CN110736448A - 一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置及方法 - Google Patents

一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置及方法 Download PDF

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CN110736448A CN201911131810.XA CN201911131810A CN110736448A CN 110736448 A CN110736448 A CN 110736448A CN 201911131810 A CN201911131810 A CN 201911131810A CN 110736448 A CN110736448 A CN 110736448A
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Abstract

本发明属于无人机摄影测量技术领域，具体涉及一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置及方法。本发明由固定翼飞行平台、电源模块、IMU姿态测量系统、航摄相机、机载GNSS差分模块、通信模块、自驾仪模块和控制模块组成，经相机参数精准测定、三维航线绘制、架设基站、自动飞行与拍摄、落地检查和数据整理、曝光点外方位元素精准求定、附加综合系统误差参数的免像控点空三计算和稀少像控点精度校准八个步骤，无需进行地面像控点测量，即能使固定翼无人机搭载非量测型相机的航测系统实现空中三角测量精度达到1：2000、1:1000和1:500测图精度要求且可靠性更好，航测内业产品可直接加工，减少了外业像控点测量时间和开支，有效规避安全风险。

Description

一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置及方法
技术领域
本发明属于无人机摄影测量技术领域，具体涉及一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置及方法。
背景技术
现有无人机传统摄影测量或倾斜摄影测量技术作业流程中，为确保空中三角测量的几何精度，往往需要野外测绘一定数量的地面像控点，其坐标参与区域网平差计算，但在工期日益紧张、像控点测量成本日益增加、待测区域危险困难地面人员无法抵达等工况条件下，减少甚至免除地面像控点测量工序将日趋紧迫。
但是，目前的固定翼无人机传统下视单镜头航摄或“多镜头”倾斜摄影进行测图或三维建模，若完全免除地面像控点测量，还存在如下技术问题：
(1)现有的摄影测量与三维建模空中三角测量，依赖大量或少量地面像控满足必要的空三系统误差消除，无法实现真正的免除像控点进行前方交会测量定位。
(2)空中三角测量的平面和高程精度，尤其是高程精度受重力场模型和摄区严密转换关系影响，往往精度无法达到规范要求，以满足大比例尺地形测量或三维建模的国家标准精度要求。
(3)固定翼无人机航摄受无人机差分记录与曝光不同步、航摄速度无法匀速、无三轴云台和设备安装偏心差综合因素影响，空三平差存在系统差，很难像航速低、云台平稳的多旋翼无人机直接进行光束法平差实现免除像控点空中三角测量。
发明内容
本发明提供了一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置及方法，目的在于提供一种实现地面无像控点并使得三维建模与测图的空中三角测量定位精度达到国家大比例尺(1：500 1:1000 1:2000)测图精度的几何要求的装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，包括固定翼飞行平台、电源模块、IMU姿态测量系统、航摄相机、机载GNSS差分模块、通信模块、自驾仪模块和控制模块；所述电源模块、IMU姿态测量系统、航摄相机、机载GNSS差分模块、通信模块和自驾仪模块分别连接在固定翼飞行平台上；所述IMU姿态测量系统连接在固定翼飞行平台纵向轴线的中点，并与自驾仪模块电信号连接；所述航摄相机刚性固定在IMU姿态测量系统下方并与IMU姿态测量系统电信号连接；所述自驾仪模块分别与机载GNSS差分模块、通信模块和IMU姿态测量系统电信号连接，自驾仪模块通过相机曝光线与航摄相机连接；所述控制模块设置在地面，并与通信模块电信号连接；所述机载GNSS差分模块、自驾仪模块和通信模块均与电源模块电连接。
所述机载GNSS差分模块至少包括机载多模高频GNSS接收机、GNSS接收天线、历元数据存储器、RTK通讯链路电台和电子耦合连接附属件；所述的机载多模高频GNSS接收机与GNSS接收天线电信号连接，历元数据存储器与机载多模高频GNSS接收机连接，RTK通讯链路电台与机载多模高频GNSS接收机电信号连接，电子耦合连接附属件的一端连接机载多模高频GNSS接收机，电子耦合连接附属件的另一端连接自驾仪模块。
所述控制模块包括地面基准站GNSS接收机、静态基站电台总成和三脚架；所述地面基准站GNSS接收机与通信模块电信号连接，所述静态基站电台总成与地面基准站GNSS接收机电信号连接，所述静态基站电台总成与通信模块电信号无线电连接；所述三脚架连接在地面上，所述的地面基准站GNSS接收机和静态基站电台总成连接在三脚架上。
所述静态基站电台总成包括静态数据存储器、动态RTK基准站数据发射电台及电台天线；所述静态数据存储器与地面基准站GNSS接收机相连；所述动态RTK基准站数据发射电台的一端与地面基准站GNSS接收机相连，动态RTK基准站数据发射电台的另一端与电台天线相连。
所述航摄相机为多镜头或单镜头的非量测型或量测型相机；所述固定翼飞行平台为固定翼无人机或垂直起降的固定翼无人机。
一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，包括如下步骤
步骤一：相机参数精准测定
基于室外三维检校场对航摄相机的内方位元素进行精准检校，获取精准相机参数、镜头畸变参数和相机GNSS天线安装偏心距；所述相机参数包括：相机主点位置(x0，y0)和相机主距(f)；所述镜头畸变参数包括：径向畸变系数k1、径向畸变系数k2、径向畸变系数k3、切向畸变系数p1、切向畸变系数p2、面阵变形系数α和面阵变形系数β；相机GNSS天线安装偏心距(ΔX，ΔY,ΔZ)；
其中：x0为相机主点横坐标；
y0为相机主点纵坐标；
ΔX为GNSS天线相位中心偏离相机曝光中心在飞行方向上的距离；
ΔY为GNSS天线相位中心偏离相机曝光中心在垂直飞行方向上的距离；
ΔZ为GNSS天线相位中心偏离相机曝光中心在竖直方向上的距离；
所述的基于室外三维检校场对航摄相机的内方位元素精准检校，至少包括如下步骤：
步骤101：布设分布均匀的地面靶标像控点，其野外量测精度小于3厘米；
步骤102：已知点架设基准站GNSS接收机并开机记录；
步骤103：大重叠检校场飞行，航向重叠度不低于70％，旁向重叠度不低于60％，相对航高与正常作业航高偏差不大于20％；
步骤104：航摄作业，采集影像数据和外方位元素数据；
步骤105：附加综合系统误差参数的GNSS辅助空三平差计算；采用航摄相机三维检校模型，将地面靶标像控点坐标、影像数据、基站差分计算后的外方位元素数据，同时对传统机载GNSS辅助光束法平差加入系统漂移、设备安装偏心差和曝光延迟的系统误差的附加参数GNSS辅助空三平差模型：
Figure BDA0002278526630000051
其中：
λ为尺度系数；
[x y -f]T为像点的像空间坐标系坐标；
R为曝光点三个角元素组成的正交变换矩阵；
[X Y Z]为像点的物方空间坐标系坐标；
Figure BDA0002278526630000052
为曝光点位置坐标；
为机载GNSS天线相位中心的像空间坐标系坐标；
Δp为附加参数综合曝光延迟时间；
Figure BDA0002278526630000054
为曝光时刻飞行器的飞行速度矢量；
步骤二：三维航线绘制
利用步骤一测定的相机参数、加载公开的全球DEM数据和摄区KML格式范围线，根据航高计算原理，进行三维航线绘制参数计算，获取计算出航线间隔、摄影基线、相对航高、最低点分辨率、最高点航向重叠度、最高点旁向重叠度；
步骤三：架设基站
步骤二完成后，在固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置起飞前，架设由基准站GNSS接收机和静态基站电台总成组成的基站，并提前10分钟以上时间开机，用于固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置的空中定位和曝光点差分计算；
步骤四：自动飞行与拍摄
由步骤三架设的基站进行遥控或按步骤二设计的飞行路线由自驾仪控制固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置自动飞行，且飞行时搭载下视单镜头相机或倾斜多镜头相机进行自动航摄获取实时动态差分RTK数据或后差分PPK数据、IMU姿态数据和航摄影像；固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置平飞速度小于等于20米/秒，相机存储读写速度不低于100MB/秒，IMU测角精度不低于0.01度；PPK历元采样频率不低于20Hz；
步骤五：落地检查和数据整理
步骤四完成，固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置落地后，将步骤四获取的实时动态差分RTK数据或后差分PPK数据、IMU姿态数据和航摄影像，根据电子耦合关系对应整理；
步骤六：曝光点外方位元素精准求定
根据步骤五整理好的数据，进行曝光点外方位的线元素和角元素的获取，具体操作如下：
线元素：应用场景分2种作业模式：①RTK模式：当有RTK差分信号时，结合测区地方转换关系计算曝光点外方位线元素地方坐标系下坐标值；②PPK模式：当无RTK差分信号时，将地面基准站静态数据和空中机载数据联合计算，运用PPK后处理技术，求取曝光点外方位元素地方坐标系下坐标值；
角元素：根据IMU姿态测量系统，输出每个相机曝光时刻外方位元素三个角元素；
同时获取三个线元素和三个角元素；
步骤七：附加综合系统误差参数的免像控点空三计算
根据第一步获取的精准相机参数和第六步精准求定的曝光点外方位元素文件进行空中三角测量计算，空中三角测量设置曝光点外方位元素准确观测权值，平差模型禁止平差修正相机参数，确保三个内方位元素不参与平差计算，根据光束法约束条件，平差曝光点外方位元素最终值，完成免像控点空中三角测量计算，计算结果用于后期成果加工；
