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1、無網(wǎng)絡pos機

無網(wǎng)絡pos機

摘 要：以大疆無人機影像數(shù)據(jù)為例，通過分析影像自帶POS線元素的特點，提出了將線元素空三加密前提取并轉(zhuǎn)換至工程坐標系的預處理方式，在空三加密時使影像中的像控標識與像控點位置接近，便于正確快速刺點。實踐證明，該預處理方法可實現(xiàn)大疆無人機航測刺點的正確率和效率，為大疆無人機數(shù)據(jù)處理提供一條新的處理思路。

關鍵詞：無人機；空三加密；工程坐標系；坐標轉(zhuǎn)換；刺點；

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前 言

隨著無人機技術的快速發(fā)展，消費級無人機產(chǎn)品近年來迅速進入測繪生產(chǎn)領域，并取得良好的經(jīng)濟效益。水利水電工程建設領域，相關學者根據(jù)自己的專業(yè)需求，從應用環(huán)境、生產(chǎn)方式和產(chǎn)品類型等方面對無人機的應用進行了相關研究，并得出一些有益結(jié)論。隨著應用的增加，消費級無人機在測繪生產(chǎn)領域中存在的各種痛點也日趨暴露，航攝坐標系與工程坐標系不一致而引起的刺點困難問題便是其一。

無人機在航攝時，鏡頭在啟動快門瞬間，同時采集曝光點坐標信息并附加于影像的元數(shù)據(jù)中。該坐標信息是大地坐標形式的WGS84或CGCS2000成果。而為工程勘測、施工所建立的工程坐標系，因回應相關國標中“邊長投影變形不超過25 mm/km”之要求，往往采用橢球膨脹、橢球平移、改變標準中央經(jīng)線等方式予以應對。由此造成影像中像控標識與采集的像控點坐標因坐標系統(tǒng)不一致出現(xiàn)嚴重錯位現(xiàn)象。黃文鈺基于少量像控點直接進行相對定向和絕對定向后逐步加點平差的處理模式，本質(zhì)上是將像方坐標強制約束到工程坐標系下，它要求內(nèi)業(yè)人員對外業(yè)像控點的分布及野外環(huán)境有較高的熟悉程度才能做好生產(chǎn)工作。在攝影測量數(shù)據(jù)流水線處理模式下，影像POS與像控點因坐標系統(tǒng)差異而產(chǎn)生較大空間錯位的問題無疑增加了內(nèi)業(yè)人員對像控標識正確辨識的難度(一張影像中出現(xiàn)多個像控標識時更甚)、增加了刺點出錯概率，不利于攝影測量內(nèi)業(yè)質(zhì)量管控。個別空中三角測量加密軟件雖提供了七參數(shù)轉(zhuǎn)換接口，但七參數(shù)計算對已知點數(shù)量和橢球參數(shù)均有較高要求，現(xiàn)實生產(chǎn)過程中存在一定的難度。本文立足于現(xiàn)有條件，針對大疆無人機影像POS坐標及工程坐標兩套坐標系統(tǒng)的特點，研究影像POS數(shù)據(jù)快速預處理方法，提出將線元素空三加密前提取并轉(zhuǎn)換至工程坐標系的預處理方式，提高大疆無人機航測刺點的正確率和效率，為大疆無人機數(shù)據(jù)處理提供一條新的思路。

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理論基礎與實現(xiàn)方法

1.1 大疆無人機影像POS數(shù)據(jù)特點及誤差來源分析

大疆無人機影像附帶有可交換圖像文件格式(Exchangeable Image File Format, EXIF)的元數(shù)據(jù)，包含了以大地坐標形式表達的POS外方位線元素信息。在曲面方向以度、分、秒形式表達，各單位之間以分號(;)分隔；垂直方向以大地高形式表達，單位為m。對于框幅式影像而言，除去航攝相機的系統(tǒng)誤差外，照片中像控標識與實地所采集像控點坐標理論上應在三維空間尺度完全重合。在實際生產(chǎn)過程中，由于各項因子的干擾，影像中像控標識與實地采集的像控點坐標存在一定偏差，筆者將這種偏差分解為因載具GNSS采集器相位中心與鏡頭攝影中心不重合引起的偏差(V像機)、因機載GNSS數(shù)據(jù)記錄時標與相機曝光時刻不同步引起的點位移偏差(Vpos)、地面像控點坐標采集引入的偏差(V控)、POS線元素與像控坐標系轉(zhuǎn)換引起的精度損失(V轉(zhuǎn))及POS所屬坐標系與像控所屬坐標系偏差( )等5項因子，其表達式如下：

