基于PPK技術(shù)的消費(fèi)級無人機(jī)航測像控點(diǎn)布設(shè)方法優(yōu)化

唐磊　張振軍　楊松　施宏揚(yáng)

摘要：為了保證河道地形測量成果精度，大幅減少像控點(diǎn)野外布設(shè)的數(shù)量以及外業(yè)工作量，采用基于PPK技術(shù)的消費(fèi)級無人機(jī)對河南省淅川縣丹江河大橋工程區(qū)進(jìn)行低空攝影測量。共布設(shè)16個像控點(diǎn)，并用GNSSRTK測量各點(diǎn)的固定解，在地面已知點(diǎn)架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站，將其設(shè)置為與無人機(jī)機(jī)載GNSS接收機(jī)同步采集數(shù)據(jù)。制定了6種技術(shù)方案對內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，后期數(shù)據(jù)處理運(yùn)用ContextCapture軟件并將生成的DOM、DSM成果與真實測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究。結(jié)果表明：除方案3計算成果不滿足1：2000精度要求外，其余方案成果均滿足要求。相較于完全采用像控點(diǎn)測量，基于PPK消費(fèi)級無人機(jī)測量能夠減少像控點(diǎn)布設(shè)，解決了在復(fù)雜地區(qū)布設(shè)像控點(diǎn)困難的問題，提高了野外作業(yè)效率;但野外作業(yè)完全不依靠像控點(diǎn)完成影像采集能否滿足測圖需求，還需更多試驗數(shù)據(jù)分析。

關(guān)鍵詞：河道地形測量;像控點(diǎn)布設(shè);航測數(shù)據(jù)處理;消費(fèi)級無人機(jī);PPK;POS

中圖法分類號：P231文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.006

隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，消費(fèi)級無人機(jī)以其快捷方便、成本低廉、機(jī)動靈活及功能多樣化的優(yōu)勢成為河道地形測量數(shù)據(jù)采集的主要手段。但由于無人機(jī)攜帶的是非量測相機(jī)，且飛行不穩(wěn)定，生成的影像畸變差較大，在后續(xù)處理中需布設(shè)較多的控制點(diǎn)提高精度，加大了工作量。而基于后處理差分技術(shù)（Post-ProcessingKinematic，PPK）的無人機(jī)在保證測量成果精度的同時，大大減少了像控點(diǎn)野外布設(shè)的數(shù)量”。本文主要研究了兩種像控布設(shè)方案，即完全依靠野外像控點(diǎn)和僅使用PPK消費(fèi)級無人機(jī)航測，并對比分析兩種方案在河道地形測量中的精度。

1無人機(jī)航測PPK工作原理

GNSSPPK是一種基于載波相位測量的后處理差分定位技術(shù)，可在后處理情況下獲得厘米級的平面和高程定位結(jié)果。PPK作業(yè)模式利用同步觀測的1臺基準(zhǔn)站接收機(jī)和至少1臺流動站接收機(jī)對衛(wèi)星的載波相位進(jìn)行觀測;事后在計算機(jī)中利用GNSS處理軟件進(jìn)行線性組合，形成虛擬的載波相位觀測量值，確定接收機(jī)之間達(dá)到厘米級的相對位置;最后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到流動站在地方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)[2]。

無人機(jī)PPK即用無人機(jī)搭載配備PPK的高精度GNSS接收機(jī)，在地面布設(shè)1臺基準(zhǔn)站接收機(jī)對衛(wèi)星的載波相位進(jìn)行觀測，事后在專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行處理，得到每張像片正確的位置信息。而后將獲取的每張像片的外方位元素作為帶權(quán)觀測值參與攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差，可同時獲得高精度的內(nèi)、外方位元素成果，實現(xiàn)更精確的像片定向引。

2設(shè)備選型和技術(shù)路線

研究采用大疆精靈4RTK小型無人機(jī)，該系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)見表1。PPK系統(tǒng)采用中海達(dá)UBASE套裝，包含UBASE無人機(jī)地面站和后處理軟件2個部分，具體參數(shù)見表2。

無人機(jī)低空攝影測量的技術(shù)流程主要包括：飛行方案設(shè)計、像控點(diǎn)（檢測點(diǎn)）布設(shè)及測量、航空攝影數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理形成成果數(shù)據(jù)（DSM成果、DOM成果點(diǎn)云數(shù)據(jù)及DLG等）、精度統(tǒng)計、成果提.交等，具體作業(yè)流程見圖1。

3工程應(yīng)用案例

以河南省淅川縣丹江河大橋工程區(qū)無人機(jī)低空攝影測量為例，測圖比例尺1：2000，測區(qū)長度約3km，寬約1km。測區(qū)地處平原，地勢平坦，植被覆蓋少。首先進(jìn)行外業(yè)像控點(diǎn)的布設(shè)，采用四周均勻布設(shè)、少量內(nèi)部控制的方法，共布設(shè)16個像控點(diǎn)。采用GNSSRTK模式以圖根控制測量方法和精度現(xiàn)場實測像控點(diǎn)的三維坐標(biāo)。無人機(jī)航拍時在地面已知點(diǎn)架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站，將其設(shè)置為與無人機(jī)機(jī)載GNSS接收機(jī)同步采集數(shù)據(jù)。

