第３８卷第９期 光电工程 Ｖｏｌ－３８．ＮＯ．９ ２Ｏｌ１年、９月 Ｏｐｔｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｅｐｔ，２０１１ 文章编号：１００３—５０１ｘ（２ｏｌ １）０９—００２５—０５ 一种基于ＰＯＳ数据的无人机影像 自动展绘控制点方法 鲁 恒，李永树，江 禹 ＼ （西南交通大学地 信息工程中心，成都６１００３Ｉ） 摘要：针对无人机影像重叠度高，影像处理工作量大的特点，为了提高无人机摄影测量的工作效率，充分发挥无 人机技术快速成图的优点，提出了一种利用改正后ＰＯＳ数据自动展绘控制点的方法。该方法根据无人机ＰＯＳ数 据纠正原理，通过在区域网内布设少量控制点，建立ＰＯＳ数据改正模型，从而获取ＰＯＳ数据误差改正参数对原 始ＰＯＳ数据进行改正，利用改正后ＰＯＳ数据在无人机影像上自动展绘控制点。研究结果表明，该方法对于无人 机影像快速处理具有较好的实用价值。 关键词：无人机ＰＯＳ数据；无人机影像；展绘控制点；ＰＯＳ数据误差改正参数 中图分类号：Ｐ２３１．５ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—５０１Ｘ．２０ｌ１．０９．００５ Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｍａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｏｉｎｔｓ ｆｏｒ ＵＡＶ Ｉｍａｇｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＯＳ Ｄａｔａ ｌ Ｕ Ｈｅｎｇ，ＬＩ Ｙｏｎｇ—ｓｈｕ，ＪＩＡＮＧ Ｙｕ （ＧＩＳ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＣｅｎｔＥｒ，Ｓｏｕｔｈｖｔ，￣ＳＩ ｌｉａｏｔｏｎｇ ＵｎｉｖｅｒｓｉＯ，，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６ １ ００３ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ．Ｔｈｅ Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ（ＵＡＶ）ｉｍａｇｅｓ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ ｄｅｇｒｅｅ ａｎｄ ｈｅａｖｙ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｏｒｋｌｏａｄ．Ｉｎ Ｏ１ ｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆ１］ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ＵＡＶ ｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙ ａｎｄ ｔａｋｅ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｆａｓｔ ｍａｐｐｉｎｇ ｂｙ ｔｈｅ ＵＡＶ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔｓ ｂｙ ｅｏｒｒｅｃｔｉｎｇ ＰＯＳ ｄａｔａ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｃｏｒｒｅｃｔ ＵＡＶ ＰＯＳ ｄａｔａ，ＰＯＳ ｄａｔａ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ＰＯＳ ｄａｔａ ｅｒｒｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｗｅｒｅ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｂｙ ｌａｙｏｕｔ ａ ｓｍａｌｌ ａｎｌｏｕｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔｓ ｉｎ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ ＰＯＳ ｄａｔａ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ＵＡＶ ｉｍａｇｅｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔｓ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ＵＡＶ ｉｍａｇｅ ｒａｐｉｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＵＡＶ ＰＯＳ ｄａｔａ；ＩＪＡＶ ｉｍａｇｅｓ；ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔｓ；ＰＯＳ ｄａｔａ ｅｒｒｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ０ 引 言 机载ＰＯＳ系统 接地理定位是ＰＯＳ组合导航技术与擞影测量技术的集成应用，其中ＰＯＳ主要涉及全 球定位系统（ａＰＳ）￣ＩＩ惯性导航技术（ＩＭＵ）。由于ＧＰＳ的导航精度高，不随时『卣】发散、长期稳定性好，ＩＭＵ 有系统步页带宽、不依赖十外 条件、 跟踪任何机动运动等多种优点，因此这两种导航系统组合使用，在 性能Ｌ形成互补，可以充分发挥各自的特长，提高导航系统的可靠性，这已成为目前世界上公认的最佳组 合导航方案ｎ之】。ＧＰＳ／ＩＭＵ组合导航系统及其在航空遥感系统集成应用已成为摄影测量研究领域的一个热 点Ｉ 。然而高精度航空遥感导航系统中对机载ＰＯＳ数据解算后精度要求很高，这就对ＰＯＳ本身的测量精度 提出了很高的要求，而且对ＰＯＳ数据的解算和精度评定方法也有很高的要求 。 收稿日期：２Ｏｌ１—０４ １８；收到修改稿日期：２０１ｉ…０７ １２ 基金项目：“卜一了Ｉ＿１国家科技支撑计划重大项Ｈ（２００６ＢＡＪ０５Ａｉ３） 作者简介：鲁恒（１９８４ ），男（汉族），四川辑山人 博』 研究，ｔ一 耍研究遥感影像处理 模式 ＊ 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｈｅｎｇ １９８４１００７＠ｙａｈｏｏ ｃ‰ ２６ 光电工程 ２０１１年９月 目前，机载ＰＯＳ系统直接用于地理定位技术在国内外都还处于摸索阶段，其直接定向测图仅在特定条 件下基本满足平坦地区的需求，在高程变化较大区域精度无法保证。如能将ＰＯＳ系统和轻小型航空遥感系 统（如：无人机）集成将大大提高工作效率和效益 。本文针对此问题，结合无人机ＰＯＳ数据的特点，通过 布设少量控制点获取ＰＯＳ数据改正参数，对机载原始ＰＯＳ数据进行改正，利用改正后ＰＯＳ数据实现了控 制点在影像上的自动展绘，并对展绘控制点的点位精度进行评定。 １ 研究思路 由于无人机航拍受外界影响较大，同时受载荷的不能搭载高精度ＧＰＳ，因此机载原始ＰＯＳ数据通 常含有大量粗差，若直接利用原始ＰＯＳ数据进行地理定位不能满足实际需求，需要对原始ＰＯＳ数据进行 改正。对ＰＯＳ数据误差的改正有两种方法： １）直接法。其基本思想是从光束法区域网平差出发，将系统误差作为未知数，在光束法区域网平差过 程中与影像外方位元素及加密点的地面坐标一并求解。该方法理论上严密，但求解的未知数较多，目前的 平差软件一般都不具有此功能。 ２）间接法。可概括为两步：首先由目前的平差软件 获取影像精确的外方位元素，然后将精确的外方位元素 与机载原始ＰＯＳ所获取的外方位元素进行比较，从而得 到ＰＯＳ数据误差的改正参数。这种方法避免了复杂的光 束法区域网平差计算，无需对现有的平差软件进行改动。 本文采用这种方法获取ＰＯＳ数据的误差改正参数，所采 用的方法流程如图１所示。 在已知地面若干点的地面坐标以后，反求该相应摄 影光束的外方位元素，即 、 、磊和 、Ｑ姥一个 空间后方交会问题 Ｊ。该原理的应用可概括为以下几种 情况：１）解析法加密运算后，根据地面控制点坐标值反 求摄影光束的外方位元素；２）通过检校场摄影确定摄影 物镜的畸变差及其内方位元素；３）在区域网解析加密运 算中用作其中一部分过程 Ｊ。