步骤八：稀少像控点精度校准
在测区四角加入四个像控点对步骤七的免像控点空三的物方进行校准，消除尺度、方向和系统偏移的系统差。
所述的步骤一中相机参数精准测定时选择三维检校场原则有：①检校场地地形包含平地和丘陵，地形最大高差不大于相对航高的1/6；地物避免占单张像片1/2以上面积的水域和植被弱纹理区；②地面靶标分布均匀且密度大，地面布设30米*30米间隔的格网分布像控点；③检校航摄高度与正常作业航高偏差不大于20％；④拍摄角度采用多方位获取影像；运用相机自检校区域网平差功能软件实现航摄相机空中自检校，精准测定相机内方位元素和畸变参数，相机参数初始值采用出厂标称值，像控点权值大于0.03米。
所述的步骤三架设的基站必须架设在地面坐标系下的已知点上，地面静态基站历元采样频率不低于1HZ，成果形式为GNSS静态测量观测文件，基站覆盖半径小于等于30km。
所述的步骤五中根据电子耦合关系对应整理的方法是采用PPK数据的时间戳内插精准曝光点空间位置，同时根据顺序和时间戳对应影像ID号，从而获取每张影像曝光瞬间精准的空间位置坐标。
所述的步骤六中的应用场景采用PPK模式将地面基准站静态数据和空中机载数据联合计算时采用的是具有与Waypoint相同的GNSS差分后处理软件将地面基准站静态数据和空中机载数据联合计算，运用GNSS-PPK后处理技术，求取曝光点外方位元素地方坐标系下坐标值；PPK模式适用任何作业场合，当RTK模式可用时，则使用RTK模式结果。
有益效果：
1、本发明在固定翼无人机搭载非量测型航摄相机，航摄完成后，无需进行任何地面像控点测量工作，即能够完成空中三角测量，航测内业产品加工可直接进行，在极少量像控点校准下实现优于1:500比例尺测绘精度。
2、本发明免像控点空中三角测量精度达到了国家大比例尺(1：500 1:1000 1:2000)测图精度的几何要求。
3、本发明的作业流程中去除了外业地面像控点测量工序，实现了作业模式从航摄到内业计算的直接衔接，减少了外业像控点测量的时间和成本开支，同时在危险困难地区实现高精度测图并有效规避了安全风险。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明控制模块结构示意图；
图3是本发明流程图；
图4是航高与地面分辨率关系。
图中：1-固定翼飞行平台；2-机载GNSS差分模块；3-IMU姿态测量系统；4-航摄相机；5-基准站GNSS接收机；6-静态基站电台总成；7-三脚架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
根据图1所示的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，包括固定翼飞行平台1、电源模块、IMU姿态测量系统3、航摄相机4、机载GNSS差分模块2、通信模块、自驾仪模块和控制模块；所述电源模块、IMU姿态测量系统3、航摄相机4、机载GNSS差分模块2、通信模块和自驾仪模块分别连接在固定翼飞行平台1上；所述IMU姿态测量系统3连接在固定翼飞行平台1纵向轴线的中点，并与自驾仪模块电信号连接；所述航摄相机4刚性固定在IMU姿态测量系统3下方并与IMU姿态测量系统3电信号连接；所述自驾仪模块分别与机载GNSS差分模块2、通信模块和IMU姿态测量系统3电信号连接，自驾仪模块通过相机曝光线与航摄相机4连接；所述控制模块设置在地面，并与通信模块电信号连接；所述机载GNSS差分模块、自驾仪模块和通信模块均与电源模块电连接。
在实际使用时，通信模块用于接收地面控制模块的指令。电源模块负责为固定翼飞行平台1和其上的各种电子模块供电。地面上控制模块的基准站GNSS接收机5接收坐标信息，静态基站电台总成6无线电发送坐标给机载通信模块，并发送给自驾仪模块。自驾仪模块根据坐标信息和预先绘制的三维航线负责控制整个固定翼飞行平台1的飞行、并同时向IMU姿态测量系统3、航摄相机4和机载GNSS差分模块触发脉冲。IMU姿态测量系统3根据脉冲标记时间并记录角度信息。航摄相机4根据脉冲标记时间并拍摄照片。机载GNSS差分模块根据脉冲标记时间并记录坐标信息。完成一次信号传输过程。
固定翼飞行平台为固定翼或垂直起降固定翼无人机。本实施例采用的是固定翼无人机飞行平台。在具体应用时，首先对航摄相机4进行参数精准测定，然后进行顾及地形起伏的严密三维航线绘制，三维航线绘制好后架设基站，当上述准备工作完成后固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置进行自动飞行与拍摄，飞行完毕后落地进行落地检查和数据整理，通过采用RTK或PPK两种模式求取曝光点外方位元素地方坐标系下坐标值，再经过免像控点空中三角测量计算得到平差曝光点外方位元素最终值，将免像控点空中三角测量计算的结果用于后期成果加工中。
本实施例中的自驾仪模块采用现有技术的无人机自动驾驶装备，用于飞行自动控制与航摄作业脉冲信号发送与控制。在实际使用时，提供飞行器按照预设三维航线自主飞行，同时驱动航摄相机和机载GNSS接收机记录采集数据。
本实施例中的通信模块采用的是现有技术的GNSS-RTK领域基准站与流动站信号传输模块，用于航摄相机与地面基准站的实时定位信息通信。实现了飞行平台实时与地面控制系统数传信号与定位坐标信号稳定、高效的传输。
