CN107063193B - 基于全球卫星导航系统动态后处理技术航空摄影测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全球卫星导航系统动态后处理技术航空摄影测量方法，包括：步骤10)在航空平台上安装航空摄影仪和双频全球卫星导航系统接收机；步骤20)利用航空摄影仪，进行航空摄影；摄影过程中，利用接收机连续采集全球卫星导航系统卫星信号，同步记录航空像片的摄影时间；步骤30)利用全球卫星导航系统动态后处理技术，对全球卫星导航系统卫星信号进行后处理，获得各摄影瞬间全球卫星导航系统天线中心的三维坐标；步骤40)根据各摄影瞬间全球卫星导航系统天线中心的三维坐标，利用航空像片，进行航空摄影测量，得到与航空像片上相对应的地面点的三维坐标。该方法利用GNSS PPK技术进行无需地面控制点的摄影测量。

Description

基于全球卫星导航系统动态后处理技术航空摄影测量方法

技术领域

本发明属于摄影测量领域，具体来说，涉及一种基于全球卫星导航系统动态后处理技术航空摄影测量方法。

背景技术

目前，无需地面控制点的摄影测量方法都需要高精度的POS系统支持。世界上常用的两款高精度IMU/DGPS系统分别为加拿大Applanix公司的POS AV系列产品和德国IGI公司的AEROcontrol系列产品(张祖勋，张剑清.数字摄影测量学.武汉大学出版社出版时间:2012年7月第二版)。它们不仅价格昂贵，而且几何尺寸和产品重量只能应用于大型无人机。小型旋翼无人机的飞行导航系统采用的MIMU/GNSS的定姿定位精度还无法满足低空摄影测量中有关规范的精度要求(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.《IMU/GPS辅助航空摄影技术规范》GB/T 27919.1-2011)。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是：提供一种基于全球卫星导航系统动态后处理技术航空摄影测量方法，利用GNSS PPK技术进行无需地面控制点的摄影测量。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于全球卫星导航系统动态后处理技术航空摄影测量方法，该方法包括：

步骤10)在航空平台上安装航空摄影仪和双频全球卫星导航系统接收机；

步骤20)利用航空摄影仪，进行航空摄影；摄影过程中，利用接收机连续采集全球卫星导航系统卫星信号，历元间隔小于1秒，同步记录航空像片的摄影时间；

步骤30)利用全球卫星导航系统动态后处理技术，对全球卫星导航系统卫星信号进行后处理，获得各摄影瞬间全球卫星导航系统天线中心的三维坐标；

步骤40)根据各摄影瞬间全球卫星导航系统天线中心的三维坐标，利用航空像片，进行航空摄影测量，得到与航空像片上相对应的地面点的三维坐标。

作为优选例，所述的步骤10)具体包括：

步骤101)将航空摄影仪和全球卫星导航系统接收机安装在航空摄影平台上；

步骤102)获取航空摄影仪的内方位元素(f,x₀,y₀)和全球卫星导航系统接收机天线中心在航空摄影仪像空间坐标系中的坐标(u_G,v_G,w_G)。

作为优选例，所述的步骤20)具体包括：

步骤201)根据摄影比例尺航向重叠度p％和旁向重叠度q％，对测量区域进行航空摄影；其中，p％≥60％，q％≥60％；

步骤202)航空摄影过程中，开启全球卫星导航系统接收机，在获取航空摄影像片的瞬间同步记录像片曝光时间和全球卫星导航系统卫星信号。

作为优选例，所述步骤30)具体包括：

步骤301)利用全球卫星导航系统动态后处理技术，对全球卫星导航系统卫星信号进行后处理，获得每张像片摄影瞬间GNSS天线中心的三维坐标；

步骤302)将全球卫星导航系统天线中心的三维坐标转换至地面摄影测量坐标系中的坐标

作为优选例，所述步骤40)具体包括：

步骤401)确定航空像片之间同名像点的像片坐标，包括步骤4011)至4012)：

步骤4011)根据像片拍摄的全球卫星导航系统天线中心坐标，确定像片之间的连接关系；

步骤4012)在每张像片的标准点位提取像片特征点，利用图像匹配技术，提取相邻图像重叠范围内的同名像点，记录像片连接点像点j在像片i上的像片坐标(x_ij,y_ij)，j＝1、2、…、n，i＝1、2、…、m，n为像片连接点数，m为像片数量；