在無人機(jī)航測的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，采用以下6種技術(shù)方案對消費(fèi)級無人機(jī)航測的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：①不采用PPK模式，采用全部16個像控點(diǎn)處理數(shù)據(jù);②不采用PPK模式，選用其中的6個像控點(diǎn)處理數(shù)據(jù)，即xk16、xk17、xk21、xk40、xk43、xk46;③不采用PPK模式，選用其中的4個像控點(diǎn)處理數(shù)據(jù)，即xk16、xk21、xk40、xk46;④采用PPK模式，以免像控的形式處理數(shù)據(jù);⑤采用PPK模式，選用其中的6個像控點(diǎn)處理數(shù)據(jù)，即k16、k17、xk21、xk40、xk43、xk46;⑥采用PPK模式，選用其中的4個像控點(diǎn)處理數(shù)據(jù)，即xk16、xk21xk40、xk46。外業(yè)像控點(diǎn)的具體布設(shè)方案見圖2～4。

3.1外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)

航攝作業(yè)前，在測區(qū)范圍內(nèi)采用四周均勻布設(shè)、少量內(nèi)部控制的方法，均勻布設(shè)了16個像控點(diǎn)，并用GNSSRTK測量每個點(diǎn)的固定解，測量精度滿足圖根點(diǎn)精度要求。

3.2無人機(jī)飛行設(shè)置

無人機(jī)飛行高度設(shè)置為250m，地面分辨率（GSD）為6.9cm，飛行速度7m/s，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，共飛行5個架次，拍攝照片604張。

3.3數(shù)據(jù)處理

后期數(shù)據(jù)處理軟件采用中海達(dá)UBASE后處理軟件和攝影測量處理軟件ContextCapture。在Con-textCapture中，根據(jù)項目需求設(shè)置相關(guān)參數(shù)，導(dǎo)人原始照片、POS數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)坐標(biāo)后，自動化處理后生成數(shù)字表面模型（DSM成果）正射影像圖（DOM成果）。

其中，非PPK模式POS數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入;PPK模式POS數(shù)據(jù)，首先采用中海達(dá)UBASE后處理軟件轉(zhuǎn)換為在地方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，再導(dǎo)入攝影測量處理軟件中，其余數(shù)據(jù)處理過程相同。具體流程見圖5。

3.4精度分析

作業(yè)人員在測區(qū)內(nèi)共布設(shè)16個像控點(diǎn)，采用GNSSRTK共施測653個裸地面高程點(diǎn)。首先，在采用上述6種方案處理數(shù)據(jù)生成的正射影像圖（DOM成果）中，分別提取布設(shè)的16個像控點(diǎn)平面坐標(biāo)，與GNSSRTK成果進(jìn)行對比分析，計算平面中誤差。然后從生成的數(shù)字表面模型（DSM成果）中，分別提取16個像控點(diǎn)和653個高程檢測點(diǎn)對應(yīng)的高程值，與GNSSRTK成果對比分析，計算高程中誤差。中誤差統(tǒng)計結(jié)果見表3，高程誤差分布見圖6。

按照GB/T17278-2009《數(shù)字地形圖產(chǎn)品基本要求》和GB/T15967-2008《1：5001：10001：2000地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》規(guī)定，基本等高距為1m的1：2000比例尺地形圖丘陵地平面位置精度中誤差不得大于1.2m，高程精度中誤差不得大于0.5m。由此可看出，除方案3計算成果不滿足1：2000要求精度外，其余方案成果均滿足要求精度。

4結(jié)論

通過分析6種方案獲得的航測數(shù)據(jù)質(zhì)量，可得出以下結(jié)論。

（1）全野外像控點(diǎn)、像控點(diǎn)的布設(shè)方案對成果精度的高低影響較大。目前廣泛采用的四周均勻布設(shè)少量內(nèi)部控制的方法能較大提高平面和高程精度。

（2）使用基于PPK技術(shù)的消費(fèi)級無人機(jī)作業(yè)，能夠減少像控點(diǎn)布設(shè)，解決了在復(fù)雜地區(qū)布設(shè)像控點(diǎn)困難的問題，提高了野外作業(yè)效率和成果精度。

盡管在某些應(yīng)急測繪作業(yè)中，僅采取PPK無人機(jī)作業(yè)也能發(fā)揮一定作用，但若完全不依靠像控點(diǎn)完成的影像采集能否滿足測圖需求，還需更多試驗數(shù)據(jù)分析。尤其是在植被覆蓋豐富地帶、測量高程精度較差的情況下，有必要對布設(shè)像控點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充測量。

參考文獻(xiàn)：

[1]仝紅菊，江峻毅，胡守超.無人機(jī)PPK技術(shù)在電力工程中的應(yīng)用[J].測繪通報，2018（S1）：108-111.

[2]王利鋒，王冰，楊令剛.Trimble無人機(jī)UX5HP在礦區(qū)測繪中的應(yīng)用[J].測繪通報，2017（2）：155-156.

[3]李天.基于RTK技術(shù)的無人機(jī)在大比例尺地形圖測繪中的精度分析[J].測繪與空間地理信息，2019，42（3）：228.

（編輯：李曉朦）