利用差分GNSS獲取高精度無人機影像外方位線元素

張坤鵬,于廣瑞,顧廣杰

(61206部隊，遼寧 大連 116023)

利用差分GNSS獲取高精度無人機影像外方位線元素

張坤鵬,于廣瑞,顧廣杰

(61206部隊，遼寧 大連 116023)

目前，微小型無人機遙感系統(tǒng)定位精度低，需要布設(shè)大量地面控制點，才能滿足空三和測圖精度要求，為提高無人機遙感系統(tǒng)影像的后期處理效率，文中研究利用差分GNSS模塊，結(jié)合后差分算法提高POS數(shù)據(jù)精度，并通過位置標定、相機時間延遲改正等關(guān)鍵技術(shù)方法開展研究，最終獲得高精度相機曝光時刻的位置信息，以此為基礎(chǔ)，集成一套基于差分GNSS的無人機遙感系統(tǒng)。通過實驗，最終實現(xiàn)以少量地面控制點獲取高精度無人機影像外方位線元素，提高無人機影像后期處理效率，具有一定工程應(yīng)用價值。

無人機；差分GNSS；位置標定；相機延遲改正；空三加密

隨著地理信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，攝影測量與遙感作為一種提供地理信息數(shù)據(jù)采集的新型技術(shù)，得到了前所未有的發(fā)展。作為衛(wèi)星遙感和航空攝影測量等信息采集手段的有力補充，無人機遙感系統(tǒng)具有機動性能好、應(yīng)急響應(yīng)迅速等特點，在國土利用的現(xiàn)勢性調(diào)查和小區(qū)域大比例尺成圖等方面發(fā)揮著重要作用。

由于微小型無人機受載荷限制，無法搭載高精度的定位定向系統(tǒng)，故其POS數(shù)據(jù)均直接來自于飛控導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS定位信息，定位精度大致在5～10 m，遠遠達不到大比例尺攝影測量所需要的POS數(shù)據(jù)的精度。因此，無人機的定位精度多依賴于大量地面控制點，嚴重限制了微小型無人機遙感系統(tǒng)快速、高效優(yōu)勢的發(fā)揮。雖然現(xiàn)階段國內(nèi)外市場上流行的無人機遙感平臺已有一些基于GNSS RTK的微型無人機遙感系統(tǒng)，如瑞士eBee公司發(fā)布的eBee RTK無人機遙感系統(tǒng)，價格昂貴，且多以提高無人機導(dǎo)航定位精度為目的，并未考慮真正意義上相機曝光時刻的位置信息，本文提出一種基于差分技術(shù)的無人機系統(tǒng)集合，通過幾種改正方法，得到高精度無人機影像外方位線元素，為后期空三加密、大比例尺測圖等應(yīng)用提高精度與效率。

1 差分系統(tǒng)改裝方案設(shè)計

U-blox公司研制的NEO-M8T GNSS接收機專為低功耗和低成本而設(shè)計，不受所采用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的限制。兩臺接收機通過對載波相位觀測值、偽距測量值以及定位解算所需要的電文、星歷等參數(shù)的記錄，采用RTKLIB軟件對所接收的數(shù)據(jù)進行差分后處理，實現(xiàn)RTK解算。在這個過程中飛控系統(tǒng)對相機曝光點和GNSS數(shù)據(jù)進行協(xié)調(diào)，通過差分后處理，就可以得到精度較高的POS數(shù)據(jù)。

將NEO-M8T開發(fā)板與供電電池利用熱熔膠安裝在中心板幾何中心位置，防止無人機重心發(fā)生偏移，將電池供電接口和開發(fā)板供電接口置于無人機中心板底部外側(cè)，便于為開發(fā)板供電，開發(fā)板與電池安裝情況如圖1所示。測量天線安裝于中心板防雨罩圓形面板上面，并位于機頭與機尾的連接線上，用熱熔膠使其緊固，連接線將開發(fā)板與測量天線相連接，天線安裝情況如圖2所示。

