差分GPS無人機(jī)航測技術(shù)測試及分析

吳波濤，劉 斌，李云帆，張 煜

(1.云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，昆明 650021；2.長江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010)

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差分GPS無人機(jī)航測技術(shù)測試及分析

吳波濤1，劉 斌1，李云帆2，張 煜2

(1.云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，昆明 650021；2.長江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010)

低空無人機(jī)航測技術(shù)存在著很多技術(shù)短板，GPS輔助空中三角測量是低空無人機(jī)航測技術(shù)研究的突破口之一?；诖?，結(jié)合曲靖市羅平縣阿崗水庫灌區(qū)無人機(jī)航測項(xiàng)目，介紹了差分GPS無人機(jī)航測技術(shù)的原理及作業(yè)流程。采用全控制和部分控制的布點(diǎn)方案，將差分GPS的解算結(jié)果參與空中三角測量加密，并與常規(guī)方法進(jìn)行對(duì)比，得出差分GPS無人機(jī)航測技術(shù)的一些結(jié)論及建議。結(jié)果表明，差分GPS技術(shù)的應(yīng)用可大幅提高無人機(jī)作業(yè)的精度和效率。

無人機(jī)航測技術(shù)；差分GPS；空中三角測量加密；技術(shù)流程；精度分析

1 研究背景

近年來在地理國情、土地確權(quán)等國家項(xiàng)目的推動(dòng)下，低空無人機(jī)航測技術(shù)得到了快速的發(fā)展,并已經(jīng)成功應(yīng)用于很多項(xiàng)目，成為航測技術(shù)研究的熱點(diǎn)[1-2]。不過該技術(shù)也有很多技術(shù)短板，如飛行的影像旋偏大、重疊度不規(guī)則、像幅小、數(shù)碼相機(jī)的畸變大等，大大增加了空中三角測量(下稱空三)作業(yè)的難度，還要求野外布設(shè)高密度的像控點(diǎn)才能滿足精度要求，從而制約了該技術(shù)的推廣應(yīng)用[3-4]。隨著差分GPS技術(shù)的發(fā)展，GPS輔助空三已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，它也是低空航測技術(shù)研究的突破口[5-6]。其作業(yè)原理是：差分GPS能準(zhǔn)確獲得航空攝影時(shí)刻攝影中心的空間位置并將其作為帶權(quán)觀測值參與區(qū)域網(wǎng)平差，可以減少大量的地面控制點(diǎn)[7]。

本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目對(duì)無人機(jī)差分GPS航測技術(shù)進(jìn)行測試,并與常規(guī)航測作業(yè)方法進(jìn)行精度對(duì)比，來驗(yàn)證它的可行性及優(yōu)越性，以實(shí)現(xiàn)少量的地面控制點(diǎn)的低空攝影測量大比例地形圖，從而達(dá)到減少作業(yè)成本，提高工作效率的目的。

2 測區(qū)概況

為了驗(yàn)證無人機(jī)差分GPS航測技術(shù)的精度，在云南省曲靖市羅平縣阿崗水庫灌區(qū)1∶2 000地形圖測繪項(xiàng)目上采用全控制和部分控制2種方案進(jìn)行測試。該項(xiàng)目范圍是：104°14′12″E—104°26′59E，24°47′37″N—24°59′42″N。該測區(qū)位于曲靖市羅平縣城南北邊，地形屬于丘陵，地物復(fù)雜，交通方便。測區(qū)飛行面積21 km2，共有22條航線(航向重疊度80%，旁向重疊度50%)，其中2條構(gòu)架航線，共拍攝了1 412張影像，分辨率0.1m。影像清晰，曝光適合，重疊度及影像質(zhì)量達(dá)到規(guī)范要求。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 技術(shù)流程

