基于高精度POS的傾斜航攝光電吊艙

作者：洪勇、曹君、郭晟、李大軍

（立得空間信息技術(shù)股份有限公司，武漢430233）

摘要：本文從技術(shù)實現(xiàn)的角度，結(jié)合軍事目標偵察、航空測繪、數(shù)字城市三方面應用需求，討論了一種基于直接地理參考定位技術(shù)，偵察測繪功能于一體的傾斜航攝光電吊艙。該吊艙基于高精度定位定姿系統(tǒng)（POS），通過集成雙軸伺服穩(wěn)定平臺、大面陣航攝相機、傾斜航攝相機、高清攝像機等設(shè)備，配備相應處理軟件，同時具備偵察目標高精度定位、大比例尺航空測繪、數(shù)字城市快速建模三項能力。初步試驗結(jié)果顯示，當飛行高度為1000米時，目標實時定位精度優(yōu)于6.5米，正射影像后處理定位精度優(yōu)于0.3米，傾斜影像后處理定位精度優(yōu)于0.5米。

關(guān)鍵詞：組合導航、光電吊艙、傾斜攝影、測繪

中圖分類號：P23 文獻標志碼：A

An Oblique Aerial Photogrammetry Optoelectronic pod Based on High Precision POS

HONG Yong, CAO Jun, GUO Sheng, LI Da-jun

(LEADOR Spatial Information Technology Corporation, Wuhan 430233 ,China)

Abstract: From the view of technique, and combining with three aspects of application requirement——military reconnaissance, aerial mapping, and digital city, an oblique aerial photogrammetry optoelectronic pod based on direct georeferencing positioning technology and Integrated reconnaissance and mapping functions are discussed. Through the integration of biaxial servo stabilized platform, large array aerial camera, oblique aerial equipment, HD video camera, and equipping with corresponding processing software, the pod which is based on high precision positioning and orientation system (POS)has the ability of reconnaissance localization with high precision, large scale aerial surveying, and rapid modeling digital city. Preliminary experiments showed that, when the flying height is 1000 meters, the real-time target localization accuracy is better than 6.5 meters, ortho image post-processing positioning accuracy is better than 0.3 meters,oblique image post-processing positioning accuracy is better than 0.5 meters.

Key Words: integrated navigation,optoelectronic pod,oblique photography,mapping

1引言

地理信息技術(shù)發(fā)展日新月異，在國防安全、國情監(jiān)測、數(shù)字城市建設(shè)等領(lǐng)域形成廣泛應用，各領(lǐng)域用戶對地理信息要素的幾何精度要求越來越高、更新速度要求越來越快、成果應用及展現(xiàn)方式越來越多樣化，涉及的專業(yè)學科不斷交叉、應用需求也不斷融合。

為探索直接地理定位技術(shù)對目標進行實時高精度定位可行性，解決偵察目標高動態(tài)感知與目標高精度定位、航測設(shè)備高精度與設(shè)備小型化、數(shù)字城市建設(shè)對數(shù)據(jù)多樣性三個方面存在的問題，開展了基于高精度定位定姿系統(tǒng)（POS)的傾斜航攝光電吊艙研制工作。

基于高精度POS的傾斜航攝吊艙通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜五個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。航空傾斜影像不僅能夠真實地反應地物情況，而且可通過先進的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級的用戶體驗，擴展遙感影像的應用領(lǐng)域，使遙感影像的行業(yè)應用更加深入。

圖1傾斜航空攝影示意

Fig.1 Sketch map of oblique aerial photography

2基于高精度POS的傾斜航攝光電吊艙總體設(shè)計

該吊艙采用兩軸兩框架（方位和橫滾）結(jié)構(gòu)布局，整體為球形，使系統(tǒng)具有更好的氣動外形。轉(zhuǎn)塔從結(jié)構(gòu)上分為：安裝減震組件、方位組件、橫滾組件、POS組件、相機組件和控制組件。同時，為滿足傾斜航攝及裝機要求，在結(jié)構(gòu)上進行了分窗優(yōu)化設(shè)計，使整個光電轉(zhuǎn)塔的直徑減小為φ380mm，整機重量不超過30千克。外形及組成如圖2所示。

