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(shí)現(xiàn)的角度，結(jié)合軍事目標(biāo)偵察、航空測(cè)繪、數(shù)字城市三方面應(yīng)用需求，討論了一種基于直接地理參考定位技術(shù)，偵察測(cè)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(tái)、大面陣航攝相機(jī)、傾斜航攝相機(jī)、高清攝像機(jī)等設(shè)備，配備相應(yīng)處理軟件，同時(shí)具備偵察目標(biāo)高精度定位、大比例尺航空測(cè)繪、數(shù)字城市快速建模三項(xiàng)能力。初步試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)飛行高度為1000米時(shí)，目標(biāo)實(shí)時(shí)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(dǎo)航、光電吊艙、傾斜攝影、測(cè)繪

中圖分類號(hào)：P23 文獻(xiàn)標(biāo)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(cè)、數(shù)字城市建設(shè)等領(lǐng)域形成廣泛應(yīng)用，各領(lǐng)域用戶對(duì)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(yīng)用及展現(xiàn)方式越來越多樣化，涉及的專業(yè)學(xué)科不斷交叉、應(yīng)用需求也不斷融合。

為探索直接地理定位技術(shù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度定位可行性，解決偵察目標(biāo)高動(dòng)態(tài)感知與目標(biāo)高精度定位、航測(cè)設(shè)備高精度與設(shè)備小型化、數(shù)字城市建設(shè)對(duì)數(shù)據(jù)多樣性三個(gè)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(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜五個(gè)不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界。航空傾斜影像不僅能夠真實(shí)地反應(yīng)地物情況，而且可通過先進(jìn)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(jí)的用戶體驗(yàn)，擴(kuò)展遙感影像的應(yīng)用領(lǐng)域，使遙感影像的行業(yè)應(yīng)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(jì)

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(dòng)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(jī)組件和控制組件。同時(shí)，為滿足傾斜航攝及裝機(jī)要求，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了分窗優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整個(gè)光電轉(zhuǎn)塔的直徑減小為φ380mm，整機(jī)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(cè)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(dǎo)航空間穩(wěn)定以及瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定四種工作方式，系統(tǒng)信號(hào)流程如圖3所示。在地面背景條件復(fù)雜、目標(biāo)成像易受太陽光照、飛行平臺(tái)的大幅機(jī)動(dòng)、目標(biāo)被其它物體短時(shí)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(shí)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)定位及狀態(tài)預(yù)測(cè)，提高復(fù)雜背景下抗干擾性和魯棒性能。

圖3系統(tǒng)信號(hào)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(jī)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(shí)，為滿足瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定跟蹤，選用40萬像素標(biāo)清視頻攝像頭作為觀測(cè)手段。

傾斜航攝光電吊艙的應(yīng)用在很大程度上以來數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的支持。在數(shù)據(jù)處理平臺(tái)上，集成POS數(shù)據(jù)處理軟件、POS輔助空三平差標(biāo)校軟件，傾斜影像快速自動(dòng)建模軟件以及空地一體數(shù)據(jù)應(yīng)用云平臺(tái)，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(yīng)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(dǎo)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(cè)量的延續(xù)，傳統(tǒng)的航攝影像外方位元素由地面控制點(diǎn)給出，處理復(fù)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(jìn)而可以直接進(jìn)行空中三角測(cè)量，省去了傳統(tǒng)方法布設(shè)控制點(diǎn)的過程。直接地理定位的優(yōu)勢(shì)是不需要對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)量測(cè)連接點(diǎn)和控制點(diǎn)，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(xué)載荷標(biāo)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(dǎo)航誤差模型

3.1.1考慮標(biāo)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(shí)際應(yīng)用條件，建立了包含陀螺和加速度計(jì)標(biāo)度系數(shù)誤差、安裝誤差以及桿臂誤差的33維SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)方程，由于旋翼平臺(tái)框架角變化較小且指向相對(duì)恒定，因此為簡(jiǎn)化誤差模型，未引入框架角誤差補(bǔ)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(jī)漂移估計(jì)，為加速度計(jì)常值偏置誤差，、分別為陀螺、加速度計(jì)標(biāo)度系數(shù)和交叉耦合誤差。

3.1.2量測(cè)模型

考慮到實(shí)際應(yīng)用條件衛(wèi)星信號(hào)觀測(cè)條件良好，因此，未引入GNSS速度、偽距及偽距率作為量測(cè)更新，僅采用補(bǔ)償桿臂值的GNSS位置作為觀測(cè)量。位置誤差測(cè)量方程為

（2）

對(duì)應(yīng)的位置量測(cè)矩陣為

（3）

其中，

RM，Rn為地球長短半軸，L為當(dāng)前時(shí)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(cè)量誤差模型

系統(tǒng)集成時(shí)，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(jì)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(cè)量的共線方程數(shù)學(xué)模型為：

(4)

(5)

式中:

為像點(diǎn)像平面坐標(biāo)和相應(yīng)改正數(shù)；

X,Y,Z為物點(diǎn)在地面坐標(biāo)系中的物方空間坐標(biāo)；

為像片外方位線元素，即航攝儀投影中心地面坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)；

(i=1,2,3)為像方空間坐標(biāo)系相對(duì)于物空間坐標(biāo)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(diǎn)像平面坐標(biāo)以及標(biāo)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?cái)?shù)據(jù)作為初始值，作為帶權(quán)觀測(cè)值參與攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差，考慮到POS測(cè)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(cè)量值：

