摄影测量新核“芯”

陈铭亮

（北京北斗星通导航技术股份有限公司，北京 100094）

测绘工作是一个国家的重要基础工作，在国民经济的发展中起着不可或缺的作用。随着科技的发展和社会的进步，测绘工作也向信息化、数字化、自动化发展。我国空间地理信息的变化很快，大量的事实证明，传统的测绘方式已经远不能满足日益快速变化的空间信息需要：一种是传统的人工内外业结合的方式，耗时费工，要完成全部的空间地理信息建设需要数十年；另一种是卫星遥感与航空摄影测量，适用于大面积作业，但是成本高、精度低、判读难。在这样的环境下，移动测量系统（MMS）应运而生。

1 组合导航产品在陆地移动测量领域的应用

通过在移动载体上装配GNSS（全球导航卫星系统）、CCD（视频系统）、INS（惯性导航系统）或航位推算系统等先进的传感器和设备，快速采集城市实景影像及各种城市设施的空间位置数据和属性数据，后期通过复杂的数据整合，形成城市全要素、可视化、可测量的实景三维数据平台。

1.1 车载移动测量系统组成

车载移动测量系统主要有以下组成（见图1）：

⊙ 摄像机。系统摄像设备，主要用于车辆行驶过程中视频拍摄。

⊙ CCD全景相机。系统立体摄影测量影像获取设备，道路测量时拍摄影像，以构成立体像对。

⊙ 激光扫描仪。系统物体三维模型测量设备，获取车辆周围物体三维建模所需点云数据。

⊙ GNSS+INS组合导航系统。系统位置、速度、姿态测量设备，提供车辆精确的位置、速度、姿态信息，从而换算至激光雷达和CCD相机中心。

⊙ 里程计。系统车辆速度、位移测量设备。当GNSS卫星信号失锁时，通过测量车辆车轮位移量来辅助INS解算。

⊙ 时间同步系统。它是移动测量系统各传感器间联系的纽带，是系统标定和数据解算的基础，各传感器以GPS时间为主线，形成一个有机的统一体。

图1 车载移动测量系统组成

车载移动测量系统将激光扫描仪、IMU、相机和里程计所采集的信息基于GPS时间系统进行统一。GNSS和IMU组成的组合导航系统，结合里程计提供的测量信息进行组合导航，获取系统同样基于GPS时间系统的姿态和位置数据。激光扫描仪和相机用来获取目标地物的坐标和影像数据，通过GPS时间对齐，结合姿态数据融合生成带有绝对坐标的彩色点云数据。

1.2 车载移动测量系统的优势

（1）数据获取效率高。不受空域、阴天等因素限制，作业灵活；每天可完成上百公里基础地理数据的采集。

（2）安全性高。大大减少外业控制测量；提高外业人员的安全性。

（3）精度高、成本低。测点精度可达厘米级；可根据实际要求对不同性能等级的系统部件进行灵活选择。

车载移动测量系统可广泛应用于高清街景采集、城市部件管理、高级驾驶辅助系统（ADAS）路面信息采集、道路设施调查、城市三维建模等领域。

2 组合导航产品在航空摄影测量领域的应用

随着国土测绘作业的系统化和细致化，以及民用地图用户的爆炸式发展，以及人们对空中娱乐项目的追求，航空摄影测量逐渐成为一块越来越重要的市场，而由于GNSS全球卫星导航系统和惯性测量技术的不断提高，GNSS+INS组合系统在航空摄影测量领域中逐步成为热点应用（见图2）。

在进行航空摄影作业过程中，对摄相机的倾斜角有较为苛刻的要求：即航摄像片倾斜角应越小越好，一般不应大于2°，个别最大倾斜角不应超过3°。然而，在实际的作业中，一方面，飞行器的飞行姿态会持续改变，另一方面，飞行器发动机势必会产生或大或小的随机振动。而这些因素都会改变航空摄影机的拍摄角度，直接影响到拍摄画面的质量甚至可用性，因此，摄相机必须装载于可以自动调节惯性平台上，从而确保摄相机与地面对象之间的拍摄角度始终保持在可控范围。

图2 航空摄影测量应用组合导航产品

诺瓦泰SPAN-IGM是一款基于紧耦合技术的一体式GNSS+INS MEMS组合导航系统，可作为飞行器摄影稳定平台的姿态测量。同时，通过NovAtel高精度GNSS接收模块，为航空摄影测量提供精准的经纬度、高度及速度信息。另外，由于航空飞行器、尤其是无人机类载体对所装载设备的体积和重量有严格的要求，SPAN-IGM体积小（152 mm×137 mm×50.5mm）、重量轻（＜540g），非常适用于航空摄影测量应用。

3 组合导航产品在海洋测图领域的应用

随着国家对海上领土的重视，海上实力的发展已经初见端倪。在海洋装备的分类中，船载平台的姿态测量又是一个主流应用。然而在海上特殊的环境下，由于风浪及潮汐等的影响，船体受到的复杂扰动较多，导致船体起伏不定，而船用测量滤波技术中有效地解决了这一问题，使得海洋应用的选择更加便捷。

海上应用需要感应出船体姿态的细微变化，对惯性产品的精度要求较高，并且对长期稳定性的要求也很高。其中，大中型船体的测姿系统以高精度惯导（激光、高精度光纤以及液浮陀螺）为主，用以测量船体姿态的细微变化；小型民用渔船对姿态测量要求很低，通常会采用精度较低的小型AHRS系统（姿态方位参考系统）辅助卫星自动跟踪天线，接收地球同步卫星发射的通信信号。

然而，尽管在多数情况下，船舶在水面上的起伏量较小，但是起伏却几乎不能避免，并且船体起伏对具体的作业（比如对海深的测量）有直接的影响，因此，多数惯导产品在具体使用中稳定性和环境适应性存在一定的问题。为更好地解决这一问题，Novatel组合导航产品嵌入了强大的Heave技术。

Heave 是内置在GNSS+INS 组合导航产品中的滤波技术，能够估算出短时间内船舶相对于平均海水面的起伏情况，实现对船体最高可达3.5cm垂直位移的精确测量，能提供船舶的位置、速度和姿态全部6个自由度的测量信息。

图3 海洋测图应用组合导航产品

在海洋绘图应用中，船舶的起伏运动对声纳测距的精度有直接的影响。为解决这一问题，强大的Heave 技术通过补偿船体起伏引起的误差，配合声纳测距系统可以使绘制出的海底地图能更加准确、连贯、平滑（如图3）。

诺瓦泰（NovAtel）SPAN系列惯导均采用Heave技术，能够估算出船舶相对于平均海水面由波动引起的短期的垂直位移，因而声纳系统可以补偿因这些因素引起的距离误差。

SPAN-LCI是一款采用紧耦合技术的组合导航产品，配备战术级的光纤IMU，其航向角精度可以达到0.008°、水平姿态0.005°，非常适合应用于具有作业要求的船只，尤其是声纳测深，海地测图等应用方向。