基于IMU/DGPS的航空摄影测量系统的制作方法

本实用新型涉及航空摄影测量技术领域，尤其涉及基于IMU/DGPS的航空摄影测量系统。

背景技术：

目前，传统航空摄影测量通常采用大载荷通航飞机搭载专业航摄仪，搭配高精度POS系统（Position Orientation System；定位定向系统）获取航片的外方位元素（x，y，z，φ，ω，κ），以减少地面控制点布设数量等外业工作量，该种摄影测量系统目前已成为国内外高空摄影测量工程最为常用的集成方案之一。

航空摄影测量能够丰富地表达测区内的微小细节，为规划设计、地质监测等多种应用领域提供直观的带有丰富细节的可量测性影像成果。精确求解影像的外方位元素是摄影测量的关键，长期以来主要依靠繁杂的空中三角测量和大量地面控制点来间接求解，工作量大、周期长；在高原、荒漠等难以创建大量地面控制点的区域又很难获取较高精度的摄影测量成果。近年来，无人机因其灵活、方便等优势，在作为相机搭载平台并应用于低空摄影测量这一领域得以迅速推广。通常情况下，无人机搭载经过畸变校正的单反相机进行摄影测量，由飞行控制系统自动控制无人机进入到预定航线，在预定航摄点控制相机曝光，在布设很多像控点的情况下完成测量制图工作。但是，由于无人机的航时与载荷限制，无法搭载专业的量测相机和高精度POS系统，不但仅能完成小范围测绘制图，且搭载的相机精度不高，无法达到航空摄影测量的要求标准。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供基于IMU/DGPS的航空摄影测量系统，能够极大地减少外业控制点布设数量，提高大比例尺航空摄影测量的作业效率，进行高效率、高精度和大范围的低空摄影测量，且捕获图像质量高、畸变量小，同时提高了影像与POS数据匹配度，进而提高测量结果精确度，进一步地，还兼具重量轻和集成度高等优点。

本实用新型采用的技术方案为：

基于IMU/DGPS的航空摄影测量系统，其特征在于：包括定位定向系统、光耦隔离模块和中画幅量测相机，中画幅量测相机设置在无人机上，中画幅量测相机的脉冲输出端通过光耦隔离模块连接定位定向系统的低电平触发端；所述定位定向系统包括POS计算机、惯性测量单元、机载DGPS天线和地面DGPS基站接收机，POS计算机、惯性测量单元和机载DGPS天线均设置在无人机上，地面DGPS基站接收机设置在地面接收站点；惯性测量单元和机载DGPS天线的输出端分别电连接POS计算机，机载DGPS天线与DGPS基站接收机相互通讯。

进一步地，所述光耦隔离模块包括光耦，光耦原边正极连接外部3.3V直流电源，光耦原边负极连接中画幅量测相机的曝光脉冲输出端，中画幅量测相机曝光脉冲输出端输出5V曝光脉冲电平，光耦副边集电极分别连接光耦原边正极和POS计算机的低电平触发端。

进一步地，还包括用于连接无人机的相机支架和POS支架，相机支架包括上下平行并相互连接的顶板和底板，惯性测量单元设置在顶板上，底板上设有用于安装孔，中画幅量测相机的机身固定安装在安装孔内且中画幅量测相机镜头朝下设置，DGPS天线和POS计算机设置在POS支架上。

进一步地，所述相机支架和POS支架底部均匀布置有多个减震器。

本实用新型具有以下有益效果：

（1）通过集成定位定向系统和中画幅量测相机，兼具高空摄影测量的成像精度和低空摄影测量的灵活性，既能捕获高质量的原始影像，也能精确解算影像对应的高精度位置姿态数据，保证测绘成图的质量和精度，解决了集成系统的重量、体积等问题；同时，本实用新型通过POS系统搭载无人机进行低空摄影测量，单架次可获取100km²的5cm正射影像所需数据，无需布设大量地面控制点，大幅减少像控测量工作量，缩短航测生产周期，提高作业范围和作业效率；