由于数码相机不是专门为 摄影测量而设计的，它没有准确的测定内方位元素，且 图１无人机机载ＰＯＳ数据纠正 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆｏｒｉｇｉｎａｌ ＵＡＶ ＰＯＳ ｄａｔａ 透镜的排列也没有进行严格校正，所以拍摄得到的数字图像存在着光学畸变误差。在焦距固定的情况下， 镜头畸变属于系统误差，它对每幅图像所产生的影响是相同的。引入畸变差后的共线方程为 ＋ ：一厂 …— 。＋△ ＝一厂芝 ＿＿妻 ｝辜 昌 三｛ ｆ 二 二 二 ㈣ 、 式中： Ｙ为以像主点为原点的像平面坐标；ＸＯ，Ｙｏ为像主点；．厂为像片主距；ｉｖ，Ｉ１，Ｚ为物点的地面坐标；Ⅸ， ｙｓ，Ｚｓ为外方位线元素；ａｌ，ａ２，ａ３，ｂｌ，ｂ２，ｂ３，Ｃ１，Ｃ２，ｃ３为外方位角元素表示的方向余弦。 在测区的四角及中心地带布设若干控制点，利用已知的地面控制点坐标值求解出相应影像的外方位元 素，从而建立外方位元素改正模型，如式（２）。其中， ，ｙＩ，ｚＩ， ，国， 为解算出的第１张影像的外方位 元素值， ， ， ， ， ， 为解算出的第ｎ张影像的外方位元素值， １， ｌ，Ｚｐ１， ｐｌ， ｐｌ，Ｊ １代表第１ 张影像的初始外方位元素值， ， ，Ｚｐ ，啷 算的影像张数。 ， 代表第ｎ张影像的初始外方位元素值，ｎ代表参与运 第３８卷第９期 鲁恒等：一种基于ＰＯＳ数据的无人机影像自动展绘控制点方法 ２７ ｐ＝［（ １一 ｐ．）＋（ ２一 ｐ２）＋…＋（Ｘ 一Ｘｐ ）］／ △ｙｐ＝［（ 一ｙｐ。）＋（ —ｙｐ。）＋…＋（ 一ｙｐ ）］／ ＡＺｐ＝［（Ｚ１一Ｚｐ１）＋（ｚ２～Ｚｐ２）＋…＋（ｚ 一Ｚ ）］／ △ ｐ＝［（ １一 ｐ１）＋（ ２一 ｐ２）＋…＋（ 一 ）］ｉｎ ｒ１、 ＡＤ ＝［（ ，一ＤＯ ）＋（ — ）＋…＋（ — ）］／ ＡＫ ＝［（ ｌ—Ｋ ）＋（ ２一Ｋｐ２）＋…＋（ 一Ｋｐ ）］／，ｚ 根据式（２）即可得到ＰＯＳ数据误差改正参数 、△ 、ＡＺｐ、△ 、Ａ，．Ｑｐ、△ －，利用求得的改正参 数即可将原始机载ＰＯＳ数据的线元素和角元素进行改正。利用改正后的外方位元素及待展绘控制点坐标根 据共线方程条件即可获得控制点的像平面坐标，为能将控制点直接展绘到相应无人机影像上，还需将控制 点的像平面坐标转换为像素坐标，如式（３）： ］： ｐｉｘｅｌ ＋等，Ｊ［ｉ］： 一 幽 ｐｉｘｅｌ （３） 其中：Ｉ［ｉ］、Ｊ［ｉ］即为控制点所在影像的像素坐标，ｉ代表影像号，Ｘ［ｉ］、Ｙ［ｉ］为控制点的像平面坐标， ｉ 。１、 ｙＤｉ ｘｃ】为像素大小，Ｍ、Ⅳ为影像行列号。 ２ 实 验 本文的实验数据为无人机拍摄于２０１１年４月德阳市郊某 … ．一 ： 区域，该地区地势起伏较小，属于平原区域，所获取的无人 机影像航向重叠率在７５％ｔ．￣ＺＪｚ，旁向重叠率在５ｏ％Ｆｓ．Ｊ：，获 取影像６００余张。根据第１节所述原理在实验区的四角及中 心区域布设少量控制点。其中曝光点及布设的地面控制点如 图２所示。 ｉ； ｉ ｎ … ｉ一誓 ｉ ｉ ；ｊ ｊ ｉ ＾ ｌ＿ 。‘ ：：：：：：： ：： ：：：： ：：：：：Ｉ＿： 二：：：：：： ‘●●。＿一 －－。一＿ ・ 利用布设的地面控制点坐标值求解出相应影像的外方位 元素，根据式（２）计算出ＰＯＳ数据改正参数，然后对原始ＰＯＳ 数据进行改正。为保证后续展绘控制点的精度，首先对纠正 ：： －：：：：：：：：：：：： ：：：：：：：：：：：：：：：： ：：：：：：：：： ：：：：： 前与纠正后的ＰＯＳ数据精度情况进行了比较分析，所采用的 ：：：：：：：：：：：：：：： 参考数据为完成区域网平差后反算的外方位元素准确值。将 △ △ｙ、△Ｚ、△ 、Ａ．Ｏ、ＡＫ定义为纠正前、纠正后的ＰＯＳ ； ： ：：：：：：： ：：０ ： 图２曝光点及控制点布设 数据与完成区域网平差后反算的外方位元素准确值的差值。 结果如表１所示。 Ｆｉｇ２ Ｅｘｐ。 叫。ｐｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｌａｙｏｕｔ ０ｆｃ。 ｔｒ０ｌ ｐ。ｉｍ ．表１未纠正与纠正后ＰＯＳ数据精度比较 Ｔａｂｌｅ １ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆｕｎｃｏｒｒｅｃｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ ＰＯＳ ｄａｔａ ６ ８ ６８ ６９ ．．