差分GPS數(shù)據(jù)對無人機空三精度影響的探討

劉竹均 王 義

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610083)

1 概述

無人機航空攝影具有靈活性強，現(xiàn)勢性高，響應快速，受天氣條件、空域管制影響較小等特點。近年來，該技術在高速鐵路航空攝影大比例制圖、搶險應急制圖、大比例工點制圖等項目中發(fā)揮了重要的作用。無人機航攝系統(tǒng)搭載的多為非量測相機，致使其所航攝影像基線短、像幅小、畸變大，往往需要野外布設大量的地面控制點進行空三加密，極大地制約了無人機技術在大比例制圖中的生產效率。

差分GPS輔助空中三角測量：利用與航攝儀相連接的機載GPS接收機和設在地面上的一個或多個基準站GPS接收機同步觀測[1]，采用GPS載波相位測量差分定位技術，獲取航攝儀曝光時刻攝站的三維坐標。將差分后的攝站三維坐標作為觀測值，引入區(qū)域網進行空三加密，可輔助確定像片方位元素[2]。王紅蓮[3]、鄭亮本[4]等對差分GPS輔助無人機空中三角測量技術進行了試驗和探討，試驗數(shù)據(jù)表明，采用差分GPS輔助無人機影像空三，能在保證精度的前提下減少控制點布設數(shù)量。以往的差分GPS輔助空三技術是將GPS數(shù)據(jù)用于自動連接點的提取和相對定向，其目的是增強區(qū)域網的內部連接精度。以下研究將高精度的像主點差分GPS數(shù)據(jù)與外業(yè)控制點共同作為區(qū)域網平差的輸入值，輔助區(qū)域網無外控區(qū)域的絕對定向，以提升整網的空三加密精度。以此為出發(fā)點，探索加入和不加入像主點差分GPS數(shù)據(jù)對無人機影像空三加密精度的影響。

2 項目情況介紹

以某高鐵一個測區(qū)為試驗區(qū)，該試驗區(qū)位于丘陵地帶，高程為600～700 m，地形等級為Ⅱ級[5]。試驗區(qū)長度約為10 km，寬度約為6 km(長方形)，共布設16條航線，無人機航高約500 m，共拍攝無人機影像999張，布設地面控制點73個；航攝儀參數(shù)見表1。

表1 航攝儀參數(shù)

采用YS-D1無人機差分GPS系統(tǒng)獲取無人機航飛影像的像主點差分GPS坐標數(shù)據(jù)。YS-D1是一套完整的高精度機載差分系統(tǒng)，可在高動態(tài)環(huán)境下采集數(shù)據(jù)并精確解算。其精度技術指標見表2。

表2 YS-D1差分系統(tǒng)的精度技術指標

3 無人機空三加密流程

采用inpho Match-AT和Pix4DMapper軟件相結合的方式，進行無人機影像的數(shù)據(jù)處理和空三加密數(shù)據(jù)處理。inpho Match-AT是一款主流的空三加密軟件，具有較高的自動化處理能力，能夠自動匹配大量、高精度的連接點，減少人工參與，提高工作效率。然而無人機原始影像畸變較大，且飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，IMU精度較低，原始的無人機數(shù)據(jù)無法直接為inpho所用。因此，需要對無人機數(shù)據(jù)進行預處理工作。Pix4DMapper是當今市場領先的集全自動、快速、高精度為一體的無人機影像數(shù)據(jù)處理軟件，可自動、批量化地處理無人機原始影像數(shù)據(jù)，解算相機的畸變參數(shù)，生成畸變改正后的影像。無人機影像空三加密技術流程如圖1所示。

圖1 無人機影像空三加密流程

3.1 Pix4DMapper無人機影像預處理

采用Pix4DMapper軟件進行無人機影像的預處理，一般要經過以下幾個流程。

(1)GPS數(shù)據(jù)坐標轉換

GPS數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)為WGS84坐標(B，L)和大地高系統(tǒng)(H)，而高速鐵路航測制圖的坐標系一般為獨立分帶的工程坐標系和正常高系統(tǒng)。因此，空三加密使用的像主點GPS數(shù)據(jù)應首先進行坐標和高程系統(tǒng)的轉換處理，并將其經緯度坐標轉換為成圖所要求的工程坐標系統(tǒng)。

(2)測區(qū)工程建立

導入無人機原始影像和差分GPS數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可自動識別航攝儀相機參數(shù)。

(3)區(qū)域網相對定向

利用差分GPS數(shù)據(jù)匹配像點坐標，進行區(qū)域網相對定向。

(4)成果輸出

輸出畸變改正后的影像，并導出外方位元素(包含線元素和角元素)。

3.2 inpho Match-AT無人機影像空三加密

利用inpho Match-AT軟件進行無人機影像的空三加密，一般要經過以下幾個步驟。

(1)測區(qū)工程建立

包括相機文件的設定、畸變改正后的無人機影像和外方位元素的導入、航線的創(chuàng)建編輯、控制點導入等。

(2)創(chuàng)建影像金字塔

建立金字塔影像可以提升像點匹配、平差計算等運算速度。金字塔影像也被用于影像瀏覽和漫游，對于經過Pix4DMapper畸變改正后的影像，影像格式為*.jpg(自帶金字塔則無需建立金字塔影像)。

(3)自動提取連接點

利用Pix4D-Mapper輸出的精度更高的外方位元素，使用inphoMatch-AT模塊自動提取連接點，進行區(qū)域網相對定向。

(4)外業(yè)控制點量測

根據(jù)刺點示意圖，量測控制點。

(5)區(qū)域網平差

根據(jù)量測的控制點坐標進行區(qū)域網平差，采用“外控點坐標單獨平差”(下稱“不帶差分GPS平差”)和“加入差分GPS坐標與外控點坐標聯(lián)合平差”(下稱“帶差分GPS平差”)兩種平差方法，來分析差分GPS數(shù)據(jù)對區(qū)域網絕對定向和空三加密精度的影響；