本发明在航摄完成后，无需进行任何地面像控点测量工作，即能够完成空中三角测量，航测内业产品加工可直接进行。本发明免像控点空中三角测量精度达到了国家大比例尺(1：500 1:1000 1:2000)测图精度的几何要求。本发明的作业流程中去除了外业地面像控点测量工序，实现了作业模式从航摄到内业计算的直接衔接，减少了外业像控点测量的时间和成本开支，同时在危险困难地区实现高精度测图并有效规避了安全风险。
本实施中的通信模块、自驾仪模块、IMU姿态测量系统均采用的是现有技术。通讯模块核心部件为数传电台，可从深圳市拓欧力科技有限公司获取，型号可选择EL-805和EL-806；自驾仪模块可选择成都纵横自动化技术股份有限公司获取，型号可选择AP-101、AP-201、AP-202；IMU姿态测量系统为姿态测量系统用于姿态角测定，型号可选择武汉际上导航科技有限公司的AGS 300。
本实施例中的IMU姿态测量系统即为惯性姿态测量系统。
实施例二：
根据图1所示的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，与实施例一不同之处在于：所述机载GNSS差分模块2至少包括机载多模高频GNSS接收机、GNSS接收天线、历元数据存储器、RTK通讯链路电台和电子耦合连接附属件；所述的机载多模高频GNSS接收机与GNSS接收天线电信号连接，历元数据存储器与机载多模高频GNSS接收机连接，RTK通讯链路电台与机载多模高频GNSS接收机电信号连接，电子耦合连接附属件的一端连接机载多模高频GNSS接收机，电子耦合连接附属件的另一端连接自驾仪模块。
本实施例中的机载多模高频GNSS接收机采用现有技术的轻型无人机装配的空间坐标采集设备，能够同时实现GPS、GLONASS、伽利略及北斗导航4种模式全球定位系统数据接收与处理，提升遮挡区域单一导航模式的定位不精准的问题。
机载多模高频GNSS接收机历元采集频率不低于20HZ，历元数据存储器读写速度不低于100MB/s，RTK通讯链路电台无遮挡时通讯半径不低于5km，电子耦合连接附属件从自驾仪脉冲信号发出到机载多模高频GNSS接收机和IMU记录的标记时间差不大于1ms。
在实际使用时，当固定翼无人机飞行平台航速不大于20米/秒时，GNSS机载差分模块可利用静态PPK或动态RTK两种模式精准获取曝光点的空间坐标。
本实施例中的RTK通讯链路电台即为实时动态差分通讯链路电台。
实施例三：
如图2所示，一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，与实施例一不同之处在于：所述控制模块包括地面基准站GNSS接收机5、静态基站电台总成6和三脚架7；所述地面基准站GNSS接收机5与通信模块电信号连接，所述静态基站电台总成6与地面基准站GNSS接收机5电信号连接，所述静态基站电台总成6与通信模块电信号无线电连接；所述三脚架7连接在地面上，所述的地面基准站GNSS接收机5和静态基站电台总成6连接在三脚架7上。
优选的是所述静态基站电台总成6包括静态数据存储器、动态RTK基准站数据发射电台及电台天线；所述静态数据存储器与地面基准站GNSS接收机相连；所述动态RTK基准站数据发射电台一端与地面基准站GNSS接收机相连，动态RTK基准站数据发射电台另一端与电台天线相连。
在实际使用时，所述的地面基准站GNSS接收机历元采样频率不低于1HZ，并能输出连续、卫星不失锁的完整静态数据；静态数据存储器与地面基准站GNSS接收机相连，用于存储基准站GNSS静态数据，同时向动态RTK基准站数据发射电台提供基准站实时坐标。动态RTK基准站数据发射电台一端与地面基准站GNSS接收机相连，另一端与电台天线相连，其工作原理是动态RTK基准站数据发射电台将地面基准站GNSS接收机实时基站坐标数据通过电台天线发射给机载多模高频GNSS接收机。
设置三脚架7的技术方案，能够将地面基准站固定在摄区地面坐标系下的已知点上，同时给RTK模式提供实时动态坐标和给PPK模式提供基站静态坐标数据，为准确测得数据提供了保障。在具体应用时，三脚架7也可以采用其他形式的架体，只要起到稳定支撑的功能即可。
本实施例设备组装简单，能够同时提供基站静态坐标数据和实时动态坐标数据，为后续曝光点外方位线元素的精准求定提供两种处理方式，满足不同的应用场景，且数据实现了双保险存储。
实施例四：
根据图1所示的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，与实施例一不同之处在于：所述航摄相机4为多镜头或单镜头的非量测型或量测型相机；所述固定翼飞行平台1为固定翼无人机或垂直起降的固定翼无人机。
在实际使用时，完成倾斜摄影进行三维建模任务采用多镜头航摄技术方案，一次性获取不同角度大重叠影像；完成测图任务采用单镜头下视航摄技术方案。以上2种航摄技术方案均能够实现固定翼无人机免像控点测量，根据不同任务采用不同的方案，能够有效节约成本和工期。
实施例五：
根据图3和图4所示的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，包括如下步骤
步骤一：相机参数精准测定
