浅析大比例尺无人机航空摄影测量中免像控技术的实现

熊良生

摘 要：目前，无人机免像控航测系统已经出现并逐步应用于实际生产项目中，这将大幅度减少无人机测绘的生产成本。本文从无人机硬件配置、航空摄影测量手段和后处理技术三个方面，分析了采用无人机进行大比例尺航空摄影测量中免除地面控制测量技术的实现方法。

关键词：大比例尺 无人机 免像控 曝光延迟 自检校

中图分类号：P231 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03（b）-0047-02

近年来，无人机航测系统已被用于国土、规划、勘探等各个领域，然而，传统的无人机航测中或多或少地需要引入地面控制点，才能保证后处理成果的精度。地面控制测量生产是一项非常耗时耗力的工作，近些年，很多专家、学者都在进行着各种减免像控的研究工作。经过大量实际生产项目的积累和无人机硬件的不断发展以及后处理技术的创新，大比例尺无人机航空摄影测量技术逐步出现在市场，具有代表性的是成都纵横和武汉讯图联合研发的CW-10C无人机航测系统。目前，无人机免像控技术已成功应用于地形图测量、河湖监测等方方面面，并且取得了理想的成果。

像片控制测量最主要的目的就是在空中三角测量中用于绝对定位定向，用以恢复影像的精确外方位元素，若能够直接测定到足够高精度的初始外方位元素，就能够达到免除地面控制的目的。因此，所谓的免像控，实际上是把传统的地面控制转换为高精度的空中控制，以高精度的空中控制进行绝对定位定向。本文从无人机硬件配置、航空摄影测量手段和后处理技术三个方面，分析目前无人机进行大比例尺航空摄影测量中免除地面控制测量技术的实现方法。

1 无人机系统硬件配置

（1）高精度定位系统。

若需要获取高精度的初始外方位元素，首当其冲的就是使用GNSS设备获取影像的三个高精度线元素。目前，高精度定位技术手段很多。常见的GNSS定位技术有RTK（实时动态差分技术）、PPP（精密单点定位技术）和PPK（载波相位差分技术）。RTK技术需要在地面架设基站，无人机上的GNSS设备要接收地面基站的信号才能得到较高精度的定位结果，该技术适用范围较小，通常在1～2km以内，不适合大范围的项目，且精度与无人机和基站间的距离有一定关系，可靠性较低；PPP技术则依赖高精度卫星星历，处理周期长，通常需要两到三天才能解算数据，且其精度较低，通常在1m左右，不适合进行大比例尺的航测项目。

因此，免像控无人机系统中最好采用PPK技术进行GNSS定位。PPK技术的定位精度较高，平面可达1～2cm，高程达2～3cm，三维总体精度优于5cm，且可靠性强，覆盖范围大，距离通常可达15～30km。

（2）高精度定姿系统。

影像的6个外方位元素中，除了3个线元素，还包括3个角元素，代表相机曝光时刻的姿态，通过惯性测量单元IMU可直接测定初始的角元素值。另外，也可配备GNSS/INS组合导航定位定向等系统，通过解算可直接得到6个高精度的外方位元素。

（3）相机曝光同步装置。

目前，常见的GNSS记录方式为：当飞控系统同时将信号发送给相机和GNSS差分模块时，由于相机从接收信号到曝光需要一定的反应时间，导致相机曝光延迟，从而造成GNSS差分模块和相机接收信号两者不同步。

因此，即使GNSS的定位精度可控制在5cm以内，若相机曝光延时较长，依然会大幅降低实际的GNSS定位精度。例如，假设飞机飞行速度为30m/s，相机曝光延时为100ms，从GNSS记录定位坐标开始到相机实际拍照时，飞机飞行距离达3m，该偏移值对实际的GNSS定位精度的影响是非常可观的。

若要实现免像控测量，通常有两种手段。一种是在无人机上搭载曝光同步装置，如引闪器等，它可以捕获相机快门动作信号并发出觸发信号，以记录此刻的定位信息，可大幅减小曝光延时，市面上已有部分设备可将其控制在10ms内。另一种是在无人机上搭载相机曝光延迟时间检测装置，用以精确测定相机曝光延迟时间，然后对GNSS定位结果进行改正。