圖1 GNSS模塊與電池安裝圖

圖2 機載測量天線安裝圖

無人機搭載GNSS模塊，與地面基準站進行實時測量，結(jié)合差分后處理軟件，構(gòu)成一套集成系統(tǒng)，如圖3所示。旋翼無人機搭載的接收機與地面站的接收機通過同時對相關(guān)參數(shù)進行記錄，即可利用RTKLIB軟件對所接收的數(shù)據(jù)進行差分后處理，實現(xiàn)RTK解算，得到較高精確度的無人機飛行定位信息。

圖3 無人機差分GNSS集成系統(tǒng)

2 差分系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 天線相位中心與相機中心位置關(guān)系的標定

差分模塊與測量天線安裝在旋翼無人機上，由于天線相位中心與相機中心位置存在幾何偏差，導(dǎo)致差分處理的POS數(shù)據(jù)并非影像的外方位線元素，因此需要標定出兩者的位置關(guān)系。

無人機在飛行作業(yè)過程中，天線相位中心與相機中心存在的空間相對關(guān)系，對于航空攝影測量來說屬于系統(tǒng)誤差，但飛機的飛行狀態(tài)不穩(wěn)定，該部分誤差的影響是實時變化的，因此，只能近似消除這部分誤差。實驗中精確測得地面各個目標點的坐標為(Xi，Yi，Zi)，飛機在近似水平狀態(tài)，對地面目標點同時拍攝，所得標志點在像空間坐標系中的坐標為(xi，yi，zi)，設(shè)像空間坐標系的原點在參考坐標系中的坐標為(XS，YS，ZS)，相對于參考坐標系的姿態(tài)旋轉(zhuǎn)參數(shù)為(Rx，Ry，Rz)，如圖4所示，設(shè)地面上其中3個點A，B，C對應(yīng)圖像上A′，B′，C′。

則可建立共線方程為

(1)

其中旋轉(zhuǎn)矩陣

(2)

ai，bi，ci由旋轉(zhuǎn)角度Rx，Ry，Rz確定。由共線方程建立空間后方交會模型就可以求得相機坐標系與參考坐標系之間的6個實時轉(zhuǎn)換參數(shù)XS，YS，ZS和Rx，Ry，Rz，結(jié)合GNSS測量結(jié)果，即可以確定天線相位中心與相機中心的位置。

實驗中，采用最小二乘平差，如圖5所示，在地面布控9(3×3)個測量控制點，利用萊卡TP1201+全站儀經(jīng)設(shè)站測得點位坐標pi(xi，yi)。

圖4 空間后方交會

圖5 標定場控制點布置分布圖

在靜態(tài)情況下，人為模擬無人機沿著指定飛行方向拍攝地面9個控制點，在此同時，基準站和飛機上的差分模塊記錄該靜態(tài)狀態(tài)下的位置信息，該實驗共進行三組影像拍攝，每組拍攝10張。對于相機拍攝的影像，通過編程進行單張影像空間后方交會，求解得到每組影像相對于參考坐標系下的外方位元素，如表1所示。

表1 相機位置測量結(jié)果

對差分GNSS系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)，利用RTKLIB軟件，經(jīng)過后處理得到無人機上測量天線相位中心的坐標，如表2所示。

表2 GNSS測量結(jié)果

2.2 相機延遲改正方法

目前無人機遙感系統(tǒng)中相機的拍照是由飛行控制系統(tǒng)控制的，在進行攝影測量作業(yè)時一般采用的是每間隔固定的距離進行一次曝光，通過上述的GNSS后差分處理的方法雖可大幅度提高外方位線元素的原始精度，但飛行控制系統(tǒng)所記錄的曝光時刻并非是相機真正曝光的時刻，因為從飛行控制系統(tǒng)發(fā)出曝光的指令到相機真正的曝光有一段響應(yīng)時間，加上無人機飛行系統(tǒng)作業(yè)時的速度過快，在一定程度上降低了外方位線元素的精度。為解決這一問題，研制一款可以記錄相機曝光時間并將該時間寫入GNSS原始數(shù)據(jù)的改正模塊。改正模塊的功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。這樣一來，相機曝光時間得到精確而真實的記錄，相機延遲得到改正，相機與模塊連接情況如圖7所示。

圖6 改正模塊功能結(jié)構(gòu)

