CN106959100A - 利用gnss天线中心坐标进行摄影测量绝对定向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用GNSS天线中心坐标进行摄影测量绝对定向的方法，包括：步骤10)获取航空摄影过程中各摄影瞬间GNSS接收机天线中心在地面摄影测量坐标系中的坐标；步骤20)获取航空摄影测量的相对定向成果数据；步骤30)以各摄影瞬间GNSS天线中心的三维坐标为已知数据，进行绝对定向，计算绝对定向元素，得到航空像片的外方位元素。该方法无需精密IMU即可实现无地面控制点的摄影测量。

Description

利用GNSS天线中心坐标进行摄影测量绝对定向的方法

技术领域

本发明属于摄影测量领域，具体来说，涉及一种利用全球卫星导航***(英文全称：Global Navigation Satellite System，文中简称：GNSS)天线中心坐标进行摄影测量绝对定向的方法。

背景技术

摄影测量包含相对定向和绝对定向两个重要过程。相对定向无需地面控制点，而绝对定向常常需要地面控制点来实现，而无需地面控制点的摄影测量方法都需要高精度的POS***(定姿定位***)支持。目前，世界上常用的两款高精度IMU/DGPS***分别为加拿大Applanix公司的POS AV系列产品和德国IGI公司的AEROcontrol系列产品(张祖勋，张剑清.数字摄影测量学.武汉大学出版社出版时间:2012年7月第二版)。它们不仅价格昂贵，而且几何尺寸和产品重量只能应用于大型无人机。小型旋翼无人机的飞行导航***MIMU/GNSS的定姿定位精度还无法满足低空摄影测量中有关规范的精度要求(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.《IMU/GPS辅助航空摄影技术规范》GB/T27919.1-2011)。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是：提供利用GNSS天线中心坐标进行摄影测量绝对定向的方法，该方法无需精密IMU即可实现无地面控制点的摄影测量。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种利用GNSS天线中心坐标进行摄影测量绝对定向的方法，该方法包括：

步骤10)获取航空摄影过程中各摄影瞬间GNSS接收机天线中心在地面摄影测量坐标系中的坐标表示天线中心的横坐标，表示天线中心的纵坐标，表示天线中心的高程，j表示摄影区域内的像片编号；

步骤20)获取航空摄影测量的相对定向成果数据，所述数据包括各张像片拍摄瞬间物镜中心的三维坐标和像片的相对角元素(ω_j,κ_j)，表示摄影中心的横坐标，表示摄影中心的纵坐标，表示摄影中心的高程，表示像片的俯仰角，ω_j表示像片的侧滚角，κ_j表示像片的旋转角；

步骤30)以各摄影瞬间GNSS天线中心的三维坐标为已知数据，进行绝对定向，计算绝对定向元素，得到航空像片的外方位元素。

作为优选例，所述的步骤30)具体包括：

步骤301)获取GNSS接收机天线中心在航摄仪像空间坐标系中的坐标(x_G,y_G,z_G)；

步骤302)绝对定向的函数公式，如式(1)：

其中，λ表示绝对定向的比例缩放参数，R_J表示由Φ,Ω,K构成的旋转矩阵，Φ表示绝对定向的俯仰角，Ω表示绝对定向的侧滚角，K表示绝对定向的旋转角，(ΔX,ΔY,ΔZ)表示绝对定向的坐标平移参数，R_j表示由相对定向元素(ω_j，κ_j)构成的旋转矩阵；

步骤303)建立绝对定向的误差方程式，如式(2)所示：

式中，v_X表示横坐标改正数，v_Y表示纵坐标改正数，v_Z表示高程坐标改正数；

(ΔX,ΔY,ΔZ)表示绝对定向的三个坐标平移量；

Δλ表示绝对定向的缩放系数；

Φ,Ω,K表示绝对定向的三个姿态角；

l_X表示横坐标常数项，l_Y表示纵坐标常数项，l_Z表示高程常数项；

步骤304)计算绝对定向未知数：利用最小二乘法原理，将相对定向成果数据和GNSS天线中心坐标数据代入式(2)，计算绝对定向参数，实现摄影测量绝对定向；所述绝对定向参数包括：ΔX、ΔY、ΔZ、Φ、Ω、K、λ；

步骤305)计算各像片的外方位元素，其中外方位元素的摄影位置依据式(3)计算：

式中，λ表示绝对定向的比例缩放参数，R_J表示由Φ,Ω,K构成的旋转矩阵，Φ表示绝对定向的俯仰角，Ω表示绝对定向的侧滚角，K表示绝对定向的旋转角，表示相对定向数据中的各张像片拍摄瞬间物镜中心三维坐标，(ΔX,ΔY,ΔZ)表示绝对定向的坐标平移参数，表示绝对定向后中的各张像片拍摄瞬间物镜中心三维坐标；

