GodWork-AT解算GPS輔助空中三角測量數(shù)據(jù)測試分析

方 偉 湯江龍 陳大凱

（東華理工大學測繪工程學院 江西南昌 330013）

1 引言

在過去的幾年里，全球無人機技術發(fā)展迅猛，相較于傳統(tǒng)航攝與衛(wèi)星遙感，測繪無人機擁有快捷高效、操作簡易、精確度高等優(yōu)勢，能夠在不同地面和復雜氣象條件下進行航測，無人機可在云下飛行，彌補了衛(wèi)星光學遙感受云層遮擋無法獲取影像的缺陷，可在多云的天氣條件下開展工作[1]，能廣泛的應用于智慧城市建設、災害緊急治理、國土監(jiān)測等領域。

傳統(tǒng)無人機航測不足之處:①采用非量測相機作為傳感器，鏡頭畸變差大，多達幾十甚至上百個像素的畸變差；②飛行航線維持不穩(wěn)定，所拍攝的航攝影像相對于常規(guī)航空攝影像片旋偏角大、航線彎曲度大、影像重疊度不規(guī)則等[2]。

按照傳統(tǒng)的航攝加密要求，布設像控點時會因為無人機航攝本身的問題導致野外像控點數(shù)量大幅增加。理論上，采用GPS輔助空中三角測量解算的方法，可以減少外業(yè)測量的工作量和提升工作成效，并且在常規(guī)航空攝影測量中已被廣泛應用，但是對于小型低空航攝平臺和非量測小相幅相機的組合，GPS輔助空三的精度情況及技術規(guī)范目前還不完善。本文目的在于探究無人機和小相幅單反相機作為航攝儀條件下，使用安設的動態(tài)GPS接收機獲取的攝站坐標來替代地面控制點進行攝影測量加密的方法，以實現(xiàn)少量地面控制點的低空攝影測量大比例尺地形測圖。

2 Godwork介紹及GPS輔助空三加密概述

2.1 GodWork介紹

GodWork是一個針對無人飛機像幅小、姿態(tài)不穩(wěn)定、重疊度大、非專業(yè)相機等特征的航測數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)。

2.2 GPS輔助空三加密概述

GPS輔助空中三角測量是利用安裝于飛機上與航攝儀相連接的和設在地面上一個或多個基準站上的至少兩臺信號接收機同步而連續(xù)地觀測衛(wèi)星信號、同時獲取航空攝影瞬間航攝儀快門開啟脈沖，通過載波相位測量差分定位技術的離線數(shù)據(jù)后處理獲取航攝儀曝光時刻攝站的三維坐標，然后將其視為附加值引入攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差中，經采用統(tǒng)一的數(shù)學模型和算法以整體確定物方點位和像片方位元素并對其質量進行評定的理論、技術和方法[3]。

3 實驗數(shù)據(jù)

試驗區(qū)相對高差達50米左右，地勢比較平緩，屬于平原地帶。本次實驗共有506張影像圖，面積為3平方公里，航向重疊80%左右，旁向重疊55%左右，地面分辨率0.05m，共11條航帶。航拍的時間總共為65min，在航拍的途中沒有出現(xiàn)GPS信號中斷的現(xiàn)象，此次航拍中雙相機同步曝光的精度在3ms以內。航攝技術參數(shù)如表1。試驗區(qū)選取明顯特征點作為像控點和檢驗點，無人機航線圖如圖1。為了使航拍圖片控制點和檢查點的精度得到保證，其坐標采用GPS實時差分技術獲取。