圖7 記錄相機曝光時間連接線

2. 3 差分GNSS獲取無人機影像外方位線元素的綜合分析

根據(jù)上述分析，采用差分技術(shù)獲取無人機影像外方位線元素需要考慮天線相位中心與相機中心點的位置關(guān)系以及相機延遲改正問題，現(xiàn)以某次飛行任務(wù)為例，簡述系統(tǒng)獲取影像外方位線元素的方法。

設(shè)無人機飛行航線如圖8所示，航線為東西方向，由空間幾何關(guān)系可知，相機與天線相位中心位置關(guān)系的影響為

(3)

當飛機沿航線由西向東飛行時，α≈90°，差分GNSS模塊記錄的每個點位轉(zhuǎn)換為相機中心點的坐標為

(4)

當飛機沿航線由東向西飛行時，α ≈ 270°,差分GNSS模塊記錄的每個點位轉(zhuǎn)換為相機中心點的坐標為

(5)

在確定相機曝光時刻后，就可以根據(jù)拍照時刻前后差分GNSS記錄的坐標內(nèi)插計算得到拍照時刻天線相位中心的位置。

如果t=n×0.1，n=0，1，2，3，…

如果n

(6)

經(jīng)過后期編寫相機延遲改正軟件，如圖9所示，根據(jù)相機拍照時刻前后差分GNSS模塊記錄的數(shù)據(jù)進行內(nèi)插處理，同時改正天線相位中心與相機中心的位置，得到最終每次拍照時刻的精準坐標。

圖8 無人機航線分布圖

圖9 相機延遲改正軟件界面

3 差分系統(tǒng)的精度分析

Ublox公司研制的NEO-M8T GNSS接收機專為低功耗和低成本而設(shè)計，不受所采用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的限制。兩臺接收機通過對載波相位觀測值、偽距測量值，以及定位解算所需要的電文、星歷等參數(shù)的記錄，通過RTKLIB軟件對所接收的數(shù)據(jù)進行差分處理，得到精度較高的POS數(shù)據(jù)，為驗證差分模塊的測量精度，設(shè)計相關(guān)的實驗。

實驗?zāi)康氖窃诮邮諜C收星比較良好的情況下，NEO-M8T模塊在RTKLIB環(huán)境下定位測試結(jié)果是否滿足厘米級測量精度，且在低速穩(wěn)定的動態(tài)情況下，模塊接收固定解的情況。測試實驗器材包括NEO-M8T模塊兩套(芯片，MINI USB線，GNSS天線)，三腳架，已知點坐標，萊卡TC1201+全站儀，棱鏡等。

3.1 驗證NEO-M8T模塊的靜態(tài)測量精度

如圖10在地面布設(shè)兩個控制點(CP1，CP2)和5個測量點位(p1，p2，p3，p4，p5)，利用萊卡TC1201+全站儀經(jīng)控制點設(shè)站測得點位坐標，而后利用NEO-M8T差分模塊進行逐點測量，每個點位測量10 min，差分模塊的采樣頻率為10 Hz，在RTKLIB環(huán)境下差分后分析，某一點位數(shù)據(jù)隨時間的變化情況如圖11所示。

圖10 GNSS模塊測量點位分布

圖11 差分GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量分布

可以看出采樣數(shù)據(jù)經(jīng)處理后分布較為穩(wěn)定，但波動在正負1 m間，3個方向未觀察到系統(tǒng)性的測量誤差，在計算中，利用其波動范圍的平均值作為參考，剔除偏離平均值大于0.3 m的數(shù)據(jù)，對余下的數(shù)據(jù)進而取平均值作為最終靜態(tài)測量結(jié)果，得到測試點位的測量結(jié)果如表3所示。

