免像控误差分析及1:500无人机航测免像控技术流程
摘要：本文分析了1：500免像控技术误差来源及流程，并建立测试场地，使用3VS测绘无人机，介绍使用流程，并验证了测绘无人机的免像控技术的精度。
关键词：免像控、1:500精度验证
引言
利用无人机进行航空摄影测量，其使用方便、快速获得成果，已经是测绘行业外业生产的主要方式。无人机航测如果采用普通GPS定位，其给出的位置误差较大，应用到空中三角测量中，较大的误差不能帮助成图软件算出准确的相机参数和位姿态数据，为了校正误差还需要实地布设大量像控点，其人力物力成本大大提高。
RTK/PPK差分定位系统的出现，其厘米级的定位系统，使得航测无人机在作业时，能够准确获取拍照时的GPS位置，能够大量减少像控点，减轻外业的工作量。但是，有些特殊地形（如山川、峡谷、河流等）外业人员很难布设像控点，为了减轻工作量，让外业人员无需再去布设控制点，免像控技术应运而生。
免像控技术是指无需任何控制点参与后期成图，其成图精度依然能够达到精度标准。而真正实现任何地形、任何场合的免像控技术，需要我们对无人机采集图像过程中产生的各种误差进行分析和解决，才能实现不分场合、不分地域的无人机航测免像控技术
1：500无人机航测免像控技术流程
影响无人机航测精度的因素主要来自于：相机的内方位元素、拍照时刻的外方位元素、其他相关因素。
1、相机内方位元素
相机内方位元素及畸变参数，是相机本身的固有参数，当镜头等机械结构固定不变时，参数不随相机拍照的时间和地点变化而变化。通常对相机内方位元素和畸变参数的处理分为两种：
利用拼图软件的空三算法，自适应出相机内方位元素和畸变参数。
使用检校软件对相机进行检校获得参数。而对于这两种方法，均有可能产生误差。
自检校的方法，需要给到拼图软件非常准确的相机外方位元素，或者利用控制点参与空三来算出检校参数。由于其他各种因素，准确的外方位元素较难获得，而使用控制点参与空三已经无法实现真正的免像控。
使用检校软件检校相机的内方位元素可行，但要看检校软件检校结果的准确性。检校软件检校出正确的相机内参，是需要可靠的检校软件和正确的检校方法。
选用3VS复合翼测绘无人机进行测试，使用摄影测量软件Photometrix，通过搭建室内专业检校环境，实现内方位元素的准确检校。下图为检校使用的环境和闪光灯设备，其中闪光灯设备能够保证检校光源稳定一致，不受外界环境影响。
检校使用的code
检校使用的闪光灯设备
将检校数据导入CameraCalibrator软件中，进行相机内方位元素检校。检校的结果可使用外业助手软件自动下载，成图时可自动加载。
下图为一次检校的相机检校光束图：
相机检校光束图
2、相机外方位元素
相机的外方位元素是空三过程非常重要的元素。外方位元素的准确度直接影响成图结果的精度。在无人机的航测流程中，相机的外方位元素无法直接获取，一般的做法是利用高精度RTK定位设备采集RTK天线的相位中心位置，采集到之后再偏移到相机的摄影中心。而这个过程存在两个误差来源：
（1）定位精度
定位精度的好坏直接影响最终成图精度。当前无人机航测搭载RTK设备对相机拍照时刻进行位置数据的采集。在此过程中，RTK设备输出的位置精度决定了最终相机的外方位元素是否准确。而影响RTK设备输出位置精度的因素有：
坐标统一
无人机搭载的RTK设备基于差分原理来达到厘米级定位，而其天空端位置是相对于基站位置的定位，一旦基站位置有偏移，天空端的位置则会存在整体偏移。而对于免相控系统来说，一旦天空端位置出现整体偏移，没有控制点纠正天空端误差，其成果或检查点则会出现整体偏差。所以在免相控系统中，基站坐标一定要与成果或检查点的坐标系统一或可直接转换。
PPK解算软件误差
无人机航测搭载的RTK设备在与基站通讯好的情况下，能够直接输出实时RTK的定位精度，但航测作业时，往往会遇到山区或别的情况导致电台通讯差的情况，此时RTK定位无法输出高精度定位，而事后差分PPK的方式，适用性更广。PPK解算软件的精度好坏也决定了天空端的定位精度。
准确的曝光时间及插值算法
相机曝光时间的同步是通过相机热靴引入RTK设备的EVENT口来进行采集的，其时间精度能够达到纳秒级。
一般RTK设备输出RTK定位或者PPK原始观测量的频率为20hz-100hz，而拍照时刻一般处在采样数据中间，如果无法准确插值出在0.05s间隔以内时间的位置，也将引入误差。
拍照时刻位置的建模模型可表示成如下公式：
其中，exposure代表曝光时刻的数据，lastfix代表曝光时刻最近的fix后的PVT数据，而gpsdelay包含了由相机或RTK设备产生的延迟时间。
无人机基站采用千寻定位，无需传统基站对准工作，也能保证飞机正常工作。使用“外业助手”对飞行数据进行解算，能够获取高精度的PPK解算结果，并且通过自有算法插值出曝光时间的准确位置。
（2）相机偏移
相机偏移的去除至关重要。对相机偏移的处理需准确测量偏移尺寸、准确测量相机安装角度、准确获取拍照时刻的姿态。
相机偏移是RTK天线的相位中心到相机的摄影中心的距离。RTK设备只能采集其天线的相位中心的位置，而在空三过程中，成图软件一般需要相机的摄影中心的GPS位置，所以需要我们对RTK采集的位置数据处理，将拍照时刻的GPS位置偏移，获得相机的摄影中心位置。