受飛行載具限制，V像機一般不超過0.5 m; Vpos受曝光時間與飛行速度共同影響，但經(jīng)驗值一般不大于0.5 m; V控最低精度為圖根級，其誤差相對于已知點坐標一般不大于0.1 m; V轉(zhuǎn)因參于轉(zhuǎn)換的已知點精度不低于圖根級，且轉(zhuǎn)換模型嚴密，經(jīng)驗值一般不超過0.1 m; 因坐標系構造方式不同而差異巨大。據(jù)葉曉明等指導思想，上述前4種誤差均可認定為系統(tǒng)誤差，因POS所屬坐標系與施工坐標系與之間的差異，在不同工程之間屬于偶然誤差，而對于同一工程則屬于系統(tǒng)誤差。同一工程下，V坐標系因坐標系差異而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差可通過坐標轉(zhuǎn)換予以消除，提高空三刺點的正確率和效率。

在同一工程下，以影像POS所屬坐標系與工程坐標系之間的系統(tǒng)偏差為主的系統(tǒng)誤差使像控標識與像控點坐標并非完全重合，需要刺點予以糾正。將影像POS轉(zhuǎn)換至工程坐標系下，盡可能地使影像內(nèi)像控標識靠近像控點，將有利于刺點工作及后續(xù)產(chǎn)品生成工作。

1.2 二維平面轉(zhuǎn)換思路及模型

1.2.1 轉(zhuǎn)換思路

空中三角計算軟件既能以大地坐標編排各照片的空間位置，也可以工程坐標系統(tǒng)(因軟件不同致名稱有差異，常見有地方坐標系統(tǒng)、任意坐標系等，作者統(tǒng)稱工程坐標系)編排。照片中所攜帶的WGS84或CGCS2000大地坐標形式的POS線元素若能事先轉(zhuǎn)換至工程坐標系下，讓軟件在工程坐標系下編排影像的空間位置，并進行相對定向、絕對定向，從而計算照片在工程坐標系下的準確位置關系。此時，影像POS與地面像控點屬同一坐標系統(tǒng)，由此可消除因POS所屬坐標系統(tǒng)與工程坐標系統(tǒng)之間的偏差而引起的影像內(nèi)像控標識與像控點之間存在巨大的空間位置錯位現(xiàn)象。

1.2.2 轉(zhuǎn)換模型

采用赫爾默特模型，先將照片中大地坐標形式的外方位線元素轉(zhuǎn)換為以WGS84或CGCS2000標準分帶投影平面坐標形式，并以此為起始坐標系成果，以對應的工程坐標系成果為目的坐標系成果，按最小二乘原理進行四參數(shù)計算[10]。其模型誤差方程如公式(2)：

其中，a=x0，b=y0，c=kcosα，d=ksinα。x0，y0為平移因子，m；k為尺度比例因子(無綱量)；α為旋轉(zhuǎn)因子，rad。

當參與模型計算已知點數(shù)多于2個時，模型精度評定按公式(3)計算。

公式(3)中：σ0為中誤差，m；VT為列向量轉(zhuǎn)置，m；V為殘差列向量，m；n為已知點個數(shù)。

各參數(shù)因子計算成功后，按公式(4)將所得參數(shù)成果應用于照片中POS線元素，即獲得在工程坐標系下各影像瞬間的平面位置。

1.3 高程轉(zhuǎn)換思路及模型

1.3.1 高程轉(zhuǎn)換思路

原始POS自帶高程屬于大地高系統(tǒng)，我國采用正常高系統(tǒng)。在小范圍區(qū)域內(nèi)，大地高與正常高可以用常數(shù)量轉(zhuǎn)換；大范圍時，使用平面模型或曲面擬合模型可獲得較為理想的轉(zhuǎn)換效果。

高程轉(zhuǎn)換按多項式擬合模型，其誤差方程如公式(5)所示：

公式(5)中：B、L分別為參與模型計算點WGS84或CGCS2000坐標系下緯度、經(jīng)度，rad；H為大地高，m。

當已知點個數(shù)少于3個時，可采用常量模型，即取公式(5)等式右側(cè)第1位和第7位；當已知點個數(shù)不少于3個時，可采用平面模型，即取公式(5)等式右側(cè)第1、2、3、4和第7位；當已知點個數(shù)不少于6個時可采用曲面模型，即取公式(5)等式右側(cè)全部。當求參點個數(shù)多于理論要求個數(shù)時，用公式(6)進行精度評定。

