統。

若需要獲取高精度的初始外方位元素，首當其沖的就是使用GNSS設備獲取影像的三個高精度線元素。目前，高精度定位技術手段很多。常見的GNSS定位技術有RTK（實時動態差分技術）、PPP（精密單點定位技術）和PPK（載波相位差分技術）。RTK技術需要在地面架設基站，無人機上的GNSS設備要接收地面基站的信號才能得到較高精度的定位結果，該技術適用范圍較小，通常在1～2km以內，不適合大范圍的項目，且精度與無人機和基站間的距離有一定關系，可靠性較低；PPP技術則依賴高精度衛星星歷，處理周期長，通常需要兩到三天才能解算數據，且其精度較低，通常在1m左右，不適合進行大比例尺的航測項目。

因此，免像控無人機系統中最好采用PPK技術進行GNSS定位。PPK技術的定位精度較高，平面可達1～2cm，高程達2～3cm，三維總體精度優于5cm，且可靠性強，覆蓋范圍大，距離通常可達15～30km。

（2）高精度定姿系統。

影像的6個外方位元素中，除了3個線元素，還包括3個角元素，代表相機曝光時刻的姿態，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組合導航定位定向等系統，通過解算可直接得到6個高精度的外方位元素。

（3）相機曝光同步裝置。

目前，常見的GNSS記錄方式為：當飛控系統同時將信號發送給相機和GNSS差分模塊時，由于相機從接收信號到曝光需要一定的反應時間，導致相機曝光延遲，從而造成GNSS差分模塊和相機接收信號兩者不同步。

因此，即使GNSS的定位精度可控制在5cm以內，若相機曝光延時較長，依然會大幅降低實際的GNSS定位精度。例如，假設飛機飛行速度為30m/s，相機曝光延時為100ms，從GNSS記錄定位坐標開始到相機實際拍照時，飛機飛行距離達3m，該偏移值對實際的GNSS定位精度的影響是非常可觀的。

若要實現免像控測量，通常有兩種手段。一種是在無人機上搭載曝光同步裝置，如引閃器等，它可以捕獲相機快門動作信號并發出觸發信號，以記錄此刻的定位信息，可大幅減小曝光延時，市面上已有部分設備可將其控制在10ms內。另一種是在無人機上搭載相機曝光延遲時間檢測裝置，用以精確測定相機曝光延遲時間，然后對GNSS定位結果進行改正。

（4）采用減震無人機。

目前常見的無人機有電動和油動兩種，油動無人機震動幅度較大，在飛行過程中對無人機的姿態以及相機內部器件的穩定性影響較大；相反，電動無人機則震動小，且安全、靈活、性價比高。因此，在免像控的無人機系統中應盡量采用震動較小的電動無人機或配備相應的減震裝置。

2 航空攝影測量手段

2.1 飛行速度控制

前文中提到，相機曝光延時對GNSS實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。可見，低速飛行可進一步降低相機曝光延遲對GNSS精度的影響。

2.2 敷設構架航線

在航線設計時盡量敷設構架航線，構架航線的方向應垂直于其他航線，且其航攝比例尺較其他航線宜小15%左右，即其航飛高度應較高。因為空三過程中的交會計算類似于人眼觀察物體，當人眼由近及遠，從不同距離觀察物體，則能更準確地判斷物體與人之間的距離。構架航線的存在降低了系統觀測方程的相關性，可進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、外方位元素以后，通過前方交會可解算出地面點的坐標，若像片重疊度過大，即交會角過小，會影響計算精度，導致計算的高程精度較差。因此，在航飛設計時應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，像片旋角也應盡可能小，以控制在3°以內為宜，這需要盡量挑選風力較小的天氣進行作業。

3 后處理技術

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，在后處理過程中必須要將相機曝光時刻的高精度GNSS觀測值參與平差，甚至將精度可靠的IMU數據也參與平差，對提高空三精度有非常重要的作用。

3.2 包含相機曝光延時改正的平差

雖然目前有專業的曝光同步設備，可高精度獲取GNSS設備與相機間的同步信息，經后處理可得到精確的曝光時刻GNSS相位中心坐標，然而該設備昂貴，且部分無人機體積過小載重輕，無法搭載該類設備。這時，可將曝光延遲參數引入到GNSS輔助光束法平差模型中進行解算，以降低相機曝光延遲對GNSS定位結果的影響。

3.3 相機自標定/自檢校光束法平差

因為無人機多數采用小數碼相機，而非專業的航攝儀，其畸變較大，內方位元素也不穩定；即使是專業的航攝儀，由于溫度、氣壓、器件老化、震動等因素，也會使成像參數發生變化，不準確的相機參數勢必對后處理結果造成一定的影響。為了實現免像控，可使用帶有相機自標定功能的空三軟件，在空三加密過程中無需嚴格的相機參數，而是在平差過程中自動計算相機參數，該方法省去了相機檢校的過程，靈活性強。另外，大量的研究實驗也證明，自檢校光束法平差通過擬合消除了一些未知的系統誤差，可大幅度提高空三精度，從而幫助實現免像控的目的。

4 結語

隨著無人機軟硬件及后處理技術的飛速發展，采用無人機免像控進行大比例尺航空攝影測量已成為現實。歸根結底，其關鍵技術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誤差。

然而，就目前已有的水平來看，免像控技術依然還有很大的發展空間。目前市面上大多數相關產品的姿態并不穩定，僅適合進行DOM制作，無法滿足大比例尺DLG的生產，且GNSS差分精度、數碼相機內定向等問題還有望進一步發展。相信在不遠的將來，免像控技術可大規模走向市場，同時實現大比例尺的DLG生產工作。

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