步骤402)确定未知参数：

像片摄影物镜中心坐标参数m为像片数量，该未知数数量t₁＝m×3；

像片姿态参数m为像片数量，该未知数数量，t₂＝m×3；

像片连接点的三维坐标(X_j，Y_j，Z_j)，j＝1、2、…、n，n为像片连接点数量，t₃＝n×3；

未知参数总数t＝t₁+t₂+t₃；

步骤403)计算未知参数近似值：

依式(1)确定各张像片的摄影姿态近似值：

其中，表示像片i的俯仰角，ω_i表示像片i的侧滚角，κ_i表示像片i的旋转角；

依式(2)确定各张像片摄影位置的近似值：

其中，表示第i张像片的摄影物镜中心坐标；表示第i张像片的全球卫星导航系统天线中心坐标；(u_G,v_G,w_G)表示全球卫星导航系统接收机天线中心在航空摄影仪像空间坐标系中的坐标；

利用空间前方交会计算同名像点的地面坐标近似值(X_j，Y_j，Z_j)；

步骤504)建立误差方程式：

依式(3)确定共线方程式：

式(3)中，(f,x₀,y₀)表示航空摄影仪的内方位元素；(x_ij,y_ij)表示像片连接点像点j在像片i上的像片坐标；(X_j，Y_j，Z_j)表示像片连接点对应的地面点坐标；表示第i张像片的摄影物镜中心坐标；a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃是由φ_i,ω_i,κ_i构成的旋转矩阵，如式(4)所示：

对式(3)线性化后为：

其中，

式(5)用矩阵表示为：

V＝BX-L 式(6)

式(6)中，X为未知数系数矩阵，表示为式(7)：

步骤505)建立如式(8)所示的天线中心坐标条件式：

对式(8)线性化后为：

式中，

式(9)用矩阵表示为：

CX-W＝0 式(10)

步骤506)计算未知数：

联立式(6)和式(9)，用矩阵表示为：

根据附有条件的间接平差，计算式(11)中的未知数矩阵X，从而得到像片的摄影位置和摄影姿态参数，以及地面点的三维坐标。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：根据GNSS动态后处理获得的高精度GNSS天线三维坐标，进行无需地面控制点的航空摄影测量，无需价格昂贵重量较大的IMU，降低测量成本。本发明实施例利用GNSS PPK技术计算的GNSS接收机天线中心三维坐标，结合现有的光束法空中三角测量技术，将GNSS接收机天线中心三维坐标作为条件式，实现无需控制点的空中三角测量，从而实现低成本、轻载重的无需地面控制点的摄影测量技术。本发明尤其适用于多旋翼无人机进行无地面控制点的低空摄影测量，为航空摄影测量领域提供了一种廉价方便的测量技术。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例中GNSS PPK与航空摄影仪；

图3航空摄影过程；

图4航空像片及连接点；

图5三维建模示意图；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明实施例中，全球卫星导航系统，对应英文：Global Navigation SatelliteSystem，文中简称：GNSS。全球卫星导航系统动态后处理技术，对应英文：GlobalNavigation Satellite System Post Processed Kinematic，文中简称：GNSS PPK。

如图1所示，本发明实施例的一种基于全球卫星导航系统动态后处理技术航空摄影测量方法，包括：

步骤10)在航空平台上安装航空摄影仪和双频全球卫星导航系统接收机。

所述的步骤10)具体包括：

步骤101)如图2所示，将航空摄影仪和全球卫星导航系统接收机安装在航空摄影平台上；

步骤102)获取航空摄影仪的内方位元素(f,x₀,y₀)和全球卫星导航系统接收机天线中心在航空摄影仪像空间坐标系中的坐标(u_G,v_G,w_G)。

步骤20)利用航空摄影仪，进行航空摄影；摄影过程中，利用接收机连续采集全球卫星导航系统卫星信号，历元间隔小于1秒，同步记录航空像片的摄影时间。

所述的步骤20)具体包括：

步骤201)根据摄影比例尺航向重叠度p％和旁向重叠度q％，对测量区域进行航空摄影；其中，p％≥60％，q％≥60％；

步骤202)航空摄影过程中，开启全球卫星导航系统接收机，在获取航空摄影像片的瞬间同步记录像片曝光时间和全球卫星导航系统卫星信号。

步骤30)利用全球卫星导航系统动态后处理技术，对全球卫星导航系统卫星信号进行后处理，获得各摄影瞬间全球卫星导航系统天线中心的三维坐标。

步骤30)具体包括：

步骤301)利用全球卫星导航系统动态后处理技术，对全球卫星导航系统卫星信号进行后处理，获得每张像片摄影瞬间GNSS天线中心的三维坐标；

步骤302)将全球卫星导航系统天线中心的三维坐标转换至地面摄影测量坐标系中的坐标

步骤40)根据各摄影瞬间全球卫星导航系统天线中心的三维坐标，利用航空像片，进行航空摄影测量，得到与航空像片上相对应的地面点的三维坐标。

步骤40)具体包括：

步骤401)确定航空像片之间同名像点的像片坐标，包括步骤4011)至4012)：

步骤4011)根据像片拍摄的全球卫星导航系统天线中心坐标，确定像片之间的连接关系；

步骤4012)在每张像片的标准点位提取像片特征点，利用图像匹配技术，提取相邻图像重叠范围内的同名像点，记录像片连接点(即同名像点)像点j在像片i上的像片坐标(x_ij,y_ij)，j＝1、2、…、n，i＝1、2、…、m，n为像片连接点数，m为像片数量；