（4）采用减震无人机。

目前常见的无人机有电动和油动两种，油动无人机震动幅度较大，在飞行过程中对无人机的姿态以及相机内部器件的稳定性影响较大；相反，电动无人机则震动小，且安全、灵活、性价比高。因此，在免像控的无人机系统中应尽量采用震动较小的电动无人机或配备相应的减震装置。

2 航空摄影测量手段

2.1 飞行速度控制

前文中提到，相机曝光延时对GNSS实际定位精度影响较大，在前文的案例中，若飞行速度控制在20m/s，曝光延迟带来的GNSS偏移则减小1m。可见，低速飞行可进一步降低相机曝光延迟对GNSS精度的影响。

2.2 敷设构架航线

在航线设计时尽量敷设构架航线，构架航线的方向应垂直于其他航线，且其航摄比例尺较其他航线宜小15%左右，即其航飞高度应较高。因为空三过程中的交会计算类似于人眼观察物体，当人眼由近及远，从不同距离观察物体，则能更准确地判断物体与人之间的距离。构架航线的存在降低了系统观测方程的相关性，可进一步提高空三的高程精度。

2.3 航飞重叠度控制

空中三角测量中，在得到内、外方位元素以后，通过前方交会可解算出地面点的坐标，若像片重叠度过大，即交会角过小，会影响计算精度，导致计算的高程精度较差。因此，在航飞设计时应控制合理的像片重叠度，一般以航向60%～65%，旁向30%～35%为宜。另外，像片倾角，航线弯曲度，像片旋角也应尽可能小，以控制在3°以内为宜，这需要尽量挑选风力较小的天气进行作业。

3 后处理技术

3.1 GNSS辅助平差

目前大部分的航空摄影测量后处理软件均包含GNSS辅助平差模块，如Inpho、PATB、Bingo等，为了免除地面控制点，在后处理过程中必须要将相机曝光时刻的高精度GNSS观测值参与平差，甚至将精度可靠的IMU数据也参与平差，对提高空三精度有非常重要的作用。

3.2 包含相機曝光延时改正的平差

虽然目前有专业的曝光同步设备，可高精度获取GNSS设备与相机间的同步信息，经后处理可得到精确的曝光时刻GNSS相位中心坐标，然而该设备昂贵，且部分无人机体积过小载重轻，无法搭载该类设备。这时，可将曝光延迟参数引入到GNSS辅助光束法平差模型中进行解算，以降低相机曝光延迟对GNSS定位结果的影响。

3.3 相机自标定/自检校光束法平差

因为无人机多数采用小数码相机，而非专业的航摄仪，其畸变较大，内方位元素也不稳定；即使是专业的航摄仪，由于温度、气压、器件老化、震动等因素，也会使成像参数发生变化，不准确的相机参数势必对后处理结果造成一定的影响。为了实现免像控，可使用带有相机自标定功能的空三软件，在空三加密过程中无需严格的相机参数，而是在平差过程中自动计算相机参数，该方法省去了相机检校的过程，灵活性强。另外，大量的研究实验也证明，自检校光束法平差通过拟合消除了一些未知的系统误差，可大幅度提高空三精度，从而帮助实现免像控的目的。

4 结语

随着无人机软硬件及后处理技术的飞速发展，采用无人机免像控进行大比例尺航空摄影测量已成为现实。归根结底，其关键技术就是尽一切可能地提高初始外方位元素的观测精度，以及在后处理过程中最大幅度地消除系统误差。

然而，就目前已有的水平来看，免像控技术依然还有很大的发展空间。目前市面上大多数相关产品的姿态并不稳定，仅适合进行DOM制作，无法满足大比例尺DLG的生产，且GNSS差分精度、数码相机内定向等问题还有望进一步发展。相信在不远的将来，免像控技术可大规模走向市场，同时实现大比例尺的DLG生产工作。

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