一种基于AI免像控点的无人航拍自动成像系统

技术领域

本发明涉及航空摄影技术领域，特别是指一种基于AI免像控点的无人航拍 自动成像系统。

背景技术

传统的大飞机航空摄影测量具有航时长、机动性差、实时性低、成本较高、 精度受限、不适合危险区域等缺点，近几年迅速发展起来的无人机低空数字航 空摄影测量技术弥补了传统有人机航测的不足，正逐步成为卫星遥感、有人机 遥感和地面遥感的有效补充手段，特别适用于快速获取小面积、飞行困难地区 高精度的大比例尺数字地图。然而，无人机航测影像的像幅较小、像对较多， 且影像质量易受天气和飞行质量的影响，无人机低空摄影测量的像控点数量更 多、分布要求更高，像控测量的外业工作量更大。

无人机飞控的GPS单点定位精度太差，三维建模是需要使用大量的像控点 去矫正图像的畸变，但是有些特殊地形外业人员很难不舍像控点，为了减轻工 作量，减少大部分像控点甚至不需要像控点，就必须提高飞机POS点的经度，PPK 技术均可达到厘米级精度。PPK基准站保持连续观测，初始化后的流动站迁站到 下一个待定点并保持对卫星的连续跟踪，在定位观测后，对两台GPS接收机所 采集的数据进行测后的联合处理，从而计算出流动站在响应时间上的坐标位置。 无人机倾斜摄影所拍摄的照片，通过采用PPK技术所产生的坐标位置，将其写 入照片中，对三维建模具有很重要的意义，后期也不需要进行图像畸变的矫正 工作。因此设计一种基于免像控PPK数据的倾斜摄影影像智能写入方法是十分 有必要的。

发明内容

本发明提出一种基于AI免像控点的无人航拍自动成像系统，能够以解决上 述背景技术中提出的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于AI免像控点的无人航拍自动成 像系统，包括无人机设备，所述无人机设备为固定翼无人机，其上搭载有电源 模块、通信模块、激光扫描仪、GNSS高精度定位模块、MEMS惯性导航模块、IMU 姿态测量模块、高速数据采集存储模块和全画幅航摄相机；

具体步骤包括：

a.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；

b.三维航线绘制、架设基站：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；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；

c.获取移动站和基准站所存储的数据信息，解算三维地理坐标信息，将获 取到的位置数据通过特定计算机软件进行线性组合，形成虚拟的载波相位观测 量，确定接收机之间的相对位置，引入基准站的已知坐标，获得无人机航拍的 三维坐标；

d.自动飞行与拍摄，由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；

e.导入当次无人机低空摄影航拍照片，EXIF信息读取：无人机拍摄照片按 照指定轨迹路线进行等距或等时拍照，记录数码照片的属性信息和拍摄数据， 通过软件读取EXIF信息，获取相应照片的位置信息；

f.导入当次无人机飞行所采集到PPK处理后的坐标信息，保存处理后的数 据为CSV格式的文件，通过本系统导入CSV格式文件并读取PPK处理数据，一 键导入PPK数据到航拍照片中

g.附加综合系统误差参数的免像控点空三计算；

h.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。

作为优选，所述全画幅航摄相机刚性固定连接在IMU姿态测量模块下方并 与其电信号连接；所述自驾仪模块分别与GNSS高精度定位模块、通信模块和IMU 姿态测量模块电信号连接，MEMS惯性导航模块通过相机曝光线与全画幅航摄相 机连接；地面设置有与通信模块电信号连接控制模块；所述GNSS高精度定位模 块、MEMS惯性导航模块和通信模块均与电源模块电连接。

作为优选，所述GNSS高精度定位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。

作为优选，测量山区地形时，若山区起伏小，即山区内部高差小，在相同 地面分辨率的要求下，相对航高基本相同，这样所有航线就处于相同的绝对航 高；若山区起伏大，即山区内部高差大，在相同地面分辨率的要求下，航线就 处于不同的绝对航高。

作为优选，所述步骤a中相机参数精准测定，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)。

作为优选，所述步骤b中，利用测定的相机参数、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。

作为优选，所述步骤d中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。

作为优选，所述步骤f中一键导入PPK数据到航拍照片包括以下步骤：判 断导入航拍照片是否存在POS点坐标；根据当次无人机航拍照片与PPK后处理 数据进行数量匹配，依次匹配导入。

与现有技术相比，本发明的优点在于：可以批量多次导入航拍照片，对导 入的照片进行影像质量检测，分析出是航线内坐标误差范围，快速进行PPK数 据写入及轨迹图的绘制。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。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。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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作出创造性 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：参见图1，一种基于AI免像控点的无人航拍自动成像系统，包括 无人机设备，所述无人机设备为固定翼无人机，其上搭载有电源模块、通信模 块、激光扫描仪、GNSS高精度定位模块、MEMS惯性导航模块、IMU姿态测量模 块、高速数据采集存储模块和全画幅航摄相机；