外方位元素的姿态角依据式(4)计算姿态角构成的旋转矩阵：

其中，R_J表示由Φ,Ω,K构成的旋转矩阵，Φ表示绝对定向的俯仰角，Ω表示绝对定向的侧滚角，K表示绝对定向的旋转角；R_j表示由相对定向元素ω_j,κ_j构成的旋转矩阵；表示由绝对定向元素构成的旋转矩阵。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：无需精密IMU即可实现无地面控制点的摄影测量，成本低。本发明利用高精度的GNSS PPK技术，根据GNSS后处理获得的高精度GNSS天线三维坐标，利用GNSS天线中心坐标进行摄影测量绝对定向，在无需精密IMU情况下实现无地面控制点的摄影测量。本发明无需采用价格昂贵重量较大的IMU进行无地面控制点的摄影测量。本发明尤其适用于多旋翼无人机进行无地面控制点的低空摄影测量。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明GNSS PPK与航空摄影仪位置图；

图3为本发明实施例三维建模示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明实施例的一种利用GNSS天线中心坐标进行摄影测量绝对定向的方法，包括：

步骤10)获取航空摄影过程中各摄影瞬间GNSS接收机天线中心在地面摄影测量坐标系中的坐标表示天线中心的横坐标，表示天线中心的纵坐标，表示天线中心的高程，j表示摄影区域内的像片编号；

步骤20)获取航空摄影测量的相对定向成果数据，所述数据包括各张像片拍摄瞬间物镜中心的三维坐标和像片的相对角元素(ω_j,κ_j)，表示摄影中心的横坐标，表示摄影中心的纵坐标，表示摄影中心的高程，表示像片的俯仰角，ω_j表示像片的侧滚角，κ_j表示像片的旋转角；

步骤30)以各摄影瞬间GNSS天线中心的三维坐标为已知数据，进行绝对定向，计算绝对定向元素，得到航空像片的外方位元素。

所述的步骤30)具体包括：

步骤301)获取GNSS接收机天线中心在航摄仪像空间坐标系中的坐标(x_G,y_G,z_G)；

步骤302)绝对定向的函数公式，如式(1)：

其中，λ表示绝对定向的比例缩放参数，R_J表示由Φ,Ω,K构成的旋转矩阵，Φ表示绝对定向的俯仰角，Ω表示绝对定向的侧滚角，K表示绝对定向的旋转角，(ΔX,ΔY,ΔZ)表示绝对定向的坐标平移参数，R_j表示由相对定向元素(ω_j,κ_j)构成的旋转矩阵；

步骤303)建立绝对定向的误差方程式，如式(2)所示：

式中，v_X表示横坐标改正数，v_Y表示纵坐标改正数，v_Z表示高程坐标改正数；

(ΔX,ΔY,ΔZ)表示绝对定向的三个坐标平移量；

Δλ表示绝对定向的缩放系数；

Φ,Ω,K表示绝对定向的三个姿态角；

l_X表示横坐标常数项，l_Y表示纵坐标常数项，l_Z表示高程常数项；

步骤304)计算绝对定向未知数：利用最小二乘法原理，将相对定向成果数据和GNSS天线中心坐标数据代入式(2)，计算绝对定向参数，实现摄影测量绝对定向；所述绝对定向参数包括：ΔX、ΔY、ΔZ、Φ、Ω、K、λ；

步骤305)计算各像片的外方位元素，其中外方位元素的摄影位置依据式(3)计算：

式中，λ表示绝对定向的比例缩放参数，R_J表示由Φ,Ω,K构成的旋转矩阵，Φ表示绝对定向的俯仰角，Ω表示绝对定向的侧滚角，K表示绝对定向的旋转角，表示相对定向数据中的各张像片拍摄瞬间物镜中心三维坐标，(ΔX,ΔY,ΔZ)表示绝对定向的坐标平移参数，表示绝对定向后中的各张像片拍摄瞬间物镜中心三维坐标；

外方位元素的姿态角依据式(4)计算姿态角构成的旋转矩阵：

其中，R_J表示由Φ,Ω,K构成的旋转矩阵，Φ表示绝对定向的俯仰角，Ω表示绝对定向的侧滚角，K表示绝对定向的旋转角；R_j表示由相对定向元素ω_j,κ_j构成的旋转矩阵；表示由绝对定向元素构成的旋转矩阵。

本发明利用GNSS天线中心坐标进行绝对定向，代替了传统摄影测量利用地面控制点进行绝对定向的方法。这避免了野外测量控制点的工作量，减轻了测量工作强度。尤其在无人机低空摄影测量方面，实现了无需价格昂贵载荷较重的高精度IMU***就可以进行无控制点摄影测量，为摄影测量企事业单位提供了廉价的摄影测量工作方式，具有巨大的经济价值

