基于GNS S-P P K定位的無人機測圖方法研究

許虹虹

（安徽理工大學測繪學院，安徽 淮南232001）

0.引言

攝影測量一直是地形圖測繪和更新的最有效和最重要的手段，利用像片繪制地形圖也是攝影測量的重要應用。與平板儀測繪地形圖相比較，攝影測量的主要優(yōu)點為：作業(yè)速度快、效率高；作業(yè)范圍大、成本低；成圖質量好、地貌表示逼真；工作自動化程度高、外業(yè)勞動強度低；成果現(xiàn)勢性好[1]。目前，隨著攝影測量技術的不斷發(fā)展，使得無人機低空航空攝影測量技術已經(jīng)成為獲取地形數(shù)字成果的重要手段。無人機具有搭載質量輕、體積小的高分辨率相機作為傳感器，可以快速獲取大比例尺的航測遙感數(shù)據(jù)的特性。傳統(tǒng)的航測作業(yè)，需事先布設大量的像控點保證數(shù)據(jù)處理的精度，為航測作業(yè)帶來了極大地不便。本文采用后差分處理系統(tǒng)進行航測作業(yè)，整個測區(qū)僅布設幾個像控點和檢查點檢核數(shù)據(jù)精度[2]。對數(shù)據(jù)進行處理生成該區(qū)的DEM數(shù)字產(chǎn)品，通過野外檢核點和生成的數(shù)字產(chǎn)品的精度做比較，得到通過使用后差分處理系統(tǒng)進行大面積的航測作業(yè)，完全可以滿足1∶1000及以上的項目精度要求。

1.衛(wèi)星定位的技術原理

1.1 RTK工作原理

RTK（Real Time Kinematic）測量系統(tǒng)由GPS接收機、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和進行動態(tài)測量的軟件組成，是以載波相位觀測量為基礎的實時動態(tài)差分定位技術，它的工作原理為：在基準站上放置一臺接收機，另外一臺或者幾臺接收機放置在移動站上。基準站和移動站在同一時間接收相同的GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號[3,4]。基準站獲得的觀測值與已知位置信息進行比較，得到GPS差分改正值。然后將差分改正值通過無線電數(shù)據(jù)鏈臺及時傳送給共視衛(wèi)星的移動站精化GPS觀測值，得到經(jīng)過差分改正后移動站比較準確的實時位置從而獲得具有厘米級別的定位效果。RTK測量定位技術作業(yè)速度快，勞動強度低，提高了勞動效率，并且操作簡單，數(shù)據(jù)安全可靠沒有誤差的積累使得定位的精度高，完全可以滿足一般工程測量的精度要求。隨著科技的不斷進步和發(fā)展其應用前景將更為廣闊。

1.2 PPK工作原理

PPK技術，即動態(tài)后差分處理技術。是利用載波相位進行相位差分的衛(wèi)星定位技術[5-7]。PPK相較于RTK的優(yōu)勢在于：由于是事后處理，所以在測量過程中不受通訊距離的影響，并且由于省去了中間無線電傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)，其成本相較于RTK技術還有一定優(yōu)勢。無人機PPK即用無人機搭載配備PPK的高精度GNSS接收機，在地面布設一臺基準站接收機對衛(wèi)星的載波相位進行觀測，事后在專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件中進行處理，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觀測值參與攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差，這時可以同時獲得高精度的內、外方位元素成果，實現(xiàn)更精確的像片定向。特別是無人機飛行距離比傳統(tǒng)人工測量距離更遠，容易受到山脈、建筑的影響，所以PPK的運用已經(jīng)相當成熟[8]。

圖1后差分處理工作原理

PPK的作業(yè)原理（如圖1所示）：一臺基準站接收機和一臺流動站對衛(wèi)星進行同步觀測，同時采集最少兩個歷元的觀測時間，從而解算主站和移動站的基線解[9-12]，由于OTF初始化時解決了整周模糊度及其他相關問題，從而使得主站和移動站的共同觀測時間減少到只需要觀測兩個歷元。但是，需要進行數(shù)據(jù)后處理，不能進行實時定位。無需電臺連接，因此不受地形限制，且作業(yè)比較簡單，外業(yè)測量后在進行內業(yè)數(shù)據(jù)后處理，相比較于RTK克服了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木窒?，具有厘米級別的定位效果。上述PPK的基本原理中觀測數(shù)據(jù)可用以下數(shù)學模型公式求得：

式中，φ為載波；λ為波長；f為載波頻率；r（s）i和r（s）j分別是基準站和用戶接收機到衛(wèi)星的幾何距離；r（s）i中的（xi，yi，zi）為基準站的三維坐標且為精確已知；r（s）j中的（xj，yj，zj）為用戶接收機的三維坐標；I（s）i和I（s）j為電離層延遲；T（s）i和T（s）j為對流層延遲；δti和δtj分別為基準站接收機和用戶接收機的鐘差參數(shù)；N（s）i和N（s）j分別為基準站和用戶接收機對衛(wèi)星s觀測載波相位的整周模糊度；ε和表示為觀測載波相位的噪聲誤差。