(8)

代入POS姿態(tài)測(cè)量值：

(9)

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

,，,以及,,,為載體坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系間旋轉(zhuǎn)矩陣元素及改正數(shù)；為相機(jī)坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)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(gè)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(jī)坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系偏心角轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)矩陣。

除測(cè)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(biāo)校后的相機(jī)主點(diǎn)仍存在誤差（會(huì)導(dǎo)致可補(bǔ)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(biāo)定與測(cè)試

4.1基于高精度控制場(chǎng)和轉(zhuǎn)臺(tái)的室內(nèi)一體化標(biāo)定

系統(tǒng)標(biāo)定是保證吊艙精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，標(biāo)定精度決定了機(jī)載條件下的目標(biāo)定位精度。為保證設(shè)備內(nèi)外方位參數(shù)準(zhǔn)確有效，采用高精度室內(nèi)控制標(biāo)定場(chǎng)與高精度三軸位置速度轉(zhuǎn)臺(tái)相結(jié)合的方式，對(duì)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行一體化標(biāo)定，直接獲取相機(jī)鏡頭畸變、相機(jī)主點(diǎn)、主距內(nèi)方位參數(shù)，以及POS/相機(jī)安裝視準(zhǔn)軸誤差、線元素偏差。

圖6室內(nèi)高精度控制場(chǎng)一體化標(biāo)定

Fig.6 Integrated calibration in high precision indoor control field

4.2外場(chǎng)塔吊測(cè)試

塔吊試驗(yàn)場(chǎng)用于測(cè)試室內(nèi)內(nèi)外參數(shù)一體化檢校成果，航測(cè)檢校場(chǎng)布置圖如圖7所示。測(cè)試時(shí)，光電吊艙設(shè)備距離地面40m，并通過進(jìn)行機(jī)動(dòng)動(dòng)作，進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)攝影測(cè)量精度。

圖7外場(chǎng)塔吊檢校場(chǎng)的布置圖

Fig.7 Layout of tower crane calibration field outside

5試驗(yàn)結(jié)果

本文所選用的影像為實(shí)際飛行數(shù)據(jù)，飛行區(qū)域貴州金陽，相對(duì)航高1000米，測(cè)試面積307平方公里，總計(jì)30個(gè)航時(shí)，數(shù)據(jù)采集歷時(shí)6個(gè)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(chǎng)區(qū)域分別均勻選取20個(gè)地物特征點(diǎn)為控制點(diǎn)，并進(jìn)行坐標(biāo)量測(cè)，輸出控制點(diǎn)XIAN80平面坐標(biāo)與WGS84橢球高程數(shù)據(jù)。經(jīng)過軟件解算，控制點(diǎn)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(diǎn)分布

Fig.8 Flight region and distribution of control point

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

表1精度統(tǒng)計(jì)

Ta.1 The precision statistics

正射影像精度統(tǒng)計(jì)-實(shí)時(shí)目標(biāo)偵測(cè)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(jì)-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(jì)-實(shí)時(shí)目標(biāo)偵測(cè)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(jì)-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(jì)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(cè)圖及建筑物紋理自動(dòng)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(jī)為非量測(cè)型相機(jī)，POS和傾斜相機(jī)安裝失準(zhǔn)角存在一定的標(biāo)校誤差。

實(shí)時(shí)目標(biāo)偵測(cè)精度優(yōu)于6.5米，實(shí)時(shí)目標(biāo)偵測(cè)誤差主要由POS實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)誤差導(dǎo)致。由于POS采用單點(diǎn)定位模式，其位置誤差為3∽5米，實(shí)時(shí)航向精度0.015度，姿態(tài)精度0.005度姿態(tài)誤差，如需進(jìn)一步提高實(shí)時(shí)目標(biāo)偵測(cè)精度，可采用長基線差分和動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行輔助（需要機(jī)載數(shù)據(jù)鏈支持），可使POS位置精度優(yōu)于1米，實(shí)時(shí)航向精度提高至0.01度，實(shí)時(shí)目標(biāo)偵測(cè)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(cè)量控制場(chǎng)和高精度三軸轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)光電吊艙進(jìn)行一體化標(biāo)定，并基于室外塔吊控制場(chǎng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，標(biāo)定參數(shù)具有較好的穩(wěn)定性（免標(biāo)定周期12個(gè)月），與傳統(tǒng)在測(cè)區(qū)附近預(yù)先布設(shè)控制點(diǎn)的方案相比，減少了設(shè)備后期標(biāo)定維護(hù)工作量，具有很好的工程應(yīng)用推廣價(jià)值。

同時(shí)，探索了基于高精度POS進(jìn)行目標(biāo)直接定位的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)識(shí)別、慣性空間坐標(biāo)保持兩種目標(biāo)跟蹤模式，驗(yàn)證了POS與相機(jī)固聯(lián)進(jìn)行實(shí)時(shí)目標(biāo)高精度定位的技術(shù)可行性，實(shí)時(shí)目標(biāo)定位精度優(yōu)于6.5米，對(duì)于提高SAR、紅外、高光譜等傳感器的目標(biāo)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(jiǎn)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(tái)適應(yīng)性。經(jīng)過實(shí)際飛行測(cè)試，能夠在無需布設(shè)控制點(diǎn)的情況下，實(shí)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(duì)城市進(jìn)行三維自動(dòng)化建模，該成果已經(jīng)服務(wù)于數(shù)字城市建設(shè)，獲得了良好的用戶反饋。

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