圖2斜航攝光電吊艙組成圖

Fig.2 Component diagram of oblique aerial optoelectronic pod

為滿足偵測一體的技術(shù)要求，吊艙的伺服穩(wěn)定及跟蹤控制支持電氣鎖止、慣性空間穩(wěn)定、導航空間穩(wěn)定以及瞄準線穩(wěn)定四種工作方式，系統(tǒng)信號流程如圖3所示。在地面背景條件復雜、目標成像易受太陽光照、飛行平臺的大幅機動、目標被其它物體短時間遮擋等情況下。引入基于POS輔助的直接地理定位提高系統(tǒng)跟蹤性能，在不需要大幅增加硬件成本的同時，對目標進行準確的實時定位及狀態(tài)預測，提高復雜背景下抗干擾性和魯棒性能。

圖3系統(tǒng)信號流程圖

Fig.3 Flow chart of system signal

關(guān)鍵件選型上，選用高精度光纖POS,航向精度優(yōu)于0.005度，水平姿態(tài)精度優(yōu)于0.003度，位置精度優(yōu)于5厘米，速度精度優(yōu)于0.005米/秒。

選用8000萬像素CCD相機作為航攝影像獲取手段，在航高1000米條件下，正射影像地面分辨率優(yōu)于0.1米；傾斜影像地面分辨率為0.1~0.3米（梯形長短邊影響）。

同時，為滿足瞄準線穩(wěn)定跟蹤，選用40萬像素標清視頻攝像頭作為觀測手段。

傾斜航攝光電吊艙的應用在很大程度上以來數(shù)據(jù)處理平臺的支持。在數(shù)據(jù)處理平臺上，集成POS數(shù)據(jù)處理軟件、POS輔助空三平差標校軟件，傾斜影像快速自動建模軟件以及空地一體數(shù)據(jù)應用云平臺，滿足用戶從數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)應用、數(shù)據(jù)管理一系列需求，軟件模塊組成如圖4所示。

圖4傾斜航攝光電吊艙配套軟件

Fig.4 Corresponding Software of oblique aerial photoelectric pod

3、GNSS/IMU組合導航模型與系統(tǒng)誤差檢校

直接地理參考定位本質(zhì)上是傳統(tǒng)空中三角測量的延續(xù)，傳統(tǒng)的航攝影像外方位元素由地面控制點給出，處理復雜困難，而由于傳感器設(shè)備精度的提高，可以直接由POS提供航攝影像外方位元素，進而可以直接進行空中三角測量，省去了傳統(tǒng)方法布設(shè)控制點的過程。直接地理定位的優(yōu)勢是不需要對整個測區(qū)量測連接點和控制點，直接地理定位的精度主要由POS提供的位置姿態(tài)誤差以及POS/光學載荷標校誤差決定。

圖5直接地理定位工作原理

Fig.5 Working Principle of direct georeferencing

3.1GNSS/IMU組合導航誤差模型

3.1.1考慮標度系數(shù)、安裝誤差和GPS桿臂誤差后的狀態(tài)模型

結(jié)合實際應用條件，建立了包含陀螺和加速度計標度系數(shù)誤差、安裝誤差以及桿臂誤差的33維SINS/GPS組合導航系統(tǒng)方程，由于旋翼平臺框架角變化較小且指向相對恒定，因此為簡化誤差模型，未引入框架角誤差補償：

（1）

式中系統(tǒng)矩陣

33維狀態(tài)向量：

其中，為姿態(tài)誤差、為速度誤差、為位置誤差，為陀螺隨機漂移估計，為加速度計常值偏置誤差，、分別為陀螺、加速度計標度系數(shù)和交叉耦合誤差。

3.1.2量測模型

考慮到實際應用條件衛(wèi)星信號觀測條件良好，因此，未引入GNSS速度、偽距及偽距率作為量測更新，僅采用補償桿臂值的GNSS位置作為觀測量。位置誤差測量方程為