步骤402)确定未知参数：

像片摄影物镜中心坐标参数m为像片数量，该未知数数量t₁＝m×3；

像片姿态参数m为像片数量，该未知数数量，t₂＝m×3；

像片连接点的三维坐标(X_j，Y_j，Z_j)，j＝1、2、…、n，n为像片连接点数量，t₃＝n×3；

未知参数总数t＝t₁+t₂+t₃；

步骤403)计算未知参数近似值：

依式(1)确定各张像片的摄影姿态近似值：

其中，表示像片i的俯仰角，ω_i表示像片i的侧滚角，κ_i表示像片i的旋转角；

依式(2)确定各张像片摄影位置的近似值：

其中，表示第i张像片的摄影物镜中心坐标；表示第i张像片的全球卫星导航系统天线中心坐标；(u_G,v_G,w_G)表示全球卫星导航系统接收机天线中心在航空摄影仪像空间坐标系中的坐标；

利用空间前方交会计算同名像点的地面坐标近似值(X_j，Y_j，Z_j)；

步骤404)建立误差方程式：

依式(3)确定共线方程式：

式(3)中，(f,x₀,y₀)表示航空摄影仪的内方位元素；(x_ij,y_ij)表示像片连接点像点j在像片i上的像片坐标；(X_j，Y_j，Z_j)表示像片连接点对应的地面点坐标；表示第i张像片的摄影物镜中心坐标；a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃是由φ_i,ω_i,κ_i构成的旋转矩阵，如式(4)所示：

对式(3)线性化后为：

其中，

式(5)用矩阵表示为：

V＝BX-L 式(6)

式(6)中，X为未知数系数矩阵，表示为式(7)：

步骤405)建立如式(8)所示的天线中心坐标条件式：

对式(8)线性化后为：

式中，

式(9)用矩阵表示为：

CX-W＝0 式(10)

步骤406)计算未知数：

联立式(6)和式(9)，用矩阵表示为：

根据附有条件的间接平差，计算式(11)中的未知数矩阵X，从而得到像片的摄影位置和摄影姿态参数，以及地面点的三维坐标。

本发明利用GNSS天线中心作为空中三角测量的控制点，改变了目标空中三角测量需要依赖地面控制点的现状，提高了摄影测量的工作效率和成本，尤其步骤40)提出了利用GNSS天线中心进行空中三角测量的数学模型，并介绍了利用间接平差和附有条件的间接平差两种计算方法。本发明利用GNSS PPK技术计算的GNSS接收机天线中心三维坐标，结合现有的光束法空中三角测量技术，将GNSS接收机天线中心三维坐标作为条件式，实现低成本、轻载重的无需控制点的空中三角测量。

下面例举一实施例。

本实施例包含两条航线，每条航线选取两张像片，共四张像片进行计算。如图3为实施例采用航向重叠度和旁向重叠度均为60％情况下的航空摄影示意图；图4中，P1、P2、P3、P4表示像片编号，00、01、02、03、10、11、12、13、20、21、22、23、30、31、32、33表示像片之间的像片连接点编号；图5测量区域的地面三维模型情况，01、02、10、11、12、13、20、21、22、23、31、32表示像片连接点对应的地面点的编号。

计算和实施的过程如下：

1、已知数据：航摄仪的内方位元素GNSS接收机天线中心在航空摄影仪像空间坐标系中的坐标

2、采用GNSS PPK技术得到的GNSS接收机天线中心的坐标如下表：

3、像片连接点平面坐标见下表：

4、解算方程式的联立：

利用式(6)建立误差方程式、式(9)建立条件式，联立成式(11)。本实施例情况下，各矩阵的大小如下式所示。

5、按次序将各张像片上每个点建立如公式(11)误差方程式和条件式，按附有条件的间接平差原理计算60个未知数。其中，外方位元素近似值及计算结果见下表：

连接点的地面坐标近似值及计算结果见下表：

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于全球卫星导航系统动态后处理技术航空摄影测量方法，其特征在于，该方法包括：

