基于非量测相机提高高程精度关键技术研究

2019-12-19 13:02:06李颖
商品与质量 2019年14期

李颖

辽宁省自然资源事务服务中心 辽宁沈阳 110034

由于飞行平台与任务载荷自身特点,无人机航摄遥感系统有着以下几个方面的问题。

首先,无人机作为飞行平台,其具有飞行姿态不稳定的特点。无人机由于体积小、重量轻,在空中工作比有人驾驶飞机更容易受到气流的干扰。气流的突变会促使飞机姿态在俯仰及侧滚方向上变化,造成曝光像片倾角超限,从而造成立体模型高程误差变大甚至超限[1]。

其次,无人机任务载荷小,只能搭载非量测型相机,由于非量测型数码相机与专业航摄相机相比有较大的镜头畸变,最大可达20-40像素。畸变的产生会使物点、投影中心、像点三点不再共线,同名光线不再相交,空间后方交会精度降低,重建物体的几何模型变形。

第三,由于无人机任务载荷较小,无法搭载大型高精度的量测型摄像机,也无法搭载高精度曝光同步设备及GNSS/POS系统,以至于摄站位置精度存在较大误差,影响平面与高程精度。最后,由于无人机航空摄影测量所使用的普通数码相机的像幅小得多,这样会造成航摄基线变短,基线与航高之比变小,从而使空中三角形不稳定,降低了解算的稳定性。

针对以上问题,通过本项目的研究,不仅能够提高大比例尺航测成图平面与高程精度,而且可以大量减少外业像控数量,大幅提高工作效率。

1 目标与任务

本次研究利用CW-10垂直起降无人机作为航空器平台,任务载荷为非量测型数码相机SONYa7R。建立室内标定场,对非量测型数码相机进行标定,获取畸变参数。通过航线设计软件铺设无人机航摄飞行航线,获取研究区域低空遥感影像数据。经过数码影像畸变差纠正与GPS后差分解算等数据预处理,获得高精度摄站坐标数据、IMU数据和未畸变航摄影像数据,通过影像匹配、空三加密、区域网平差,恢复航片摄影时外方位元素,逐航带建立立体像对。最终采用立体量测的方法采集测量高程点,外业检测采集点的坐标高程,通过对比研究和分析大比例尺地形图高程精度。

2 项目实施中的关键技术

2.1 影像畸变差纠正

几何畸变分为系统性和非系统性,系统性的变形可以寻找到规律,根据所使用的航空摄影平台、相机参数、使用的投影方式来推算图像中不同位置像元位移[2]。几何纠正主要纠正由于系统性因素引起的图像变形,这些因素对每幅图像产生的影响都是相同的,可以利用软件进行统一纠正。非系统性几何变形没有规律可循,它可能由于遥感平台高度变化、地球曲率、空气折射变化、航摄时间瞬时姿态和速度不同等不确定的因素造成的,很难预测。

另外,纠正数码相机镜头非线性畸变与飞行器姿态变化引起的图像旋转和投影变形纠正,需要通过相机纠正参数的转换来纠正相机,所以需要逐幅进行纠正。

相机标定过程分为四个步骤:(1)建立室内标定场。场地面积为3米×2米(宽×高)。拍摄者站立位置与墙壁距离不小于3米。(2)进行标定相机设置。进行标定的相机,在拍摄时为定焦模式。将相机对焦至无穷远之后,将镜头固定好。在拍摄时通过调节光圈大小,曝光时间,感光度ISO等参数来调节影像的清晰度。(3)拍摄标定影像。相机标定影像的拍摄位置分为三个,分别位于标定板正前方,标定板右前方以及标定板左前方。拍摄时端举相机分为水平端举相机和垂直端举相机,拍摄一套标定影像总共是45张影像。4.解算相机检校参数,获得相机检校文件。

在本项目分析与研究中,进行空三解算时,Inpho的UASMaster软件需要进行事先影像畸变差纠正,而GodWork和Pix4DMapper两款软件包含相机自检校功能,不需要事先进行影像畸变差纠正,但是在输出工程文件时,需要输出未畸变影像。

2.2 GPS事后差分处理

本项目科技创新研究无人机航摄的解算后差分数据是利用CW-10无人机携带的低功耗、高性能工业级GPS定位存储器PPS-100。PPS-100内置高性能的嵌入式微处理器,体积小,重量轻,可向自动驾驶仪输出实时GPS定位信息,实现自动驾驶仪实时精准导航定位功能,同时将GPS原始数据保存在内置的数据存储器中,飞行任务完成后,进行事后差分GPS数据解算,得到高精度GPS位置信息。

GPS后差分解算通过POSTec软件进行,步骤如下:(1)曝光点时间提取。提取无人机航摄影像曝光时间,抵偿了机械快门反应速度。(2)原始数据解包。将基站数据和移动站数据解包,解包后文件可用GPS软件读取。(3)基站定位处理。导入外业测量精确的基站(地面站)位置信息。(4)载波相位差分。将基站采集的载波相位结合移动站信息进行求差解算无人机位置坐标。5.信息融合解算。将曝光点时间与后差分融合输出解算后POS数据。

2.3 构架航线设计

构架航线又叫作航空摄影控制航线,主要是指在摄影区域内加飞的若干条与测图航线近似垂直的航线。通过无人机航线规划设计,正确使用构架航线,能够提升构架航线航摄高度,打破非量测型数码相机焦距与航测高程误差的强相关性,增强空三解算稳定性,提高航测高程精度[3]。

本项目的作业范围为一块近似矩形区域和一块条带型区域,考虑到无人机的飞行时长、旁向重叠度以及构架航线等因素,本项目航摄范围分为三个航摄分区,设计航线33条,其中常规航线21条,构架航线12条,共获取影像548张。

项目成果显示,对于条带形状测区,构架航线可以大幅提升其高程精度,尤其是条带两端的高程精度。所以,在进行带状图无人机航摄时,保证航程的前提下尽量采用构架航线,不仅可以提高高程精度,还能有效减少外业控制点数量。

3 结语

本项研究提出的提高无人机航摄高程精度的技术与方法可有效提高无人机航摄高程精度,减少野外控制点布设数量,大幅提高作业效率,对带状图、应急测绘保障专题数据集生产更具参考价值。