項(xiàng)目于2015年10月10日在曲靖市羅平縣實(shí)施飛行任務(wù)，搭載尼康D800相機(jī)(焦距35 mm)和際上空間AG200(5HZ)航空型多模雙頻GNSS接收機(jī)；地面基站采用南方GPS(S82-T)。在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方面，GNSS定位解算采用際上空間高精度GNSS差分后處理軟件Caravel PP；空中三角測量軟件使用inpho5.6版本數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，支持低空無人飛行器影像相機(jī)檢校及高精度GPS輔助空三解算；精度檢查采用航天遠(yuǎn)景MapMatrix4.1。

應(yīng)用差分GPS的無人機(jī)航測技術(shù)的主要工作流程及注意事項(xiàng)如下。

3.1.1 AG200與無人機(jī)的安裝與同步

GNSS天線在飛機(jī)上安裝位置選擇是否合理關(guān)系到GNSS接收機(jī)能否正常工作，安裝時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)：

(1) GNSS天線應(yīng)避免飛機(jī)其它部位的遮擋，以保證GNSS接收機(jī)能接收到盡可能多的衛(wèi)星信號(hào)。

(2) GNSS天線應(yīng)安裝在飛機(jī)頂部縱軸中心線上，以減小飛機(jī)姿態(tài)的變化而影響接收衛(wèi)星信號(hào)的效果。

(3) GNSS天線附近應(yīng)無干擾源，以防影響GNSS的正常工作。飛機(jī)上的干擾源主要是無線電臺(tái)的發(fā)射天線，GNSS天線離發(fā)射天線的距離最好>1 m。

(4) GNSS天線位置應(yīng)避開飛機(jī)應(yīng)力集中的部位和飛機(jī)震動(dòng)較大的地方。

(5) 確定GNSS天線位置應(yīng)考慮到便于測量GNSS天線與相機(jī)主光軸的偏心，較理想情況是安裝在相機(jī)正上方。

GNSS天線安裝好以后，與GNSS接收機(jī)相連接。與此同時(shí)，GNSS接收機(jī)的Event Marker端口與飛機(jī)飛控系統(tǒng)控制相機(jī)曝光的脈沖信號(hào)端口相連，以在GNSS數(shù)據(jù)中記錄航攝曝光的精確時(shí)間。

3.1.2 基站的架設(shè)及航飛

在測區(qū)內(nèi)需架設(shè)GPS基站進(jìn)行靜態(tài)觀測，基站的位置基本要在測區(qū)范圍內(nèi)，AG200與基站的有效范圍為30 km，基站越在測區(qū)中央，差分精度越好。本次基站架設(shè)在測區(qū)的邊上，基站離測區(qū)最遠(yuǎn)的地方19 km滿足設(shè)備要求?；炯茉O(shè)的位置坐標(biāo)需明確，可以是已知的控制點(diǎn)，也可以是未知點(diǎn)。本次選擇的是未知點(diǎn)，用RTK觀測了坐標(biāo)值。航拍前15 min開始靜態(tài)觀測，待AG200接收機(jī)信號(hào)穩(wěn)定后起飛，航線設(shè)計(jì)時(shí)加設(shè)了構(gòu)架航線，分別垂直于航行的兩側(cè)。航飛結(jié)束后10 min再終止基站靜態(tài)觀測。

3.1.3 GNSS差分后處理

使用際上空間Caravel PP軟件處理差分GNSS數(shù)據(jù)包括以下6個(gè)步驟：①數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，如基站坐標(biāo)、基站靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)和GNSS動(dòng)態(tài)接收數(shù)據(jù)；②新建工程；③添加GNSS基站和GNSS流動(dòng)站數(shù)據(jù)，并輸入基站坐標(biāo)、天線高；④使用Caravel PP軟件的默認(rèn)配置，進(jìn)行動(dòng)態(tài)差分定位；⑤輸出相機(jī)曝光時(shí)刻的經(jīng)緯度和橢球高；⑥均勻地取9個(gè)像控點(diǎn)求七參數(shù)及高程擬合值，用南方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作將輸出的pos數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到北京54坐標(biāo)及85高程基準(zhǔn)上。