下面例举一实施例

本实施例包含两条航线，每条航线选取两张像片，共四张像片进行计算。四张像片分别用P1、P2、P3、P4表示。图3为本实施例的四张像片经过相对定向构建的三维模型示意图，包含了12个模型点，S₁、S₂、S₃、S₄是四张像片的摄影中心位置，G₁、G₂、G₃、G₄是四张像片的摄影时GNSS天线中心，01、02、10、11、12、、13、20、21、22、23、31、32表示像片连接点点号。

计算和实施的过程如下：

1、已知数据：GNSS接收机天线中心在航空摄影仪像空间坐标系中的坐标：

2、采用GNSS PPK(对应英文：post processed kinematic，中文翻译为：动态后处理技术，文中简称PPK)技术得到GNSS接收机天线中心的坐标如表1所示。

表1

3、获取相对定向数据：

4、解算方程式的联立：

利用式(2)建立误差方程式，本实施例情况下，按间接平差原理计算7个绝对定向参数，计算结果为：

5、各张像片的外方位元素计算：

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种利用GNSS天线中心坐标进行摄影测量绝对定向的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤10)获取航空摄影过程中各摄影瞬间GNSS接收机天线中心在地面摄影测量坐标系中的坐标 表示天线中心的横坐标，表示天线中心的纵坐标，表示天线中心的高程，j表示摄影区域内的像片编号；

步骤20)获取航空摄影测量的相对定向成果数据，所述数据包括各张像片拍摄瞬间物镜中心的三维坐标和像片的相对角元素 表示摄影中心的横坐标，表示摄影中心的纵坐标，表示摄影中心的高程，表示像片的俯仰角，ω_j表示像片的侧滚角，κ_j表示像片的旋转角；

步骤30)以各摄影瞬间GNSS天线中心的三维坐标为已知数据，进行绝对定向，计算绝对定向元素，得到航空像片的外方位元素。

2.按照权利要求1所述的利用GNSS天线中心坐标进行摄影测量绝对定向的方法，其特征在于，所述的步骤30)具体包括：

步骤301)获取GNSS接收机天线中心在航摄仪像空间坐标系中的坐标(x_G,y_G,z_G)；

步骤302)绝对定向的函数公式，如式(1)：

$\left[\begin{array}{c}{X}_{G_j}\\ Y_{G_j}\\ Z_{G_j}\end{array}\right]={\mathrm{\λR}}_J\left[\begin{array}{c}{X}_{S_j}\\ Y_{S_j}\\ Z_{S_j}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}X\\ \mathrm{\Δ}Y\\ \mathrm{\Δ}Z\end{array}\right]+R_J{R}_j\left[\begin{array}{c}{x}_G\\ y_G\\ z_G\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，λ表示绝对定向的比例缩放参数，R_J表示由Φ,Ω,K构成的旋转矩阵，Φ表示绝对定向的俯仰角，Ω表示绝对定向的侧滚角，K表示绝对定向的旋转角，(ΔX,ΔY,ΔZ)表示绝对定向的坐标平移参数，R_j表示由相对定向元素构成的旋转矩阵；

步骤303)建立绝对定向的误差方程式，如式(2)所示：

式中，v_X表示横坐标改正数，v_Y表示纵坐标改正数，v_Z表示高程坐标改正数；

(ΔX,ΔY,ΔZ)表示绝对定向的三个坐标平移量；

Δλ表示绝对定向的缩放系数；

Φ、Ω、K表示绝对定向的三个姿态角；

l_X表示横坐标常数项，l_Y表示纵坐标常数项，l_Z表示高程常数项；

步骤304)计算绝对定向未知数：利用最小二乘法原理，将相对定向成果数据和GNSS天线中心坐标数据代入式(2)，计算绝对定向参数，实现摄影测量绝对定向；所述绝对定向参数包括：ΔX、ΔY、ΔZ、Φ、Ω、K、λ；

步骤305)计算各像片的外方位元素，其中外方位元素的摄影位置依据式(3)计算：

式中，λ表示绝对定向的比例缩放参数，R_J表示由Φ,Ω,K构成的旋转矩阵，Φ表示绝对定向的俯仰角，Ω表示绝对定向的侧滚角，K表示绝对定向的旋转角，表示相对定向数据中的各张像片拍摄瞬间物镜中心三维坐标，(ΔX,ΔY,ΔZ)表示绝对定向的坐标平移参数，表示绝对定向后中的各张像片拍摄瞬间物镜中心三维坐标；

外方位元素的姿态角依据式(4)计算姿态角构成的旋转矩阵：

其中，R_J表示由Φ,Ω,K构成的旋转矩阵，Φ表示绝对定向的俯仰角，Ω表示绝对定向的侧滚角，K表示绝对定向的旋转角；R_j表示由相对定向元素ω_j,κ_j构成的旋转矩阵；表示由绝对定向元素构成的旋转矩阵。