因此，采用NEO-M8T在RTKLIB正常狀況下能夠滿足分米級的需求，如果環(huán)境比較好狀況下，基本能做到厘米級的狀態(tài)。

表3 GNSS模塊點位測量結(jié)果 m

3.2 測試NEO-M8T模塊的動態(tài)差分軌跡近似程度

首先利用全站儀測量近似直線的足球場邊沿端點坐標J01(4 306 492.45，372 827.51，49.64)、J02(4 306 516.00，372 875.24，49.65)，而后將差分模塊安裝在標桿上，由人扛在肩膀沿著線路由一端走向另一端，對采集的數(shù)據(jù)進行差分后處理，將圖形按照全站儀測量數(shù)據(jù)進行定向后得到如圖12所示采樣點分布情況，與全站儀測量的直線比較，得到固定解率p=81%。在評定差分GNSS模塊測量的固定解點位偏離直線的誤差同樣采用最小二乘法，即以各采樣點對于基準直線的偏離值的中誤差來評定，得到0.11 m。

圖12 模塊動態(tài)精度測試情況

可以看出，處理后所得軌跡與真實行走軌跡位置近似，可近似估計差分處理后所得數(shù)據(jù)精度。

3.3 在飛機上的飛行軌跡測試

在旋翼無人機上，搭載GNSS模塊，經(jīng)過差分后處理所得到的數(shù)據(jù)具有較高的固定率，如圖13所示，其所得軌跡與真實行走軌跡位置基本吻合，在微型無人機等高動態(tài)移動目標上，低成本GNSS模塊差分后所得數(shù)據(jù)具有較高的固定率，其解可以為微小型無人機遙感系統(tǒng)提供更精確的外方位線元素初值。

圖13 差分GNSS系統(tǒng)無人機飛行軌跡

綜上，實驗初步驗證了采用低成本GNSS模塊后差分處理的方法，可以提高外方位線元素的精度。

4 差分GNSS在測繪中的應(yīng)用

4.1 資料獲取

任務(wù)實施以六旋翼無人機機搭載索尼NEX7畸變相機航攝，同時差分GNSS模塊實時測量，飛機飛行航高150 m，相機焦距為10.4 mm，影像分辨率為3648像素×5472像素，像元尺寸2.4 um，航攝滿足航向影像重疊度約為80%，旁向影像重疊度約為70%，航線由東向西，共10條。

相機檢校參數(shù)文件，主要包括相機像主點坐標、相機焦距、像元大小、徑向畸變差系數(shù)(K1，K2)、切向畸變差系數(shù)(P1，P2)、CCD非正方形比例系數(shù)a，CCD非正交性的畸變系數(shù)b等。

POS及控制資料，根據(jù)航帶和相片數(shù)量布設(shè)一定數(shù)量的控制點，同時在航攝區(qū)域布設(shè)一定數(shù)量的檢查點，差分GNSS模塊獲取拍照時刻每張照片的外方位線元素。

4.2 處理方法

采用Geoway for UAV無人機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件，以實際完成影像處理項目為例，采用高精度影像外方位線元素完成無人機影像數(shù)據(jù)作業(yè)流程和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，最終成果滿足工作需求，實現(xiàn)高效、高精度、高可靠性。

將原始影像、POS數(shù)據(jù)、相機參數(shù)文件、控制點文件準備完畢后，即可進行自動空三解算，總體工作流程如圖14所示。

圖14 Geoway AAT的總體工作流程

在空三加密過程中，首先采用傳統(tǒng)方法，即使用無人機系統(tǒng)自帶的GPS定位信息作為POS數(shù)據(jù)，同時利用地面按航帶布設(shè)的大量控制點進行空三加密。然后采用差分GNSS模塊獲得的POS數(shù)據(jù)及僅航攝區(qū)域4個角點的控制點數(shù)據(jù)進行空三加密，兩種方案得到的精度結(jié)果如表4所示。

表4 兩種方案空三精度比對 m

經(jīng)過比較，實驗區(qū)要達到1︰1 000地形測圖規(guī)范要求，區(qū)域網(wǎng)周邊需要每隔4條基線布設(shè)1個平高地面控制點、區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部需要每隔4條基線布設(shè)1個高程地面控制點才能滿足精度要求。而采用POS輔助空中三角測量技術(shù)后，僅需要區(qū)域四角4個平高地面控制點就可滿足精度要求，與傳統(tǒng)光束法區(qū)域網(wǎng)平差相比，差分GNSS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差減少了大量的外業(yè)工作量。