3.1.4 GNSS輔助空中三角測量

使用inpho5.6進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，首先按照常規(guī)方式進(jìn)行像控點(diǎn)刺點(diǎn)及平差，統(tǒng)計(jì)平差結(jié)果，然后先四角平高、2排高程，再逐步增加控制點(diǎn)帶GNSS分多次進(jìn)行平差比較，統(tǒng)計(jì)平差結(jié)果。控制點(diǎn)的選刺方案如表1。

表1 控制點(diǎn)選刺方案

3.2 精度分析

3.2.1 GNSS差分后處理結(jié)果

GNSS 差分后處理后航跡曝光點(diǎn)大部分呈現(xiàn)綠色，表明差分載波相位解算過程中，整周模糊度得到固定解，定位精度<5 cm。解算報(bào)告顯示無人機(jī)開始飛行后迅速收斂，在航帶內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差均<2 cm，橢球高標(biāo)準(zhǔn)差收斂后<3 cm。后差分解算后情況如圖1。

圖1 后差分解算結(jié)果

通過GGPOS軟件后差分解算后，航跡pos點(diǎn)結(jié)果未出現(xiàn)紅色點(diǎn)，相對(duì)定位精度都達(dá)到5 cm以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差收斂情況良好。飛行過程中差分經(jīng)緯度和橢球高的波動(dòng)圖如圖2。

圖2 差分結(jié)果

3.2.2 七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果

在測區(qū)均勻地選擇9個(gè)像控點(diǎn)，用南方GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具計(jì)算七參數(shù)及高程擬合值。用不參與計(jì)算七參數(shù)的10個(gè)像控點(diǎn)校核七參數(shù)的精度及高程擬合值的精度，計(jì)算中誤差。精度滿足要求后，將pos數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到北京54坐標(biāo)及85高程基準(zhǔn)。檢核結(jié)果如表2。

表2 檢核結(jié)果

3.2.3 GNSS輔助空中三角測量精度分析

按照表1的像控點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行空三加密。每種方法都分別用加差分不加差分來平差得出相應(yīng)的結(jié)果。將加密完的空三成果導(dǎo)入航天遠(yuǎn)景Map Matrix4.1中，運(yùn)用點(diǎn)精度檢查工具對(duì)每個(gè)像控點(diǎn)進(jìn)行精度檢查，自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的殘差值，最后計(jì)算平面和高程中誤差，比較結(jié)果如表3。表中給出了在同樣條件下，使用差分GNSS輔助和未使用的控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的精度值對(duì)比，體現(xiàn)了差分GNSS輔助空三在無人機(jī)航空攝影測量的優(yōu)勢。

表3 控制點(diǎn)精度檢查結(jié)果

Table 3 Precision check results of control points

控制點(diǎn)數(shù)目是否有差分GNSS輔助控制點(diǎn)中誤差/m檢查點(diǎn)中誤差/m平面Y高程平面Y高程備注(高程限差1m)96(全控制)否0.620.936個(gè)點(diǎn)高程超限96(全控制)是0.430.693個(gè)高程點(diǎn)超限22否0.991.520.921.4674%高程超限22是0.871.230.891.3860%高程超限27否0.891.330.801.1144%高程超限27是0.760.930.780.8933%高程超限43否0.510.800.610.9340%高程超限43是0.490.740.560.7125%高程超限50否0.530.830.600.9134%高程超限50是0.550.670.530.8414%高程超限

4 結(jié)論及建議

(1) 在GNSS輔助平差條件下空三平差的精度比常規(guī)航測作業(yè)方法普遍高。

(2) 針對(duì)小相幅低空無人飛行器影像，在地形起伏不大的丘陵地帶使用GNSS輔助的空中三角測量技術(shù)，可以減少50%左右的外業(yè)控制點(diǎn)。為了獲得全面的評(píng)估，建議在復(fù)雜的山區(qū)地形對(duì)該技術(shù)做更多的測試。

