空中三角测量技术发展

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更新日期:2019-03-22来源:慧飞原创作者:慧飞总部 崔宇
前言

人们能够感知三维世界,是通过双眼观测世界,将三维世界转换成二维的视网膜图像,再由视神经细胞完成三维构建的过程。现在摄影测量就是将摄像机拍摄的二维图片经过计算机处理,重构出三维世界模型的过程。


摄影测量的基本任务是通过摄影的方式来还原真实的物理世界,所谓的真实物理世界,是需要明确的知道”我是什么?“,”我在哪儿“,”我长什么样“等几个基本的问题。目前,通过摄影测量的方式,可以通过照片识别等技术回答“我是什么”,可通过导航定位技术回答“我在哪儿”,可通过三维重建技术回答“我长什么样”等问题。因此,相机技术、导航定位技术和计算机技术的发展也直接促进了摄影测量技术的发展,空中三角测量作为航空摄影测量内业测图的常用方法。那我们从空中三角摄影测量技术的发展来窥探一下航空摄影测量技术的发展。

三维实景模型规划协助电影《影》来选择航拍机位


一、空中三角摄影测量
空中三角测量是立体摄影测量中,根据少量的野外GCP控制点①,在室内进行控制点加密,求得加密点的高程和平面位置的测量方法。传统航空摄影测量一般需要使用野外控制点并通过空中三角测量加密求解外方位元素, 而野外控制点的布设工作繁琐, 在荒漠、高山等困难地区野外控制点更是难以布设, 因此,尽量减少乃至摆脱对野外控制点的依赖而直接对像片定向一直是摄影测量的重要研究方向之一.为此,人们一直试图在航空摄影飞行过程中直接记录或确定航摄相机的位置和方向,并利用这些定向数据实现航摄像片的绝对定向。


二、GNSS(全球定位系统)辅助空中三角测量
20世纪90年代,GNSS(全球定位系统)辅助空中三角测量的方法得到了广泛应用,GNSS是全球导航卫星系统定位系统,能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息。GNSS系统有中国的北斗卫星导航系统、美国的GPS、俄罗斯的Glonass欧洲的Galileo等。Phantom 4 RTK支持的GNSS有北斗、GPS、Galileo(亚洲地区)。GNSS技术解决了像片的定位问题,但是无法获取像片的姿态参数,不能彻底摆脱地面控制。随着航空摄影测量技术和惯性导航技术的发展,一种新的方法开始应用于航空摄影测量即POS(定位定向系统)。


GNSS(全球定位系统)


三、POS辅助空中三角测量
POS是指(Position and Orientation System)机载定位定向系统,是基于全球定位系统(GNSS)和惯性测量装置(IMU)的可直接测定影像外方位元素(GNSS测量得到位置参数,惯性导航系统得到姿态参数)。POS辅助空中三角测量,得到每张像片的外方位元素,实现无地面控制点的航空摄影测量或与地面控制点共同参与空中三角测量的航空摄影测量方法。POS辅助航空摄影测量极大减少甚至完全免除常规空中三角测量所必须的地面控制点,以节省野外控制测量工作量、缩短航测成图周期、降低生产成本、提高生产效率。

无人机飞控包含GNSS模块及IMU模块


Phantom 4 RTK高精度POS数据支持
由于无人机有作业费用低廉、作业方便及受气候条件限制少等优点,已广泛应用于摄影测量、土地用途调查等诸多领域。但是无人机由于重量较轻,体积小,非常容易受气流干扰,飞行稳定性较差,航线保持较困难,所拍摄的航摄影像相对于常规航空摄影像片旋偏角大、航线弯曲度大、影像重叠度不规则等,从而导致无人机机载POS 系统定位定姿偏差较大。尤其在用于精度要求较高的大比例尺航空摄影测量领域时,其后续摄影测量空三加密成果的精度将会受到不同程度的影响甚至是失败。

Phantom 4 RTK采用了DJI领先的飞控系统,具备双冗余度IMU和指南针提升安全性。定位系统采用双备份GNSS系统,高精度GNSS系统采用D_RTK②实时差分定位技术,领先的飞控及厘米级定位系统保证了航线精度和飞行姿态的稳定,减少飞行高度变化对影像间比例尺影响。


Phantom 4 RTK工作原理

Phantom 4 RTK相机与RTK系统采用微秒级时间同步并通过飞控IMU数据及高精度云台(角度抖动量 ±0.02°)数据,从而使得每张高清照片均能获得高精度的位置信息及姿态信息(POS数据),记录在照片的EXIF和XMP位置区域。

高精度成像


空中三角测量技术的发展,大幅减少了摄影测量的外业工作量,让免相控作业成为可能。随着传统的摄影测量技术与机器视觉技术的进一步融合,让摄影测量工作更加专注于应用。由摄影测量构建出的三维虚拟世界将为自动驾驶、游戏、人工智能等未来生产生活提供基础信息支持。

名称解释:
①GCP(地面控制点):把空中照片中与地面上某一地点相对应点叫做控制点又称为地面控制点(ground control point)。GCP是对航空像片进行各种几何纠正和地理定位的重要数据源,可以提高成图精度和质量。
②RTK是一种基于差分卫星定位的高精度定位技术。

空中三角测量技术发展

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