5 結(jié)束語

本文在旋翼無人機的基礎(chǔ)上，運用低成本GNSS模塊結(jié)合特定的改進方法，集成一款基于GNSS RTK的微型無人機遙感系統(tǒng)，通過實驗驗證了GNSS模塊定位精度的可靠性，并投入生產(chǎn)應(yīng)用。該系統(tǒng)不僅改善了POS數(shù)據(jù)精度，還大大提高了作業(yè)效率，在很大程度上促進了無人機測繪的發(fā)展。

[1] 黃丁發(fā)，熊永良，袁林果.全球定位系統(tǒng)(GPS)：理論與實踐[M]．成都：西南交通大學(xué)出版社，2006．

[2] 張九宴.GPS差分協(xié)議及基準站算法研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2003．

[3] 關(guān)惠平.GPS相對定位原理與DGPS技術(shù)簡介[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，22 (6): 59-64.

[4] 王永生.實時位置差分GPS的設(shè)計與實現(xiàn)[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1994，12 (3): 354-359．

[5] STEMPFHUBER W, BUCHHOLZ M.A precise, low-cost RTK GNSS system for uav applications[J]. Conference on Unmanned Aerial Vehicle in Geomatics，2011(4): 34-39．

[6] STEMPFHUBER W, BUCHHLOZ M．High-End and Low-Cost RTK GNSS in Machine Controland Precision Farming Applications[J]．Bridging the Gap between Cultures，2011(3): 12-21．

[7] 陳立春.關(guān)于EBEE RTK無人機在大比例尺地形圖測繪中的研究與應(yīng)用[J].城市地理，2015(18): 38-39.

[8] 馬懷武，王俊強.RTK結(jié)合無人機低空攝影在高原地區(qū)測繪中的應(yīng)用[J].測繪地理信息，2014(3): 23-26．

[9] 晏磊，呂書強.無人機航空遙感系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2004，37(6): 67-70.

[10] 洪宇，龔建華，胡社榮,等.無人機遙感影像獲取及后續(xù)處理探討[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2008，23(4): 462-466.

[11] 張祖勛. 從數(shù)字攝影測量工作站( DPW)到數(shù)字攝影測量網(wǎng)格( DPGrid)[J].武漢大學(xué)學(xué)報( 信息科學(xué)版)，2007,32(7)：565-573.

[12] 何敬,李永樹,魯恒，等. 無人機影像的質(zhì)量評定及幾何處理研究[J].測繪通報，2010(4)：22-24.

[13] 洪宇,龔建華,胡社榮,等. 無人機遙感影像獲取及后續(xù)處理探討[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用， 2008，23(4)：462-466.

[14] 崔紅霞,林宗堅,孫杰. 大重疊度無人機遙感影像的三維建模方法研究[J]. 測繪科學(xué)， 2005，30 (2)：37-39.

[15] 王聰華. 無人飛行器低空遙感影像數(shù)據(jù)處理方法[D].青島：山東科技大學(xué)，2006.

[責(zé)任編輯：張德福]

The use of differential GNSS to obtain high-precision UAV image line of exterior orientation elements

ZHANG Kunpeng，YU Guangrui，GU Guangjie

(Troops 61206，Dalian 116023，China)

At present, a miniature UAV remote sensing system of low positioning accuracy needs a large number of ground control points, in order to meet the three empty and the mapping accuracy requirement.In order to improve the post processing efficiency of UAV remote sensing image system, this paper studies the use of differential GNSS module, combined with the difference algorithm to improve the accuracy of POS data. The calibration of position ard the camera time delay correction method of key technology can obtain the position information of high precision camera exposure time. So a set of integrated differential GNSS is formed based on UAV remote sensing system. Through the experiment, a small number of ground control points are used to obtain the high accuracy UAV image line elements, which can improve the efficiency of image processing.

UAV; differential GNSS; position calibration; camera delay correction; aerial triangulation

著錄：張坤鵬,于廣瑞,顧廣杰.利用差分GNSS獲取高精度無人機影像外方位線元素[J].測繪工程，2017，26(7)：5-11.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.07.002

2016-11-20

張坤鵬(1978-)，男，工程師.

P228

A

1006-7949(2017)07-0005-07