基于室外三维检校场对航摄相机4的内方位元素进行精准检校，获取精准相机参数、镜头畸变参数和相机GNSS天线安装偏心距；所述相机参数包括：相机主点位置(x0，y0)和相机主距(f)；所述镜头畸变参数包括：径向畸变系数k1、径向畸变系数k2、径向畸变系数k3、切向畸变系数p1、切向畸变系数p2、面阵变形系数α和面阵变形系数β；相机GNSS天线安装偏心距(ΔX，ΔY,ΔZ)；
其中：x0为相机主点横坐标；
y0为相机主点纵坐标；
ΔX为GNSS天线相位中心偏离相机曝光中心在飞行方向上的距离；
ΔY为GNSS天线相位中心偏离相机曝光中心在垂直飞行方向上的距离；
ΔZ为GNSS天线相位中心偏离相机曝光中心在竖直方向上的距离；
所述的基于室外三维检校场对航摄相机4的内方位元素精准检校，至少包括如下步骤：
步骤101：布设分布均匀的地面靶标像控点，其野外量测精度小于3厘米；
步骤102：已知点架设基准站GNSS接收机并开机记录；
步骤103：大重叠检校场飞行，航向重叠度不低于70％，旁向重叠度不低于60％，相对航高与正常作业航高偏差不大于20％；
步骤104：航摄作业，采集影像数据和外方位元素数据；
步骤105：附加综合系统误差参数的GNSS辅助空三平差计算；采用航摄相机三维检校模型，将地面靶标像控点坐标、影像数据、基站差分计算后的外方位元素数据，同时对传统机载GNSS辅助光束法平差加入系统漂移、设备安装偏心差和曝光延迟的系统误差的附加参数GNSS辅助空三平差模型：
Figure BDA0002278526630000151
其中：
λ为尺度系数；
[x y -f]T为像点的像空间坐标系坐标；
R为曝光点三个角元素组成的正交变换矩阵；
[X Y Z]为像点的物方空间坐标系坐标；
Figure BDA0002278526630000161
为曝光点位置坐标；
Figure BDA0002278526630000162
为机载GNSS天线相位中心的像空间坐标系坐标；
Δp为附加参数综合曝光延迟时间；
Figure BDA0002278526630000163
为曝光时刻飞行器的飞行速度矢量；
步骤二：三维航线绘制
利用步骤一测定的相机参数、加载公开的全球DEM数据和摄区KML格式范围线，根据航高计算原理，进行三维航线绘制参数计算，获取计算出航线间隔、摄影基线、相对航高、最低点分辨率、最高点航向重叠度、最高点旁向重叠度；
步骤三：架设基站
步骤二完成后，在固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置起飞前，架设由基准站GNSS接收机5和静态基站电台总成6组成的基站，并提前10分钟以上时间开机，用于固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置的空中定位和曝光点差分计算；
步骤四：自动飞行与拍摄
由步骤三架设的基站进行遥控或按步骤二设计的飞行路线由自驾仪控制固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置自动飞行，且飞行时搭载下视单镜头相机或倾斜多镜头相机进行自动航摄获取实时动态差分RTK数据或后差分PPK数据、IMU姿态数据和航摄影像；固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置平飞速度小于等于20米/秒，相机存储读写速度不低于100MB/秒，IMU测角精度不低于0.01度；PPK历元采样频率不低于20Hz；
步骤五：落地检查和数据整理
步骤四完成，固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置落地后，将步骤四获取的实时动态差分RTK数据或后差分PPK数据、IMU姿态数据和航摄影像，根据电子耦合关系对应整理；
步骤六：曝光点外方位元素精准求定
根据步骤五整理好的数据，进行曝光点外方位的线元素和角元素的获取，具体操作如下：
线元素：应用场景分2种作业模式：①RTK模式：当有RTK差分信号时，结合测区地方转换关系计算曝光点外方位线元素地方坐标系下坐标值；②PPK模式：当无RTK差分信号时，将地面基准站静态数据和空中机载数据联合计算，运用PPK后处理技术，求取曝光点外方位元素地方坐标系下坐标值；
角元素：根据IMU姿态测量系统，输出每个相机曝光时刻外方位元素三个角元素；
同时获取三个线元素和三个角元素；
步骤七：附加综合系统误差参数的免像控点空三计算
根据第一步获取的精准相机参数和第六步精准求定的曝光点外方位元素文件进行空中三角测量计算，空中三角测量设置曝光点外方位元素准确观测权值，平差模型禁止平差修正相机参数，确保三个内方位元素不参与平差计算，根据光束法约束条件，平差曝光点外方位元素最终值，完成免像控点空中三角测量计算，计算结果用于后期成果加工；
步骤八：稀少像控点精度校准
在测区四角加入四个像控点对步骤七的免像控点空三的物方进行校准，消除尺度、方向和系统偏移的系统差。
在实际使用时，本发明通过相机参数精准测定、三维航线绘制、架设基站、自动飞行与拍摄、落地检查和数据整理、曝光点外方位元素精准求定、附加综合系统误差参数的免像控点空三计算和稀少像控点精度校准八个步骤，解决了现有技术无法实现地面无像控点并使得三维建模与测图的空中三角测量定位精度达到国家大比例尺(1：500 1:1000 1:2000)测图精度的几何要求。本发明的作业流程中去除了外业地面像控点测量工序，实现了作业模式从航摄到内业计算的直接衔接，减少了外业像控点测量的时间和成本开支，同时在危险困难地区实现高精度测图并有效规避了安全风险。
