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

（立得空間信息技術股份有限公司，武漢430233）

摘要：本文從技術實現的角度，結合軍事目標偵察、航空測繪、數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，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（POS），通過集成雙軸伺服穩定平臺、大面陣航攝相機、傾斜航攝相機、高清攝像機等設備，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、數字城市快速建模三項能力。初步試驗結果顯示，當飛行高度為1000米時，目標實時定位精度優于6.5米，正射影像后處理定位精度優于0.3米，傾斜影像后處理定位精度優于0.5米。

關鍵詞：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

地理信息技術發展日新月異，在國防安全、國情監測、數字城市建設等領域形成廣泛應用，各領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、成果應用及展現方式越來越多樣化，涉及的專業學科不斷交叉、應用需求也不斷融合。

為探索直接地理定位技術對目標進行實時高精度定位可行性，解決偵察目標高動態感知與目標高精度定位、航測設備高精度與設備小型化、數字城市建設對數據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（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，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域，使遙感影像的行業應用更加深入。

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計

該吊艙采用兩軸兩框架（方位和橫滾）結構布局，整體為球形，使系統具有更好的氣動外形。轉塔從結構上分為：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，在結構上進行了分窗優化設計，使整個光電轉塔的直徑減小為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要求，吊艙的伺服穩定及跟蹤控制支持電氣鎖止、慣性空間穩定、導航空間穩定以及瞄準線穩定四種工作方式，系統信號流程如圖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預測，提高復雜背景下抗干擾性和魯棒性能。

圖3系統信號流程圖

Fig.3 Flow chart of system signal

關鍵件選型上，選用高精度光纖POS,航向精度優于0.005度，水平姿態精度優于0.003度，位置精度優于5厘米，速度精度優于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據處理平臺的支持。在數據處理平臺上，集成POS數據處理軟件、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據應用云平臺，滿足用戶從數據獲取、數據處理、數據提取、數據應用、數據管理一系列需求，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誤差檢校

直接地理參考定位本質上是傳統空中三角測量的延續，傳統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，省去了傳統方法布設控制點的過程。直接地理定位的優勢是不需要對整個測區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、安裝誤差和GPS桿臂誤差后的狀態模型

結合實際應用條件，建立了包含陀螺和加速度計標度系數誤差、安裝誤差以及桿臂誤差的33維SINS/GPS組合導航系統方程，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）

式中系統矩陣

33維狀態向量：

其中，為姿態誤差、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、加速度計標度系數和交叉耦合誤差。

3.1.2量測模型

考慮到實際應用條件衛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角(Φ ,ω,κ)。

傳統自檢校區域網光束法空中三角測量的共線方程數學模型為：

(4)

(5)

式中:

為像點像平面坐標和相應改正數；

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矩陣的各元素，是像片外方位角元素 的函數；

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

將POS系統獲取的外方位元素數據作為初始值，作為帶權觀測值參與攝影測量區域網平差，考慮到POS測得外方位元素與攝站外方位元素轉換，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；

,，,以及,,,為載體坐標系與地面坐標系間旋轉矩陣元素及改正數；為相機坐標系與地面坐標系間的旋轉矩陣；D為到轉換的旋轉矩陣；T為從旋轉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換旋轉矩陣。

除測量位置數據以外，姿態數據存在常值偏差、漂移誤差，標校后的相機主點仍存在誤差（會導致可補償的線元素偏差）。因此POS輔助空三平差基于如下模型:

(10)

4系統標定與測試

4.1基于高精度控制場和轉臺的室內一體化標定

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

圖6室內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內外參數一體化檢校成果，航測檢校場布置圖如圖7所示。測試時，光電吊艙設備距離地面40m，并通過進行機動動作，進一步提高動態攝影測量精度。

圖7外場塔吊檢校場的布置圖

Fig.7 Layout of tower crane calibration field outside

5試驗結果

本文所選用的影像為實際飛行數據，飛行區域貴州金陽，相對航高1000米，測試面積307平方公里，總計30個航時，數據采集歷時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橢球高程數據。經過軟件解算，控制點平面中誤差為0.38cm，高程中誤差為0.49cm。

圖8飛行區域及控制點分布

Fig.8 Flight region and distribution of control point

經過室內一體化標定及室外塔吊進行了系統誤差檢校，并且進行直接對地定位，精度統計情況如表1所示：

表1精度統計

Ta.1 The precision statistics

正射影像精度統計-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統計情況可以看出，正射影像后處理中誤差精度優于0.15米，傾斜影像后處理中誤差精度優于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于6.5米，實時目標偵測誤差主要由POS實時位置和姿態誤差導致。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，姿態精度0.005度姿態誤差，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精密單點技術進行輔助（需要機載數據鏈支持），可使POS位置精度優于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結論及展望

利用高精度室內攝影測量控制場和高精度三軸轉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優化，標定參數具有較好的穩定性（免標定周期12個月），與傳統在測區附近預先布設控制點的方案相比，減少了設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路線，實現了目標識別、慣性空間坐標保持兩種目標跟蹤模式，驗證了POS與相機固聯進行實時目標高精度定位的技術可行性，實時目標定位精度優于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、橫滾兩軸穩定，體積小重量輕，具備良好的飛行平臺適應性。經過實際飛行測試，能夠在無需布設控制點的情況下，實現了1:2000大比例尺航攝數據采集，并基于傾斜影像對城市進行三維自動化建模，該成果已經服務于數字城市建設，獲得了良好的用戶反饋。

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