（2）通过光耦隔离模块实现了相机曝光与POS系统记录Event数据的同步进行，保证其匹配度，进而提高测量精度，同时还能够在相机未曝光捕获影像时使POS系统处于未激活状态，避免记录无用Event数据干扰影像数据与POS数据的匹配。

附图说明

图1为本实用新型中航空摄影测量系统的结果示意图；

图2为本实用新型中光耦隔离模块的电路原理图；

图3为本实用新型的工作流程图。

附图标记说明：

1、机载DGPS天线；2、POS计算机；3、POS支架；4、减震器；5、惯性测量单元；6、中画幅量测相机；7、相机支架；8、光耦隔离模块。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括定位定向系统、光耦隔离模块8和中画幅量测相机6，中画幅量测相机6设置在无人机上，中画幅量测相机6的脉冲输出端通过光耦隔离模块8连接定位定向系统的低电平触发端；所述定位定向系统包括POS计算机2、惯性测量单元5、机载DGPS天线1和地面DGPS基站接收机，POS计算机2、惯性测量单元5和机载DGPS天线1均设置在无人机上，地面DGPS基站接收机设置在地面接收站点；惯性测量单元5和机载DGPS天线1的输出端分别电连接POS计算机2，机载DGPS天线1与DGPS基站接收机相互通讯；

本实用新型的测量方法包括以下步骤：

A、航摄准备：标定中画幅量测相机6，获取中画幅相机内方位元素和畸变参数，同时，完成地面接收站点设备的安装与调试；

B、采集原始影像、Event数据和校验数据；具体过程为：

b1：中画幅量测相机6接收曝光脉冲信号并打开相机快门；

b2：快门打开至一半时，中画幅量测相机6曝光脉冲由5V变为0V，光耦导通并触发POS计算机2；

b3：中画幅量测相机6曝光采集原始影像，POS计算机2标记并记录该时刻Event数据，地面接收站点同步获取该时刻检校场检校数据；所述Event数据包括GPS数据和IMU数据；

C、获取影像数据和影像外方位元素：

影像外方位元素获取过程包括以下步骤：

c1：将机载DGPS天线1获取的机载GPS数据与将地面接收站点获取的基站GPS数据进行后差分GPS处理；

c2：将步骤c1所得后差分GPS处理数据与IMU数据进行联合运算；

c3：将检校数据进行偏心分量修正；

c4：结合步骤c2所得运算结果和步骤c3所得修正结果求解影像数据对应的外方位元素值。

为了更好地理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步说明。

如图1所示，本实用新型公开了一种基于IMU/DGPS的航空摄影测量系统，包括定位定向系统、光耦隔离模块8、中画幅量测相机6、用于连接无人机的相机支架7和POS支架3，相机支架7包括上下平行并相互连接的顶板和底板，惯性测量单元5设置在顶板上，底板上设有用于安装孔，中画幅量测相机6的机身固定安装在安装孔内且中画幅量测相机6镜头朝下设置，机载DGPS天线1和POS计算机2设置在POS支架3上，相机支架7和POS支架3底部均匀布置有多个减震器4，用以对设备进行隔冲减振。中画幅量测相机6的脉冲输出端通过光耦隔离模块8连接定位定向系统的低电平触发端。

定位定向系统包括POS计算机2、惯性测量单元5、机载DGPS天线1和地面DGPS基站接收机，POS计算机2、惯性测量单元5和机载DGPS天线1均设置在无人机上，地面DGPS基站接收机设置在地面接收站点；惯性测量单元5和机载DGPS天线1的输出端分别电连接POS计算机2，机载DGPS天线1与DGPS基站接收机相互通讯。