（2）

對應的位置量測矩陣為

（3）

其中，

RM，Rn為地球長短半軸，L為當前時刻緯度，h為航高，l為桿臂值。

3.2高精度POS輔助空中三角測量誤差模型

系統(tǒng)集成時，GPS（BD）天線、IMU與航攝儀投影中心存在著偏心分量，IMU軸線與航攝儀軸線存在著偏心角，采用空三方法計算出每張像片的外方位元素，含投影中心的位置和姿態(tài)角(Φ ,ω,κ)。

傳統(tǒng)自檢校區(qū)域網(wǎng)光束法空中三角測量的共線方程數(shù)學模型為：

(4)

(5)

式中:

為像點像平面坐標和相應改正數(shù)；

X,Y,Z為物點在地面坐標系中的物方空間坐標；

為像片外方位線元素，即航攝儀投影中心地面坐標系中的空間坐標；

(i=1,2,3)為像方空間坐標系相對于物空間坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣的各元素，是像片外方位角元素 的函數(shù)；

為航攝儀內(nèi)方位元素，分別代表像主點像平面坐標以及標稱焦距；為航攝儀內(nèi)方位元素的改正數(shù)；為附加參數(shù)的影響。

將POS系統(tǒng)獲取的外方位元素數(shù)據(jù)作為初始值，作為帶權(quán)觀測值參與攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差，考慮到POS測得外方位元素與攝站外方位元素轉(zhuǎn)換，上述公式可以表述成:

(6)

(7)

其中，代入POS位置測量值：

(8)

代入POS姿態(tài)測量值：

(9)

其中，XIMU,YIMU,ZIMU,以及VXIMU,VYIMU,VZIMU為IMU中心在地面坐標系中物方空間坐標及改正數(shù)；

,，,以及,,,為載體坐標系與地面坐標系間旋轉(zhuǎn)矩陣元素及改正數(shù)；為相機坐標系與地面坐標系間的旋轉(zhuǎn)矩陣；D為到轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)矩陣；T為從旋轉(zhuǎn)矩陣中提取單個角度的變換；，，為IMU到航攝儀間的偏心分量；,,為偏心角；,,為從相機坐標系到載體坐標系偏心角轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)矩陣。

除測量位置數(shù)據(jù)以外，姿態(tài)數(shù)據(jù)存在常值偏差、漂移誤差，標校后的相機主點仍存在誤差（會導致可補償?shù)木€元素偏差）。因此POS輔助空三平差基于如下模型:

(10)

4系統(tǒng)標定與測試

4.1基于高精度控制場和轉(zhuǎn)臺的室內(nèi)一體化標定

系統(tǒng)標定是保證吊艙精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，標定精度決定了機載條件下的目標定位精度。為保證設(shè)備內(nèi)外方位參數(shù)準確有效，采用高精度室內(nèi)控制標定場與高精度三軸位置速度轉(zhuǎn)臺相結(jié)合的方式，對相機內(nèi)外參數(shù)進行一體化標定，直接獲取相機鏡頭畸變、相機主點、主距內(nèi)方位參數(shù)，以及POS/相機安裝視準軸誤差、線元素偏差。

圖6室內(nèi)高精度控制場一體化標定

Fig.6 Integrated calibration in high precision indoor control field

4.2外場塔吊測試

塔吊試驗場用于測試室內(nèi)內(nèi)外參數(shù)一體化檢校成果，航測檢校場布置圖如圖7所示。測試時，光電吊艙設(shè)備距離地面40m，并通過進行機動動作，進一步提高動態(tài)攝影測量精度。

圖7外場塔吊檢校場的布置圖

Fig.7 Layout of tower crane calibration field outside

5試驗結(jié)果

本文所選用的影像為實際飛行數(shù)據(jù)，飛行區(qū)域貴州金陽，相對航高1000米，測試面積307平方公里，總計30個航時，數(shù)據(jù)采集歷時6個月。正射影像單幅畫面覆蓋范圍：976m×734m，分辨率0.1m ；傾斜影像單幅畫面覆蓋范圍：1729m×806m（梯形長短邊），分辨率0.1m~0.3m（梯形長短邊）。

檢校場區(qū)域分別均勻選取20個地物特征點為控制點，并進行坐標量測，輸出控制點XIAN80平面坐標與WGS84橢球高程數(shù)據(jù)。經(jīng)過軟件解算，控制點平面中誤差為0.38cm，高程中誤差為0.49cm。