(3) 差分GPS四角平高，2排高程的布點(diǎn)方案在丘陵地形高程精度還不能保證，對(duì)于高程精度要求高的項(xiàng)目，不能采用該布點(diǎn)方案。其主要是由于小相幅單反相機(jī)的鏡頭畸變大、基高比小，造成高程精度較差。這也是低空無人機(jī)技術(shù)的一大難題。建議選用畸變小的專業(yè)航攝相機(jī)，并采取相應(yīng)的措施增大相機(jī)相幅和基線長。

(4) 原相機(jī)參數(shù)使用LED校正，該方法獲得的畸變參數(shù)存在一定誤差，使用該畸變參數(shù)做常規(guī)空三獲得的像點(diǎn)點(diǎn)云呈弧形狀，高程誤差較大。改用武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室檢校場方法后，相機(jī)焦距有明顯變化，基本可以滿足空三處理要求。建議使用檢校場方法校正相機(jī)參數(shù)，條件不允許情況下可使用檢校場方法。

(5) 建議將GNSS后差分平差后的pos數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)系坐標(biāo)時(shí)，必須使用準(zhǔn)確的七參數(shù)。七參數(shù)計(jì)算的關(guān)鍵是控制點(diǎn)選取的位置及控制點(diǎn)的精度。轉(zhuǎn)換后七參數(shù)必須經(jīng)過校核合格才能使用。

(6) 本項(xiàng)目最大困難為高程精度問題，在有構(gòu)架航線的條件下差分GPS輔助空三使用常規(guī)50%左右的控制點(diǎn)才能滿足精度要求，而平面精度在使用測區(qū)四角少數(shù)幾個(gè)控制點(diǎn)情況下即可滿足要求。因此建議在航飛設(shè)計(jì)時(shí)最好增加構(gòu)架航線，而且該航線最好比測區(qū)航高高出15%才會(huì)有較好的效果。

[1] 袁修孝. GPS輔助空三角測量原理與應(yīng)用[M].北京：測繪出版社，2001.

[2] 金 偉，葛宏立，杜華強(qiáng)，等.無人機(jī)遙感發(fā)展與應(yīng)用概況[J].遙感信息，2009, (1):10-13.

[3] 李德仁，李 明.無人機(jī)遙感系統(tǒng)的研究進(jìn)展和應(yīng)用前景[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2014，(5)：33-39.

[4] 王宏濤，何 榮，郭增長. 精密單點(diǎn)定位技術(shù)在空中三角測量中的應(yīng)用研究[J]. 測繪科學(xué)，2011，36(3):73-75.

[5] 魏 葦.基于差分GPS的變電站巡檢機(jī)器人定位導(dǎo)航系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

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[7] 趙 海，韓祖杰. 應(yīng)用差分GPS技術(shù)的鐵路航測成圖方案[J]. 地理空間信息，2010，8(3)：15-16.

(編輯：黃 玲)

Testing and Analysis on Differential GPSAerial Drones Technology

WU Bo-tao1,LIU Bin1,LI Yun-fan2,ZHANG Yu2

(1.Yunnan Institute of Water & Hydropower Engineering Investigation, Design and Research，Kunming 650021，China； 2.Institute of Spatial Information Technology Application，Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010，China)

Low-altitude unmanned aerial vehicle(UAV) technology has many defects, and GPS-supported aero triangulation is one of the breakthrough of this technology. With the aerial drones project of Argonne reservoir irrigation in Luoping County of Qujing City as a research background, we described the principle and operation procedure of the differential GPS aerial UAV technology. By using the full-control and partial-control distribution plan of monitoring points, the solution of the differential GPS was involved in aerial triangulation and compared with that of conventional aerial operation method. Furthermore, we gave several conclusions and recommendations for differential GPS aerial drone technology. The results show that the application of differential GPS technology could greatly improve the operation accuracy and efficiency of UAV.

unmanned aerial vehicle；differential GPS；aerial triangulation；technology process；accuracy analysis

2016-08-11；

2016-08-30

吳波濤(1970-)，男，云南呈貢人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閿z影測量與遙感，(電話)13987116160(電子信箱)Wbt5190523@126.com。

10.11988/ckyyb.20160821

2017,34(1):142-144，154

TP317.4

A

1001-5485(2017)01-0142-03