本实用新型由中画幅量测相机6与POS系统集成，体积小、重量轻，可以由无人机等轻型飞行平台搭载，快速响应航空摄影测量任务。同时，中画幅量测相机6能捕获高质量的原始影像，分辨率高、畸变量小，且采用IMU/DGPS技术可求解影像对应的高精度位置姿态数据。高质量的影像数据和POS数据为获取高精度的测绘产品奠定了基础，可广泛应用于低空大比例尺摄影测量。

中画幅量测相机6优选采用Phase One（飞思）iXU180相机，分辨率为10328×7760，搭配罗敦斯德50mm定焦镜头，其重量仅为1.7kg。该相机是为航空摄影测量专门设计的，具有外接电源接口、相机控制脉冲输入接口和曝光信号输出接口，外接电源接口能够供电机长时间拍摄使用，相机控制脉冲输入接口供相机接收外部设备的脉冲信号触发并曝光；相机曝光信号输出接口连接定位定向系统，用于触发定位定向系统记录相机曝光时刻的位置姿态信息。此外相机具有大容量数据存储能力和像移补偿功能，能够在航空摄影测量时用来抵消在航速较快情况下带来的像移模糊。

定位定向系统（POS）采用Trimble（天宝）AP20，主要用于采集、存储量测相机曝光时刻的位置姿态数据。定位定向系统能够对全球导航卫星系统和惯性导航系统获得的数据信息进行融合解算，得到传感器的空间坐标、旋转角、速度、加速度和角速率等参数，且具备事件标记（Event mark）功能，接收相机曝光时刻输出的信号，标记并存储同时刻的位置姿态等数据信息。

如图2所示，光耦隔离模块8包括光耦，光耦原边正极通过电阻R1连接外部3.3V直流电源，R1=1KΩ，光耦原边负极连接中画幅量测相机6的曝光脉冲输出端，中画幅量测相机6曝光脉冲输出端输出5V曝光脉冲电平，光耦副边集电极通过电阻R2连接外部3.3V直流电源，R2=1KΩ，且光耦副边集电极连接POS计算机2的低电平触发端。

中画幅量测相机6通电后，其曝光脉冲（MEP）输出为5V低电平，相机快门打开一半时，MEP输出变为0V低电平，由于定位定向系统为低电平触发，即相机曝光中间时刻输出的低电平脉冲触发POS系统记录Event数据。当量测相机未通电时，其MEP为0V低电平，会触发POS系统记录Event数据；此时相机并未曝光捕获影像，POS系统记录的Event数据无用，将干扰影像数据与POS数据的匹配。

本实用新型中光耦隔离模块8的原理为：采用外接3.3V电源给光耦模块供电，当相机加电时，MEP为5V电平，光耦未接通，OUT端为3.3V电平，不会触发POS记录Event数据；当相机曝光，MEP变为0V电平时，光耦接通，OUT端为0V低电平，触发POS记录Event数据。当相机未加电时，光耦未接通，OUT端为3.3V电平，不会触发POS记录Event数据。通过光耦隔离模块8实现了相机曝光与POS系统记录Event数据一一对应。

如图3所示，本实用新型的工作流程包括以下步骤：

A、航摄准备：标定中画幅量测相机6，获取中画幅相机内方位元素和畸变参数，同时，完成地面接收站点设备的安装与调试；

B、采集原始影像、Event数据和校验数据；具体过程为：

b1：中画幅量测相机6接收曝光脉冲信号并打开相机快门；

b2：快门打开至一半时，中画幅量测相机6曝光脉冲由5V变为0V，光耦导通并触发POS计算机2；

b3：中画幅量测相机6曝光采集原始影像，POS计算机2标记并记录该时刻Event数据，地面接收站点同步获取该时刻检校场检校数据；所述Event数据包括GPS数据和IMU数据；