公式(6)中：σ0為中誤差，m；n為求參點個數(shù)；t為模型系數(shù)個數(shù)；VT、V物理意義與公式(3)相同。

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工程應用實例

某大型水電站位于黃河上游主河道上，橫跨甘肅、青海兩省。2020年初，筆者單位承擔了該水電站尾水段清淤測量工作。為保證測量區(qū)域的完整性，除測量河道水下地形外，對尾水段黃河兩岸地物按1∶1000地形圖標準測繪。岸上地形圖測繪，采用攝影測量技術完成，測繪設備主要有GNSS-RTK、大疆精靈4 RTK版。該水電站核心區(qū)域平均海拔1700.00m，施工坐標系建設單位為回應邊長投影變形限制，以克拉索夫斯基橢球為基礎，采用橢球膨脹法建立工程坐標系。該工程坐標系成果與基于CGCS2000參考橢球的標準分帶投影成果偏差約為50 m。同時，兩套坐標系統(tǒng)之間還存在旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。攝影測量工作開始前，需布設像控標識。為方便內(nèi)業(yè)質(zhì)量檢核，在像控標識附近，還增設了內(nèi)業(yè)質(zhì)量檢核用像控標識。像控點采集使用千尋CORS服務，坐標源為CGCS2000,經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換后獲得工程坐標系像控點坐標成果。無人機航攝時，開啟網(wǎng)絡RTK模式，坐標系統(tǒng)為CGCS2000。由此出現(xiàn)，無人機航攝影像POS外方位線元素所屬坐標系統(tǒng)與像控點所屬坐標系統(tǒng)不一致問題。因坐標系統(tǒng)差之間偏差及像控點過于密集等原因，給流水線作業(yè)模式的內(nèi)業(yè)刺點工作帶來較大困擾。同時由于增設了內(nèi)業(yè)質(zhì)量檢核像控標識，同一張影像存在可能覆蓋多個像控標識的現(xiàn)象，在增加多余觀測的同時，提高了刺點錯誤的風險。按傳統(tǒng)處理方式，多次出現(xiàn)無法定位像控標識進而導致刺點錯誤，嚴重遲滯了生產(chǎn)工作。作者基于前述思路與理論基礎，使用python語言編寫了一套坐標轉(zhuǎn)換軟件，并應用于該工程內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作。

本次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采用7組千尋CORS采集的CGCS2000控制點坐標，分別與對應的工程坐標系成果進行二維平面轉(zhuǎn)換和高程轉(zhuǎn)換。經(jīng)計算，平面轉(zhuǎn)換模型殘差值為0.013m，高程曲面模型擬合殘差值為0.022m。轉(zhuǎn)換精度均優(yōu)于圖根測量模型轉(zhuǎn)換要求。

影像POS轉(zhuǎn)換前像控點與對應影像內(nèi)的像控標識往往超出影像覆蓋范圍或嚴重錯位(見圖1，像控點為22號而像控標識為14號)。將轉(zhuǎn)換后的影像POS導入攝影測量空中三角加密計算軟件，影像與像控點相對位置關系如圖2所示。影像中像控標識與像控點相對位置關系如圖3所示。經(jīng)統(tǒng)計，轉(zhuǎn)換POS后影像中像控標識與像控點最大偏差為2.31m，最小為0.06 m，平均偏差為0.71m。影像中像控標識與像控點相對位置關系均在可接受且可正確識別范圍內(nèi)。經(jīng)一次性全部刺點后檢查，結(jié)果表明刺點正確率為100%。

圖1 轉(zhuǎn)換POS前像控點與像控標識錯位現(xiàn)象

圖2 工程坐標系下像控點與POS點位相對位置

圖3 轉(zhuǎn)換后像控點與標識位置關系

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結(jié) 論

(1) 攝影測量數(shù)據(jù)空中三角測量加密計算前，先將影像的POS線元素轉(zhuǎn)換至工程坐標系的生產(chǎn)方法，可將照片內(nèi)像控標識點與控像點組合至一定空間距離，這種空間距離足以使內(nèi)業(yè)人員有效辨識各像控點與像控標識之間的對應關系。

(2) 將線元素空三加密前提取并轉(zhuǎn)換至工程坐標系的預處理方式，在空三加密時使影像中的像控標識與像控點位置接近，便于正確快速刺點，有效解決了在空中三角加密計算過程中因坐標系偏差及像控點混淆問題引起的生產(chǎn)低效問題。

(3) 實踐證明，在空中三角加密計算之前，將POS線元素與像控成果統(tǒng)一于同一坐標系以提高數(shù)據(jù)處理效率的思路具有可行性，處理方法對外方位元素為WGS84坐標系或CGCS2000坐標系均具有適用性。

本文所用平面轉(zhuǎn)換模型理論上僅需2個點參與，高程轉(zhuǎn)換根據(jù)轉(zhuǎn)換模型不同，常數(shù)模型、平面模型和曲面模型理論最少已知點數(shù)分別為1、3、6個。為保證轉(zhuǎn)換成果可靠性，方便評定轉(zhuǎn)換模型的精度，應保證一定數(shù)量的多余已知點參與參數(shù)轉(zhuǎn)換。同時，航空攝影測量外業(yè)飛行前應提前規(guī)劃像控點與檢查點空間分布協(xié)調(diào)問題，像控點及檢查點應盡可能保持一定間距，以方便內(nèi)業(yè)刺點辨識。

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