(6)輸出空三加密成果。

4 試驗方案及精度統(tǒng)計

4.1 試驗布點方案

設計了6種布點試驗方案(如圖2所示)。其中，沒有參與區(qū)域網平差的外控點將被當作檢查點用以評定空三加密精度，各布點方案使用的定向點和檢查點數(shù)，如表3所示。

全測區(qū)6種布點試驗方案如下。

(1)五點法：全測區(qū)共布設五個平高控制點，分別布設在測區(qū)的四角和中間位置。

(2)六點法：全測區(qū)沿測區(qū)周邊共布設六個平高控制點。

(3)八點法：全測區(qū)沿測區(qū)周邊共布設八個平高控制點。

(4)雙五點法：全測區(qū)沿測區(qū)周邊共布設六個平高控制點，測區(qū)中央布設四個平高控制點，控制點呈梅花狀分布。

(5)九點法：全測區(qū)均勻布設九個平高控制點。

(6)十三點法：全測區(qū)共布設十三個平高控制點，控制點呈梅花狀分布。

表3 各種布點試驗方案對應的定向點和檢查點數(shù)

圖2 無人機影像布點方案示意(△為控制點，其余為檢查點)

4.2 空三加密精度統(tǒng)計及結果分析

通過統(tǒng)計6種布點試驗方案并采用兩種區(qū)域網平差的方式(不帶差分GPS和帶差分GPS)，來分析像主點差分GPS數(shù)據(jù)對無人機影像空三加密精度的提升效果，空三加密質量的評定以檢查點點位和高程中誤差為依據(jù)。中誤差的計算公式為[5]

(1)

(2)

其中，檢查點坐標誤差Δi(i=X，Y，Z)為檢查點的空三加密解算坐標與其外業(yè)實際測量坐標的較差，實際精度是由n個檢查點的坐標誤差Δi分別按照式(1)、式(2)計算，結果如表4所示。

表4 無人機影像空三加密檢查點精度評定結果統(tǒng)計 m

圖3 無人機空三加密檢查點精度評定(單位：m)

由表4和圖3可以看出：

(1)在本試驗區(qū)域，加入像主點差分GPS數(shù)據(jù)進行區(qū)域網平差，對區(qū)域網的高程精度有較大的提升，提升幅度達到0.2～0.3 m，說明較高精度的像主點差分GPS數(shù)據(jù)對區(qū)域網高程數(shù)據(jù)的絕對定向解算起到了良好的輔助作用，能夠在沒有控制點的區(qū)域輔助定向，提升區(qū)域網的高程精度；另一方面，是否加入像主點差分GPS數(shù)據(jù)對像點的平面精度影響不大。

以上試驗數(shù)據(jù)表明，加入和不加入差分GPS數(shù)據(jù)進行區(qū)域網平差均能滿足《TB 10050—2010鐵路工程攝影測量規(guī)范》Ⅱ級地形1∶1 000空三加密點點位中誤差不大于0.91 m的精度要求，但只有采用加入差分GPS數(shù)據(jù)進行區(qū)域網平差的方法才能滿足規(guī)范中空三加密點高程中誤差不大于0.5 m的精度要求[5]。

(2)在加入差分GPS數(shù)據(jù)進行區(qū)域網平差的結果中，各方案的像點平面精度均可達到0.4 m左右，差異不大；高程方面，除全測區(qū)八點法和全測區(qū)雙五點法外，其他四種布點試驗方案的精度相差不大，檢查點高程中誤差均在0.7m左右。在加入差分GPS數(shù)據(jù)進行區(qū)域網平差的方法中，六種方案像點平面精度幾乎一致，沒有太大的提升；高程方面，五點法的高程精度較其他五種布點試驗方案稍顯遜色，但其高程精度也能達到0.45 m左右。

以上計算試驗數(shù)據(jù)表明，在進行無人機影像空三加密的過程中，布點方案對空三加密精度的影響遠小于航飛過程加入像主點差分GPS數(shù)據(jù)對空三加密精度的影響。

5 結論

采用Pix4DMapper軟件對無人機影像進行預處理，采用inpho Match-AT軟件進行無人機影像空三加密的數(shù)據(jù)處理。研究了加入像主點差分GPS數(shù)據(jù)和不同外控點布設方案對無人機影像空三加密精度的影響。試驗結果表明，加入像主點差分GPS坐標和外控點坐標聯(lián)合進行區(qū)域網平差較不加入差分GPS數(shù)據(jù)平差，區(qū)域網高程精度可以提升0.2～0.3 m，且能滿足《TB 10050—2010鐵路工程攝影測量規(guī)范》Ⅱ級地形1∶1 000空三加密點點位中誤差不大于0.91 m，高程中誤差不大于0.5 m的空三精度要求；而在加入差分GPS數(shù)據(jù)進行無人機影像空三加密的基礎上，外業(yè)控制點的布設方案對空三加密精度的影響較小。

在高山、密林區(qū)域，外業(yè)布設控制點困難程度較高，可供選擇的刺點地物也相對較少，若能使用差分GPS坐標聯(lián)合外業(yè)控制點坐標進行區(qū)域網聯(lián)合平差的空三加密方法，可適量減少區(qū)域網刺點困難區(qū)域的外控點數(shù)量，在區(qū)域網的四周邊界使用全測區(qū)六點法、八點法布設控制點，即可保證空三加密精度。