步骤一中测定的相机参数包含：相机主点位置(x0，y0)，相机主距(f)；镜头畸变参数包含：径向畸变系数k1，径向畸变系数k2，径向畸变系数k3，切向畸变系数p1，切向畸变系数p2，面阵变形系数α，面阵变形系数β；相机GNSS天线安装偏心距(ΔX，ΔY,ΔZ)，通过三维检校场航飞数据，测定出相机的内方位元素、镜头畸变参数和GNSS安装偏心距，为步骤七的附加综合系统误差参数的免像控点空三计算，提供计算条件，是步骤七是否成败的关键步骤，真正实现零像控参与平差计算可实现获取精准的物方交会点坐标。
步骤105中航摄相机三维检校模型采用的是现有技术。
步骤二里，三维航线绘制中根据航高计算原理如图4所示，计算方法为摄影测量行业公知计算方法。
Figure BDA0002278526630000191
式中：h-飞行高度；
f-镜头焦距；
a-像元尺寸；
GSD-地面分辨率。
步骤六曝光点外方位元素精准求定中，同时获取三个线元素和三个角元素，可实现优于1:500比例尺测绘精度要求；仅获取三个线元素即可实现不低于1:2000比例尺测图测绘精度要求。
步骤八稀少像控点精度校准中，受测区具体地形和成像质量限制，如步骤七无法达到优于1:500测绘精度，可在测区四角加入四个像控点对步骤七的免像控点空三的物方高精度校准，从而消除了尺度、方向和系统偏移的系统差。
本实施例步骤二三维航线绘制中利用步骤一加载的公开的全球DEM数据，是指全球数字高程模型数据；步骤四中的后差分PPK数据是指差分动态后处理数据。
实施例六：
根据图3所示的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，与实施例五不同之处在于：所述的步骤一中相机参数精准测定时选择三维检校场原则有：①检校场地地形包含平地和丘陵，地形最大高差不大于相对航高的1/6；地物避免占单张像片1/2以上面积的水域和植被弱纹理区；②地面靶标分布均匀且密度大，地面布设30米*30米间隔的格网分布像控点；③检校航摄高度与正常作业航高偏差不大于20％；④拍摄角度采用多方位获取影像；运用相机自检校区域网平差功能软件实现航摄相机空中自检校，精准测定相机内方位元素和畸变参数，相机参数初始值采用出厂标称值，像控点权值大于0.03米。
在实际使用时，步骤一中相机参数精准测定时选择地形起伏具备代表性检校场，检校场边长均不小于1000米*1000米，地面像控点布设密度30米*30米格网像控，运用摄影测量领域的现有技术具有与Inpho相同的相机自检校区域网平差功能的软件实现航摄相机空中标定，精准测定相机内方位元素和畸变参数，相机参数初始值采用出厂标称值，像控点权值大于0.03米。采用检校场的航摄影像及地面像控点，基于自检校区域网平差方式反算较为可靠的相机标定参数和相机与GNSS天线的安装偏心差，排除了相机内方位元素和部分外方位元素对最终结果的影响。
实施例七：
根据图3所示的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，与实施例五不同之处在于：所述的步骤三架设的基站必须架设在地面坐标系下的已知点上，地面静态基站历元采样频率不低于1HZ，成果形式为GNSS静态测量观测文件，基站覆盖半径小于等于30km。
在实际使用时，采用本技术方案，能够在RTK实时通信中断时，仍可精准计算曝光点在地面坐标系下的精准坐标值。成果形式为测绘行业公知的GNSS静态测量观测文件。
实施例八：
根据图3所示的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，与实施例五不同之处在于：所述的步骤五中根据电子耦合关系对应整理的方法是采用PPK数据的时间戳内插精准曝光点空间位置，同时根据顺序和时间戳对应影像ID号，从而获取每张影像曝光瞬间精准的空间位置坐标。
在实际使用时，采用本发明的技术方案，能够快速整理出影像ID号与内插计算的曝光点坐标的一一对应关系，同时根据时间戳规避了电子耦合时间差引起的曝光延迟问题，提高了曝光点坐标解算的精度。
实施例九：
根据图3所示的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，与实施例五不同之处在于：所述的步骤六中的应用场景采用PPK模式将地面基准站静态数据和空中机载数据联合计算时采用的是具有与Waypoint相同的GNSS差分后处理软件将地面基准站静态数据和空中机载数据联合计算，运用GNSS-PPK后处理技术，求取曝光点外方位元素地方坐标系下坐标值；PPK模式适用任何作业场合，当RTK模式可用时，则使用RTK模式结果。
在实际使用时，采用本发明的技术方案，PPK差分后处理确保了地面基准站与机载GNSS接收机通讯失联后，仍然提供至少一套可靠的高精度解算结果。本实施例中的Waypoint软件采用的是加拿大的Waypoint软件；在实际使用时，将地面基准站静态数据和空中机载数据输入软件，即可得到曝光点外方位元素地方坐标系下坐标值。