具体步骤包括：

a.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；

b.三维航线绘制、架设基站：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；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；

c.获取移动站和基准站所存储的数据信息，解算三维地理坐标信息，将获 取到的位置数据通过特定计算机软件进行线性组合，形成虚拟的载波相位观测 量，确定接收机之间的相对位置，引入基准站的已知坐标，获得无人机航拍的 三维坐标；

d.自动飞行与拍摄，由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；

e.导入当次无人机低空摄影航拍照片，EXIF信息读取：无人机拍摄照片按 照指定轨迹路线进行等距或等时拍照，记录数码照片的属性信息和拍摄数据， 通过软件读取EXIF信息，获取相应照片的位置信息；

f.导入当次无人机飞行所采集到PPK处理后的坐标信息，保存处理后的数 据为CSV格式的文件，通过本系统导入CSV格式文件并读取PPK处理数据，一 键导入PPK数据到航拍照片中

g.附加综合系统误差参数的免像控点空三计算；

h.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。

作为优选，所述全画幅航摄相机刚性固定连接在IMU姿态测量模块下方并 与其电信号连接；所述自驾仪模块分别与GNSS高精度定位模块、通信模块和IMU 姿态测量模块电信号连接，MEMS惯性导航模块通过相机曝光线与全画幅航摄相 机连接；地面设置有与通信模块电信号连接控制模块；所述GNSS高精度定位模 块、MEMS惯性导航模块和通信模块均与电源模块电连接。

作为优选，所述GNSS高精度定位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。

作为优选，测量山区地形时，若山区起伏小，即山区内部高差小，在相同 地面分辨率的要求下，相对航高基本相同，这样所有航线就处于相同的绝对航 高；若山区起伏大，即山区内部高差大，在相同地面分辨率的要求下，航线就 处于不同的绝对航高。

作为优选，所述步骤a中相机参数精准测定，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)。

作为优选，所述步骤b中，利用测定的相机参数、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。

作为优选，所述步骤d中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。

作为优选，所述步骤f中一键导入PPK数据到航拍照片包括以下步骤：判 断导入航拍照片是否存在POS点坐标；根据当次无人机航拍照片与PPK后处理 数据进行数量匹配，依次匹配导入。

本发明的该基于免像控PPK数据的倾斜摄影影像智能写入方法，可以批量 多次导入航拍照片，对导入的照片进行影像质量检测，分析出是航线内坐标误 差范围，快速进行PPK数据写入及轨迹图的绘制。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。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。

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 收机接收坐标信息，静态基站电台总成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姿态测量模块、全画幅和机载GNSS 高精度定位模块触发脉冲。IMU姿态测量模块根据脉冲标记时间并记录角度信息。 全画幅根据脉冲标记时间并拍摄照片。机载GNSS高精度定位模块根据脉冲标记 时间并记录坐标信息。完成一次信号传输过程。

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姿态测 量模块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高精度定位模块可利用静态PPK或动态RTK两种 模式精准获取曝光点的空间坐标。

利用软件分析无人机航线坐标轨迹，通过基准站和无人机流动站同步接收 的数据进行线性组合，形成虚拟的载波相位观测量，确定接收机之间的相对位 置，引入基准站的已知坐标，获得无人机航拍的三维坐标。将所得的三维坐标 通过比对方式，查找补漏等手段智能写入到照片EXIF信息中，实现精准的三维 建模效果；通过PPK技术实现了免像控拍摄照片导入坐标信息，完成高精度航 空摄影制图，大面积实景三维重建过程中，避免模型区块合并时出现的错位、 分层等问题容易导致模型空三失败，进而无法重建模型。

免像控方案优势外业无需布设相控：缩短外业时间，山涧河谷地带可缩减 10倍；人员设备更加安全，无需频繁奔波跋涉。内业提高空三效率：空三无需 刺点，让空中三角测量变得智能化；空三时间缩短，让专业步骤变得简单化。 保证全图统一精度：立体测图，平面10cm，高程5cm；三维测图，平面3cm，高 程5cm。开云慧飞免像控解决方案极大缩减用户外业、内业时间，提高航测精度， 从根本上解决航测精度控制问题开云慧飞两大核心技术——POS精化及高精度 相机检校两大核心技术解决了空中三角测量的核心问题，航片曝光时刻的三维 位置(外方位元素)，航摄相机畸变参数(内方位元素)，将精确的内外方位元素提供给空三软件，保证空三100％成功。POS精化POS位置为RTK天线估计杆 臂效应的POS精化。

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。