圖8飛行區(qū)域及控制點分布

Fig.8 Flight region and distribution of control point

經(jīng)過室內(nèi)一體化標定及室外塔吊進行了系統(tǒng)誤差檢校，并且進行直接對地定位，精度統(tǒng)計情況如表1所示：

表1精度統(tǒng)計

Ta.1 The precision statistics

正射影像精度統(tǒng)計-實時目標偵測精度
	中誤差（m）	殘差平均值(m)	最大殘差(m)
X	0.457	-3.256	3.759
Y	0.573	-4.211	-4.862
平面誤差	0.733	5.323	5.438
高程誤差	0.438	5.675	6.417
正射影像精度統(tǒng)計-后處理精度
	中誤差（m）	殘差平均值(m)	最大殘差(m)
X	0.089	-0.001	0.176
Y	0.073	-0.004	-0.147
平面誤差	0.115	0.106	0.177
高程誤差	0.137	0.057	0.376
傾斜影像精度統(tǒng)計-實時目標偵測精度
	中誤差（m）	殘差平均值(m)	最大殘差(m)
X	0.638	3.453	4.352
Y	0.507	-4.394	-5.586
平面誤差	0.815	5.588	6.372
高程誤差	0.409	6.188	6.543
傾斜影像精度統(tǒng)計-后處理精度
	中誤差（m）	殘差平均值(m)	最大殘差(m)
X	0.117	0.254	0.476
Y	0.051	-0.126	-0.447
平面誤差	0.128	0.284	0.563
高程誤差	0.309	0.188	0.476

由表1統(tǒng)計情況可以看出，正射影像后處理中誤差精度優(yōu)于0.15米，傾斜影像后處理中誤差精度優(yōu)于0.3米，可以滿足1:2000比例尺測圖及建筑物紋理自動映射要求。傾斜影像存在0.3米殘差平均值，主要由于傾斜相機為非量測型相機，POS和傾斜相機安裝失準角存在一定的標校誤差。

實時目標偵測精度優(yōu)于6.5米，實時目標偵測誤差主要由POS實時位置和姿態(tài)誤差導致。由于POS采用單點定位模式，其位置誤差為3∽5米，實時航向精度0.015度，姿態(tài)精度0.005度姿態(tài)誤差，如需進一步提高實時目標偵測精度，可采用長基線差分和動態(tài)精密單點技術(shù)進行輔助（需要機載數(shù)據(jù)鏈支持），可使POS位置精度優(yōu)于1米，實時航向精度提高至0.01度，實時目標偵測精度有望提高至3米。

6結(jié)論及展望

利用高精度室內(nèi)攝影測量控制場和高精度三軸轉(zhuǎn)臺對光電吊艙進行一體化標定，并基于室外塔吊控制場進行了參數(shù)優(yōu)化，標定參數(shù)具有較好的穩(wěn)定性（免標定周期12個月），與傳統(tǒng)在測區(qū)附近預先布設(shè)控制點的方案相比，減少了設(shè)備后期標定維護工作量，具有很好的工程應用推廣價值。

同時，探索了基于高精度POS進行目標直接定位的技術(shù)路線，實現(xiàn)了目標識別、慣性空間坐標保持兩種目標跟蹤模式，驗證了POS與相機固聯(lián)進行實時目標高精度定位的技術(shù)可行性，實時目標定位精度優(yōu)于6.5米，對于提高SAR、紅外、高光譜等傳感器的目標定位精度具有一定的參考意義。

基于高精度POS的傾斜航攝光電吊艙安裝操控簡單,具備航向、橫滾兩軸穩(wěn)定，體積小重量輕，具備良好的飛行平臺適應性。經(jīng)過實際飛行測試，能夠在無需布設(shè)控制點的情況下，實現(xiàn)了1:2000大比例尺航攝數(shù)據(jù)采集，并基于傾斜影像對城市進行三維自動化建模，該成果已經(jīng)服務于數(shù)字城市建設(shè)，獲得了良好的用戶反饋。

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