步骤10)在航空平台上安装航空摄影仪和双频全球卫星导航系统接收机；

步骤20)利用航空摄影仪，进行航空摄影；摄影过程中，利用接收机连续采集全球卫星导航系统卫星信号，历元间隔小于1秒，同步记录航空像片的摄影时间；

步骤30)利用全球卫星导航系统动态后处理技术，对全球卫星导航系统卫星信号进行后处理，获得各摄影瞬间全球卫星导航系统天线中心的三维坐标；

步骤40)根据各摄影瞬间全球卫星导航系统天线中心的三维坐标，利用航空像片，进行航空摄影测量，得到与航空像片上相对应的地面点的三维坐标；所述步骤40)具体包括：

步骤401)确定航空像片之间同名像点的像片坐标，包括步骤4011)至4012)：

步骤4011)根据像片拍摄的全球卫星导航系统天线中心坐标，确定像片之间的连接关系；

步骤4012)在每张像片的标准点位提取像片特征点，利用图像匹配技术，提取相邻图像重叠范围内的同名像点，记录像片连接点像点j在像片i上的像片坐标(x_ij,y_ij)，j＝1、2、…、n，i＝1、2、…、m，n为像片连接点数，m为像片数量；

步骤402)确定未知参数：

像片摄影物镜中心坐标参数m为像片数量，该未知数数量t₁＝m×3；

像片姿态参数m为像片数量，该未知数数量，t₂＝m×3；

像片连接点的三维坐标(X_j,Y_j,Z_j)，j＝1、2、…、n，n为像片连接点数量，t₃＝n×3；

未知参数总数t＝t₁+t₂+t₃；

步骤403)计算未知参数近似值：

依式(1)确定各张像片的摄影姿态近似值：

其中，表示像片i的俯仰角，ω_i表示像片i的侧滚角，κ_i表示像片i的旋转角；

依式(2)确定各张像片摄影位置的近似值：

其中，表示第i张像片的摄影物镜中心坐标；表示第i张像片的全球卫星导航系统天线中心坐标；(u_G,v_G,w_G)表示全球卫星导航系统接收机天线中心在航空摄影仪像空间坐标系中的坐标；

利用空间前方交会计算同名像点的地面坐标近似值(X_j,Y_j,Z_j)；

步骤404)建立误差方程式：

依式(3)确定共线方程式：

式(3)中，(f,x₀,y₀)表示航空摄影仪的内方位元素；(x_ij,y_ij)表示像片连接点像点j在像片i上的像片坐标；(X_j,Y_j,Z_j)表示像片连接点对应的地面点坐标；(X_Si,Y_Si,Z_Si)表示第i张像片的摄影物镜中心坐标；a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃是由φ_i,ω_i,κ_i构成的旋转矩阵，如式(4)所示：

对式(3)线性化后为：

其中，

式(5)用矩阵表示为：

V＝BX-L 式(6)

式(6)中，X为未知数系数矩阵，表示为式(7)：

步骤405)建立如式(8)所示的天线中心坐标条件式：

对式(8)线性化后为：

式中，

式(9)用矩阵表示为：

CX-W＝0 式(10)

步骤406)计算未知数：

联立式(6)和式(9)，用矩阵表示为：

根据附有条件的间接平差，计算式(11)中的未知数矩阵X，从而得到像片的摄影位置和摄影姿态参数，以及地面点的三维坐标。

2.按照权利要求1所述的基于全球卫星导航系统动态后处理技术航空摄影测量方法，其特征在于，所述的步骤10)具体包括：

步骤101)将航空摄影仪和全球卫星导航系统接收机安装在航空摄影平台上；

步骤102)获取航空摄影仪的内方位元素(f,x₀,y₀)和全球卫星导航系统接收机天线中心在航空摄影仪像空间坐标系中的坐标(u_G,v_G,w_G)。

3.按照权利要求2所述的基于全球卫星导航系统动态后处理技术航空摄影测量方法，其特征在于，所述的步骤20)具体包括：

步骤201)根据摄影比例尺航向重叠度p％和旁向重叠度q％，对测量区域进行航空摄影；其中，p％≥60％，q％≥60％；

步骤202)航空摄影过程中，开启全球卫星导航系统接收机，在获取航空摄影像片的瞬间同步记录像片曝光时间和全球卫星导航系统卫星信号。

4.按照权利要求3所述的基于全球卫星导航系统动态后处理技术航空摄影测量方法，其特征在于，所述步骤30)具体包括：

步骤301)利用全球卫星导航系统动态后处理技术，对全球卫星导航系统卫星信号进行后处理，获得每张像片摄影瞬间GNSS天线中心的三维坐标；

步骤302)将全球卫星导航系统天线中心的三维坐标转换至地面摄影测量坐标系中的坐标