综上所述本发明通过固定翼飞行平台、电源模块、IMU姿态测量系统、航摄相机、机载GNSS差分模块、通信模块、自驾仪模块和控制模块的有机设置，通过相机参数精准测定、三维航线绘制、架设基站、自动飞行与拍摄、落地检查和数据整理、曝光点外方位元素精准求定、附加综合系统误差参数的免像控点空三计算和稀少像控点精度校准八个步骤，解决了现有技术无法实现地面无像控点并使得三维建模与测图的空中三角测量定位精度达到国家大比例尺(1：500 1:1000 1:2000)测图精度的几何要求。本发明的作业流程中去除了外业地面像控点测量工序，实现了作业模式从航摄到内业计算的直接衔接，减少了外业像控点测量的时间和成本开支，同时在危险困难地区实现高精度测图并有效规避了安全风险。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，其特征在于：包括固定翼飞行平台(1)、电源模块、IMU姿态测量系统(3)、航摄相机(4)、机载GNSS差分模块(2)、通信模块、自驾仪模块和控制模块；所述电源模块、IMU姿态测量系统(3)、航摄相机(4)、机载GNSS差分模块(2)、通信模块和自驾仪模块分别连接在固定翼飞行平台(1)上；所述IMU姿态测量系统(3)连接在固定翼飞行平台(1)纵向轴线的中点，并与自驾仪模块电信号连接；所述航摄相机(4)刚性固定连接在IMU姿态测量系统(3)下方并与IMU姿态测量系统(3)电信号连接；所述自驾仪模块分别与机载GNSS差分模块(2)、通信模块和IMU姿态测量系统(3)电信号连接，自驾仪模块通过相机曝光线与航摄相机(4)连接；所述控制模块设置在地面，并与通信模块电信号连接；所述机载GNSS差分模块、自驾仪模块和通信模块均与电源模块电连接。
2.如权利要求1所述的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，其特征在于：所述机载GNSS差分模块(2)至少包括机载多模高频GNSS接收机、GNSS接收天线、历元数据存储器、RTK通讯链路电台和电子耦合连接附属件；所述的机载多模高频GNSS接收机与GNSS接收天线电信号连接，历元数据存储器与机载多模高频GNSS接收机连接，RTK通讯链路电台与机载多模高频GNSS接收机电信号连接，电子耦合连接附属件的一端连接机载多模高频GNSS接收机，电子耦合连接附属件的另一端连接自驾仪模块。
3.如权利要求1所述的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，其特征在于：所述控制模块包括地面基准站GNSS接收机(5)、静态基站电台总成(6)和三脚架(7)；所述地面基准站GNSS接收机(5)与通信模块电信号连接，所述静态基站电台总成(6)与地面基准站GNSS接收机(5)电信号连接，所述静态基站电台总成(6)与通信模块电信号无线电连接；所述三脚架(7)连接在地面上，所述的地面基准站GNSS接收机(5)和静态基站电台总成(6)连接在三脚架(7)上。
4.如权利要求3所述的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，其特征在于：所述静态基站电台总成(6)包括静态数据存储器、动态RTK基准站数据发射电台及电台天线；所述静态数据存储器与地面基准站GNSS接收机相连；所述动态RTK基准站数据发射电台的一端与地面基准站GNSS接收机相连，动态RTK基准站数据发射电台的另一端与电台天线相连。
5.如权利要求1所述的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，其特征在于：所述航摄相机(4)为多镜头或单镜头的非量测型或量测型相机；所述固定翼飞行平台(1)为固定翼无人机或垂直起降的固定翼无人机。
6.一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，其特征在于，包括如下步骤
步骤一：相机参数精准测定
基于室外三维检校场对航摄相机(4)的内方位元素进行精准检校，获取精准相机参数、镜头畸变参数和相机GNSS天线安装偏心距；所述相机参数包括：相机主点位置(x0，y0)和相机主距(f)；所述镜头畸变参数包括：径向畸变系数k1、径向畸变系数k2、径向畸变系数k3、切向畸变系数p1、切向畸变系数p2、面阵变形系数α和面阵变形系数β；相机GNSS天线安装偏心距(ΔX，ΔY,ΔZ)；
其中：x0为相机主点横坐标；
y0为相机主点纵坐标；
ΔX为GNSS天线相位中心偏离相机曝光中心在飞行方向上的距离；
ΔY为GNSS天线相位中心偏离相机曝光中心在垂直飞行方向上的距离；
ΔZ为GNSS天线相位中心偏离相机曝光中心在竖直方向上的距离；
所述的基于室外三维检校场对航摄相机(4)的内方位元素精准检校，至少包括如下步骤：
步骤101：布设分布均匀的地面靶标像控点，其野外量测精度小于3厘米；
步骤102：已知点架设基准站GNSS接收机并开机记录；
步骤103：大重叠检校场飞行，航向重叠度不低于70％，旁向重叠度不低于60％，相对航高与正常作业航高偏差不大于20％；
步骤104：航摄作业，采集影像数据和外方位元素数据；
步骤105：附加综合系统误差参数的GNSS辅助空三平差计算；采用航摄相机三维检校模型，将地面靶标像控点坐标、影像数据、基站差分计算后的外方位元素数据，同时对传统机载GNSS辅助光束法平差加入系统漂移、设备安装偏心差和曝光延迟的系统误差的附加参数GNSS辅助空三平差模型：
Figure FDA0002278526620000041
其中：
λ为尺度系数；