表1 航攝技術參數(shù)表

圖1 無人機航線圖

4 GodWork解算GPS輔助空三數(shù)據(jù)的關鍵技術

4.1 采集航攝影像

本文主要探究的是在無人機安置小相幅單反相機作為航拍儀條件下，GPS輔助空三的精度與控制點分布和個數(shù)的關系。實驗實施主要內容包括：①無人機航飛，采集航攝影像；②控制點測量；③GPS差分后處理；④GPS輔助空中三角測量。在航攝中關鍵技術為航攝平臺傳感器集成和同步、多模GPS差分后處理以及GPS輔助空中三角測量。實驗使用兼容GPS/GLONASS/北斗的多模GPS接收機，觀測到衛(wèi)星個數(shù)很大程度上增加，正常情況下可以達到20顆，即使在飛行器大幅傾斜是也有七八顆衛(wèi)星，保證了連續(xù)高精度定位，GPS/GLONASS/北斗的組合定位技術則是其中的關鍵。在我國北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)建設完成后，也可直接將多模系統(tǒng)轉換為北斗系統(tǒng)，有利于數(shù)據(jù)安全和提升我國北斗產業(yè)發(fā)展。

4.2 GPS差分后處理

使用際上空間Caravel PP軟件處理差分GPS數(shù)據(jù)包括以下四個步驟：①新建工程；②添加GPS基站和GPS流動站數(shù)據(jù)，并輸入準確基站坐標、天線高；③使用Caravel PP軟件的默認配置，進行動態(tài)差分定位；④輸出相機曝光時刻的經緯度和橢球高，使用際上空間坐標轉換工具轉換至目標坐標系坐標，并利用大地水準面數(shù)據(jù)進行精化，將GPS橢球高經大地水準面擬合至1985國家高程基準。

4.3 GPS輔助空中三角測量

使用GodWrok天工無人機攝影測量軟件，首先按照傳統(tǒng)無人機處理方案采用全控制的作業(yè)方法獲得空三加密精度，其次采用GPS輔助少量控制點控制并逐步增加控制點的方法進行測試。

5 成果分析

5.1 GPS差分后處理結果分析

無人機航跡如圖1所示，航跡均呈現(xiàn)綠色，表明差分載波相位解算過程中，整周模糊度保持不變，定位精度小于5cm。點擊菜單->顯示->繪圖，分別繪制東向標準差、北向標準差和橢球高標準差，分別如圖2所示，其中東向和北向標準差在無人機開始飛行后迅速收斂，在航帶內均小于2cm，橢球高標準差收斂后小于3.5cm。

圖2 差分GPS東向、北向和高程定位標準差

5.2 GPS輔助空中三角測量處理結果分析

為了驗證GodWork解算GPS輔助空三的精度以及實用性，本測區(qū)共506張影像，共布設控制點86個。分別按照常規(guī)全控制點空三、部分控制點空三、部分控制點+差分GPS空三的原則進行分析計算，并逐步增加部分控制點的數(shù)目。將加密完的空三成果導入MapMatrix4.1中，運用點精度檢查工具對每個像控點進行精度檢查，自動計算出每個點的殘差值，最后計算平面和高程中誤差，比較結果如表2。

表2 GPS輔助空中三角測量結果

6 結論

通過實驗結果中可以分析得出在相同控制點數(shù)目時有差分GPS輔助的測量結果比沒有差分GPS輔助的測量結果誤差更小，精度更高；在差分GPS輔助的情形下控制點數(shù)目越多測量結果誤差越小，精度越高。通過實驗探究可以得到在GPS輔助平差條件下，高程精度會有明顯提高；在有GPS輔助平差條件下，可以減少外業(yè)控制點個數(shù)。所以應用小像幅無人機影像，使用GPS輔助的空中三角測量技術，可以縮減至少70%的外業(yè)控制點。

在與實驗區(qū)相似的平原地區(qū)使用GPS輔助空中三角測量技術可以很大程度上減少地面控制點數(shù)量，其測圖成果符合低空攝影測量大比例尺地形測圖規(guī)范要求，也為小范圍的測繪應急保障提供了便利。

參考文獻：

[1]朱京海，徐光，劉家斌.無人機遙感系統(tǒng)在環(huán)境保護領域中的應用研究[J].環(huán)境保護與循環(huán)經濟，2011，31(09):45-48.

[2]任志明，李永樹，何敬，等.基于姿態(tài)數(shù)據(jù)的無人機影像自動刺點功能研究[J].測繪通報，2011(4):44-46.

[3]趙俊羽，貴仁義，米鴻燕.GPS輔助空中三角測量在大比例尺航空攝影測量中的實驗研究[J].2010(2):25-26.