如下图所示：以相机的摄影中心建立ENU坐标系，相机的热靴朝向与坐标轴Y同向。
在此坐标系下，量出三个轴的相机偏移，但在测量时一般测量的是以机头方向为N向的ENU坐标系下，量出的相机摄影中心到RTK天线相位中心的值。因此，此时量出的数据并非最终的相机偏移，我们还需要知道相机相对机身的安装角度。一旦相机安装方向与机头方向相差一个角度，则此时的相机偏移需要旋转相差的角度得到新的相机偏移值。
而在相机拍照时刻，将RTK天线相位中心的值偏移到相机摄影中心则需要知道拍照时刻的姿态角，一般飞机输出的姿态角存在误差，直接使用飞机姿态角去除相机偏移也会产生误差。
（3）其他因素
免相控系统的误差来源不仅来源于上述两个大的因素，照片拍摄质量、航线规划均有可能导致免相控的失败。保证拍摄区域的覆盖率和分辨率能够达到设计覆盖率是免相控系统重要的因素之一。
上文分析了免像控过程中可能产生的误差，而想要在一次作业的复杂流程中， 完成真正地免像控，需要对每个流程把握完善，才能最终得到高精度成果。一次免像控作业的流程如下：
测绘无人机免像控案例分析
下面以3VS测绘无人机的一次免像控作业，介绍零度智控免像控测绘无人机的作业流程。
测区选择及准备
（1）测区范围及测区内检查点布设
此次测区选择1km^2面积的村镇和农田混合测区。布设12个检查点均匀分布至测区
检查点布设及坐标采集，布设的12个检查点如下图所示，对三角形靶标像控点，并用GPS-RTK测量每个检测点的固定解，测量精度在2cm以内。
（2）任务航线规划
使用“测绘助手”，选择好测区范围，需要飞行的分辨率以及载荷型号，区区几步即可规划好合理的航线。
本次实验设置航测分辨率为4cm，飞行高度为310m，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%，总共生成12条航线覆盖整个测区。飞行1个架次，飞行时间约20min。
上图为使用测绘助手规划出的任务航线，由于本次作业的海拔相对平坦，无需使用高程数据来规划航线。当出现测区海拔落差较大时，“测绘助手”提供了计算测区平均海拔功能和生成地形跟随航线，能够有效避免飞行成果不符合设计覆盖率或测区不同海拔区域分辨率不一致的情况。
（3）外业飞行
外业人员在布设好检查点后及测区任务规划后，进行任务规划。
外业人员到达现场后，开始组装飞机。
基站架设是地面准备重要的一步。传统的免像控作业，在架设基站时，需要使用三脚架设备对准地面已知点，并测量仪器高，多个环节人工操作，在对不熟悉业务的工作人员来说，不仅在架设基站的过程中花费较大时间，也极有可能引入系统误差，导致免像控成果精度不够。
准备工作完毕之后，开始飞行任务。
飞行过程中，飞机姿态平稳。
（4）数据预处理
外业工作完成后，使用“外业助手”软件对数据进行预处理工作。外业助手的主要功能对外业飞行的数据进行预处理，以实现成果的免像控精度。
打开“外业助手”，新建工程，将关键数据填写完整。
其中，坐标系支持选择国内常用的Beijing54、Xian80、CGCS2000等各种投影坐标系，也支持独立坐标系的七参数拟合和应用。
相机参数是软件自动导入此次飞机使用相机的检校参数，包含相机的内方位元素和畸变参数。3VS测绘无人机相机经过专业检校软件检校，检校结果准确可靠。
下图为此次相机检校的结果。
基站坐标的填写由作业方式决定，此次作业基站坐标由千寻进行了定位，基站坐标不需要填写。相机偏移参数默认了3VS测绘无人机的相机偏移参数。
参数填写完之后即可进行解算任务，如下图，解算步骤可选PPK解算、生成快速DOM、导出Photoscan工程。
“生成快速DOM”步骤，集成了零度智控的快速三维重建技术，在中等性能的机器上，能够做到20分钟处理完300张照片重建，给出最优的照片外方位元素估计，为后面的免像控精度提供了保障，且能够给出照片覆盖率等重要预评估信息。
“导出Photoscan工程”帮助客户快速生成建立好的Photoscan工程，搭配零度智控的Photoscan插件，能够快速执行拼图任务，处理过程中不需刺点，无人值守即可一步获取到DOM、DEM成果。
（5）正射图像生成
使用Photoscan插件，一步生成正射结果，正射图全局如下：
正射图全局
局部细节图如下:
局部细节图1
局部细节图2
从上图可以发现，正射图整体良好，房屋边缘拉花现象基本没有，细节还原好。
（6）DOM、DEM精度检查
为保证测量工作的准确性，在航飞区域测量特征点作为检核点，并采集出实测坐标值。分别在航测数据中提取出检核点图上坐标位置，与实测坐标进行比较分析数据的测量精度。
本文在GlobalMap中导入Photoscan生成的DOM、。DEM，检查正射影像和DEM精度。
检查标准按 误差分别优于2倍地表分辨率标准作为免像控标准。此次飞行的设计分辨率为4cm，分别对12个检查点计算中误差，其结果如下：
总误差统计如下：
本文分析了测绘免像控技术的误差来源及难点，针对3VS测绘无人机的一次免像控作业，介绍了3VS测绘无人机针对传统测绘技术可能存在的误差，实现的免像控解决方案，并最终验证了成果精度符合免像控标准。
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