2.工程實例

2.1 項目概況

此次測區(qū)為安徽某固體廢物處理站及周邊地區(qū)，測區(qū)范圍（如圖2所示），確定航測作業(yè)面積約6個平方，平均海拔650m。在Geoele Earth Pro上查看測區(qū)的地形地貌，測區(qū)整體呈現(xiàn)為條帶狀，東側為山峰，整體建筑物較低但密集，無高大建筑物。確定測區(qū)內的最高建筑物。根據(jù)測區(qū)的地勢條件、影像數(shù)據(jù)資料和任務要求，制定合理的項目任務書。具體工作流程（如圖3所示）。包括：飛行器的選擇、像控點（檢核點）的選擇和布設、測區(qū)航線的設置（包括航高、影像的重疊率、地面分辨率和多處起降位置）。

圖2測區(qū)范圍

圖3工作流程圖

2.2 航測數(shù)據(jù)采集

為保證內業(yè)處理（如空中三角測量和模型重建等）和后期模型的精度能夠達到要求，在測區(qū)范圍內采用經(jīng)典的九點法進行像控點和檢查點的布設（如圖4所示）：

圖4控制點和檢查點分布圖

本次無人機系統(tǒng)選擇大疆六旋翼無人機M600 Pro進行航測作業(yè)，該飛行器的主要技術指標（如表1所示）：

表1無人機技術指標

本次航測作業(yè)設置航向重疊度和旁向重疊度分別為70%和65%。保證影像分辨率的情況下，設置航高為350m。一共飛行了9個架次，一共生成了27條航線，拍攝了5300余張照片。無人機開始航測作業(yè)前至少10分鐘，架設好GPS-RTK接收機，設置為靜態(tài)模型，保證基準站實時接收衛(wèi)星信號。

外業(yè)作業(yè)完成后，對像片曝光的精準位置進行解算。中海達UVA-PPK軟件（如圖5所示）是一款基于桌面端的無人機后處理的RTK軟件，能夠提供較高的定位精度，當完成解算后照片的曝光點變成綠色后，說明有單點解變成固定解。

圖5 UAV-PPK解算POS數(shù)據(jù)

2.3 生產(chǎn)正射影像

將采集的像片數(shù)據(jù)、PPK處理后的POS數(shù)據(jù)、像控點坐標數(shù)據(jù)和相機的參數(shù)導入到Pix4Dmapper軟件中，經(jīng)過初始化處理、紋理和點云后處理，生成DEM數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理過程中生成的部分空三解算（如圖6所示），部分正射影像圖（如圖7所示）：

圖6部分空三解算圖

圖7部分正射影像圖

3.精度比較

為了檢驗基于正射影像生成的地形圖是否滿足1∶1000及以上的大比例尺測圖要求，使用Global Mapper對事先布設好的21個檢查點的坐標進行提 取，與實測坐標進行精度檢核。

表2平面精度檢核

表3高程精度檢核

圖8精度差值圖

平面精度檢查結果（如表2所示），其中平面檢查最小誤差0.04m，最大誤差為0.19m。根據(jù)公式可以計算出平面點位中誤差為0.031m。高程最小誤差為0.055m，最大誤差為0.258m。高程精度檢查結果（如表3所示），根據(jù)公式可以計算出高程點位中誤差為0.028m。兩種精度的差值圖（如圖8所示）。根據(jù)《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》（GB/T7930-2008），平原地區(qū)1∶500的平面中誤差限差為0.3m，1∶1000的平面中誤差為0.6m[13]。故此次項目證明了使用后差分處理系統(tǒng)可以滿足平原地區(qū)1∶1000地形圖測圖要求。

4.結束語

本文基于無人機后差分技術，使用中海達UAV-PPK軟件對數(shù)據(jù)進行解算，獲取高精度的POS數(shù)據(jù)，采用Pix4Dmapper軟件進行空中三角測量，生成了正射影像以及其他的數(shù)字模型產(chǎn)品。通過使用Global Mapper提取明顯檢查點的位置坐標信息和相對應的實地測量的檢查點做精度分析[14-16]?？梢缘贸鲆韵陆Y論：使用無人機航測作業(yè)時，采用無人機后差分處理技術，在6個平方的測區(qū)內均勻的布設9個像控點，平原地區(qū)平面精度可以滿足1∶1000的測圖要求，接近1∶500的測圖要求，大大減少了外業(yè)布設像控點的工作量，為大面積航測作業(yè)提供了極大地便利。