０ ９９０ ０ ７３４ １．２０７ ０．７８５ １．２４０ ．１．４５７ １．３１９ ．０．８４４ １ ３９０ ０．９４０ ０．７５９ —０．６４６ １ ０５６ ，０．７３９ ０．９８３ ０ ８４４ —１．５７０ ０ ８６６ １．３４１ ０．９９８ Ｏ ７２４ １．５０７ ０．９０７ ０．９４５ ｌ ０４５ 一０．７４５ Ｏ ５２１ ０ ９３４ —１．１０４ ｌ２１ １．０４９ 由表１可知，经过纠正后的ＰＯＳ数据较纠正前原始机载ＰＯＳ数据精度有较为显著的提高，纠正前ＰＯＳ 第３８卷第９期 鲁恒等：一种基于ＰＯＳ数据的无人机影像自动展绘控制点方法 ２９ 表２展绘控制点的点位误差 Ｔａｂｌｅ ２ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔｓ △ ／ｐｉｘｅｌ ５ ４ ８ ｌ０ ３ ５ ６ △Ｙｉ／ｐｉｘｅｌ ６ ９ ｌ０ ８ ｄ ７ ６ 由表２数据可知，单张影像完成展点后点位误差在１０个像素以内。造成展点误差的原因主要有： １）无人机所携带的ＧＰＳ／ＩＮＳ的系统误差，尤其是角元素受外界条件干扰更大； ２）在获取ＰＯＳ数据改正参数时，建立的改正模型对ＰＯＳ数据的改正会产生一定影响； ３）影像畸变也可能会对展点点位产生影响，这是由于无人机影像属于中心投影，影像的边缘区域畸变 较大，这也将导致展点产生误差。 ４结 论 本文通过在测区内布设少量控制点获取原始ＰＯＳ数据误差改正参数，提出了一种利用改正后ＰＯＳ数 据 动展绘控制点的方法。该方法在无人机影像快速处理中具有较大潜力。下一步需重点考虑的是：用于 侩校的影像的选择上，包括范围的选择、控制点布设方案等，以及针对不同地形区域进行实验，如高程差 异较大的区域影像展点。 参考文献： 【１】 李学友．ＩＭＵ／ＤＧＰＳ辅助航空摄影测量综述【Ｊ１．测绘科学，２００５，３０（５）：ｌ１０—１１３． ＬＩ Ｘｕｅ—ｙｏｕ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆＩＭＵ／ＤＧＰＳ—ｂａｓｅｄｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆＳｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ，２００５， ３Ｏｆ５１：１ １０～１ １３． ２ 袁修孝．航空摄影测量影像定向的若干探讨［Ｊ］，地球科学进展，２００７，２２（８）：８２８—８３４． ＹＵＡＮ Ｘｉｕ—ｘｉａｏ．Ｓｏｍｅ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ ｏｆＩｍａｇｅ Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎＡｅｒｉａｌ Ｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙ［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００７， ２２ｆ８）：８２８—８３４． ［３］Ｌｅｇａｔ Ｋ．Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ ｄｉｒｅｃｔ ｇｅｏｒｅｆｅｒｅｎｃｉｎｇ ｉｎ ｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ［Ｊ］．ＩＳＰＲＳ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙ＆Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ ｆＳ０９２４—２７１６），２００６，６０（４４）：２３９—２５５． 【４ｊ 董绪荣．ＧＰＳ／ＩＮＳ组合导航定位及其应用［Ｍ】．北京：国防科技大学出版社，１９９８． ［５］ 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