[x y -f]T为像点的像空间坐标系坐标；
R为曝光点三个角元素组成的正交变换矩阵；
[X Y Z]为像点的物方空间坐标系坐标；
Figure FDA0002278526620000042
为曝光点位置坐标；
Figure FDA0002278526620000043
为机载GNSS天线相位中心的像空间坐标系坐标；
Δp为附加参数综合曝光延迟时间；
为曝光时刻飞行器的飞行速度矢量；
步骤二：三维航线绘制
利用步骤一测定的相机参数、加载公开的全球DEM数据和摄区KML格式范围线，根据航高计算原理，进行三维航线绘制参数计算，获取计算出航线间隔、摄影基线、相对航高、最低点分辨率、最高点航向重叠度、最高点旁向重叠度；
步骤三：架设基站
步骤二完成后，在固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置起飞前，架设由基准站GNSS接收机(5)和静态基站电台总成(6)组成的基站，并提前10分钟以上时间开机，用于固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置的空中定位和曝光点差分计算；
步骤四：自动飞行与拍摄
由步骤三架设的基站进行遥控或按步骤二设计的飞行路线由自驾仪控制固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置自动飞行，且飞行时搭载下视单镜头相机或倾斜多镜头相机进行自动航摄获取实时动态差分RTK数据或后差分PPK数据、IMU姿态数据和航摄影像；固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置平飞速度小于等于20米/秒，相机存储读写速度不低于100MB/秒，IMU测角精度不低于0.01度；PPK历元采样频率不低于20Hz；
步骤五：落地检查和数据整理
步骤四完成，固定翼无人机免像控点三维建模与测图装置落地后，将步骤四获取的实时动态差分RTK数据或后差分PPK数据、IMU姿态数据和航摄影像，根据电子耦合关系对应整理；
步骤六：曝光点外方位元素精准求定
根据步骤五整理好的数据，进行曝光点外方位的线元素和角元素的获取，具体操作如下：
线元素：应用场景分2种作业模式：①RTK模式：当有RTK差分信号时，结合测区地方转换关系计算曝光点外方位线元素地方坐标系下坐标值；②PPK模式：当无RTK差分信号时，将地面基准站静态数据和空中机载数据联合计算，运用PPK后处理技术，求取曝光点外方位元素地方坐标系下坐标值；
角元素：根据IMU姿态测量系统，输出每个相机曝光时刻外方位元素三个角元素；
同时获取三个线元素和三个角元素；
步骤七：附加综合系统误差参数的免像控点空三计算
根据第一步获取的精准相机参数和第六步精准求定的曝光点外方位元素文件进行空中三角测量计算，空中三角测量设置曝光点外方位元素准确观测权值，平差模型禁止平差修正相机参数，确保三个内方位元素不参与平差计算，根据光束法约束条件，平差曝光点外方位元素最终值，完成免像控点空中三角测量计算，计算结果用于后期成果加工；
步骤八：稀少像控点精度校准
在测区四角加入四个像控点对步骤七的免像控点空三的物方进行校准，消除尺度、方向和系统偏移的系统差。
7.如权利要求6所述的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，其特征在于：所述的步骤一中相机参数精准测定时选择三维检校场原则有：①检校场地地形包含平地和丘陵，地形最大高差不大于相对航高的1/6；地物避免占单张像片1/2以上面积的水域和植被弱纹理区；②地面靶标分布均匀且密度大，地面布设30米*30米间隔的格网分布像控点；③检校航摄高度与正常作业航高偏差不大于20％；④拍摄角度采用多方位获取影像；运用相机自检校区域网平差功能软件实现航摄相机空中自检校，精准测定相机内方位元素和畸变参数，相机参数初始值采用出厂标称值，像控点权值大于0.03米。
8.如权利要求6所述的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，其特征在于：所述的步骤三架设的基站必须架设在地面坐标系下的已知点上，地面静态基站历元采样频率不低于1HZ，成果形式为GNSS静态测量观测文件，基站覆盖半径小于等于30km。
9.如权利要求6所述的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，其特征在于：所述的步骤五中根据电子耦合关系对应整理的方法是采用PPK数据的时间戳内插精准曝光点空间位置，同时根据顺序和时间戳对应影像ID号，从而获取每张影像曝光瞬间精准的空间位置坐标。
10.如权利要求6所述的一种固定翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，其特征在于：所述的步骤六中的应用场景采用PPK模式将地面基准站静态数据和空中机载数据联合计算时采用的是具有与Waypoint相同的GNSS差分后处理软件将地面基准站静态数据和空中机载数据联合计算，运用GNSS-PPK后处理技术，求取曝光点外方位元素地方坐标系下坐标值；PPK模式适用任何作业场合，当RTK模式可用时，则使用RTK模式结果。
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