C、获取影像数据和影像外方位元素：

影像外方位元素获取过程包括以下步骤：

c1：将机载DGPS天线1获取的机载GPS数据与将地面接收站点获取的基站GPS数据进行后差分GPS处理；

c2：将步骤c1所得后差分GPS处理数据与IMU数据进行联合运算；

c3：将检校数据进行偏心分量修正；

c4：结合步骤c2所得运算结果和步骤c3所得修正结果求解影像数据对应的外方位元素值。

本实用新型中定位定向系统的工作原理为：通过中画幅量测相机6捕获原始影像数据，通过POS系统采集相机曝光时刻的POS传感器数据（惯性测量数据和GPS数据），在航测任务结束后，对GPS数据进行后差分处理，与IMU数据进行联合解算，最终得到与影像对应的外方位元素。

POS系统通过惯性测量单元5的加速度计和陀螺仪以200Hz的频率测量速度和倾向角度的变化，把这些变化值叠加到已知初始值，计算载体当前的位置、速率和倾向。加速度计和陀螺仪并不完全精确，惯性测量系统会随着时间逐渐积累误差。通过GPS接收机不断获取载体独立的位置、速率等数据，数据更新频率5Hz，在运动过程中频繁修正惯性测量以控制其误差积累。

定位定向系统（POS）的参数设定主要包括以下几个方面：

1）、摄影中心空间位置的确定

对定位定向系统的DGPS天线和一个或多个地面基准站的GPS接收机记录的载波相位观测量进行测后数据处理并与惯性测量数据联合解算，得到每一个观测历元时刻机载GPS天线相位中心的空间位置，水平方向精度可达±5cm，垂直方向精度±10cm。在中画幅量测相机6与定位定向系统集成时，GPS天线相位中心和量测相机投影中心相对位置关系保持不变，通过坐标转换即可得到相机投影中心的空间位置。

2)影像姿态参数的确定

通过对定位定向系统数据解算获取的姿态数据反映IMU的滚转角φ、俯仰角θ和航向角ψ，滚转角和俯仰角测量精度为±0.015°，航向角测量精度为0.035°。由于IMU与量测相机集成时IMU三轴陀螺坐标系和量测相机像空间辅助坐标系之间存在角度偏差(Δφ,Δω,Δκ)，因此对解算获取的姿态数据进行空间坐标系角度变换计算即得到影像的姿态参数(φ，ω，κ)。

3)相机曝光与POS标记时间同步

中画幅量测相机6和定位定向系统工作是相互独立的，GPS信号的历元时刻Ti与量测相机的曝光时刻Tj往往不同步。由于飞行器航速较快，短时间偏移会造成较大的距离误差；根据量测相机曝光脉冲记录的IMU姿态参数也会由于时间不同步而存在误差，从而影响定位精度。

外部设备发送脉冲控制中画幅量测相机6曝光，中画幅量测相机6在曝光的中间时刻输出脉冲信号，通过光耦隔离模块8后，低电平脉冲触发定位定向系统，标记并记录该时刻的GPS和IMU数据。中画幅量测相机6曝光摄影时间极短，其曝光摄影期间飞行器飞行速度为相对匀速，采用线性内插或低阶多项式拟合的方法实现时间偏移消除。当DGPS天线的数据更新率大于1Hz，由两个相邻GPS历元Ti和Ti+1(Ti＜Tj＜Ti+1) 的天线位置线性内插出的Tj时刻的天线位置，实现其满足航空摄影测量的精度要求目的。

本实用新型由中画幅量测相机6与高精度POS系统集成，保证了原始影像的高质量和测绘制图的高精度，其结构紧凑，便于应用到无人机等轻量飞行平台。系统具备单架次100km²以上5cm分辨率影像数据的获取能力，能极大地减少了外业控制点布设数量，提高了摄影测量的生产效率。

需要指出的是，本实用新型能够实现低空大比例尺航空摄影测量应用，不仅能够应用于高原、荒漠等难以创建大量地面控制点区域的摄影测量，也可应用于公路、铁路、电力、水利等线路工程规划勘测中的摄影测量，同时还能应用于智慧城市建设中基础地理信息的摄影测量、应急救灾中反映出地质灾害灾情数据的高分辨率数据获取等诸多领域。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。