CORS基站在低空無人機PPK技術處理中的應用研究

周烽松，楚彬，曾翔強

(湖南省測繪科技研究所,長沙 410007)

0 引言

隨著低空消費型無人機飛控和全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)模塊集成技術的飛速發(fā)展，有效地解決了傳統(tǒng)測量技術難以高效、全面獲取地形數(shù)據(jù)的困難，形成了對傳統(tǒng)航空攝影的有效補充.并以其快捷方便、價格低廉、機動靈活及功能多樣等優(yōu)勢在工程建設、應急響應、應急處理、國土監(jiān)測、資源開發(fā)、新基建等方面已成為獲取地形成果數(shù)據(jù)的重要手段，提供基準的數(shù)據(jù)支持[1-5].

現(xiàn)有低空無人機POS 位置數(shù)據(jù)是通過GNSS 模塊進行實時動態(tài)定位(RTK)測量獲取，而RTK技術易受地物遮擋、作業(yè)距離等因素影響造成RTK 失鎖，進而導致POS 位置數(shù)據(jù)精度較差，生成的地形影像數(shù)據(jù)畸變差較大.因此眾多學者使用動態(tài)后處理(PPK)技術來保證POS 數(shù)據(jù)精度和成果精度.文獻[6-7]在研究應用中使用PPK 校正減少了現(xiàn)場地面控制的時間；文獻[8]在作業(yè)區(qū)架設基站利用PPK技術，完成無人機POS 數(shù)據(jù)解算，實現(xiàn)了林業(yè)攝影測量中的免像控應用；文獻[9]在作業(yè)區(qū)架設基站結合PPK技術獲取高精度POS 數(shù)據(jù)輔助空三測量，完成了1∶500 比例尺的免像控測圖工作；文獻[10]為進一步降低工作負擔，提出利用單基站連續(xù)運行參考站(CORS)數(shù)據(jù)完成無人機傾斜攝影測量POS 數(shù)據(jù)的PPK技術處理，分析構建三維實景模型精度.

但是，上述研究中未詳細考慮CORS基站與作業(yè)區(qū)域之間距離變化對PPK 數(shù)據(jù)處理的精度影響.針對該問題，本文研究探討了不同距離情況下CORS單基站數(shù)據(jù)對無人機PPK 數(shù)據(jù)解算和成果數(shù)據(jù)的影響，并與無人機RTK 模式下獲取的數(shù)據(jù)及實測數(shù)據(jù)進行對比分析.

1 原理與實驗方法

1.1 實驗原理

研究采用的低空無人機為大疆精靈4 RTK 無人機，其POS 系統(tǒng)集GNSS 定位技術、慣性導航系統(tǒng)(INS)和云臺于一體，可直接獲得航攝相片的空間位置和姿態(tài)角引入到攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差模型，解算出影像的角元素和線元素.但由于該無人機搭載GNSS模塊，易受工作區(qū)域地形、建筑等因素影響無人機與遙控器的通信，進而降低RTK 固定率，甚至變成單點解，降低最終數(shù)據(jù)的解算精度.而PPK技術是以基站數(shù)據(jù)為參照，能利用后處理動態(tài)差分方法修正低空無人機位置數(shù)據(jù)，獲取無人機攝影瞬間的攝影中心的線元素.因此可以利用CORS基站數(shù)據(jù)參與無人機在單點解模式下PPK 的計算工作，提升POS 數(shù)據(jù)精度，進而提升線元素精度，其工作原理如圖1 所示.

圖1 CORS基站參與無人機PPK技術示意圖

在利用PPK技術獲取高精度POS 數(shù)據(jù)后，即可使用POS 輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差完成無人機影像空三處理，影像角元素、線元素和POS 數(shù)據(jù)的函數(shù)關系如下.

式中：(XS,YS,ZS)為實際曝光時刻投影中心坐標；R為3 個角元素構成的正交變換矩陣；(x,y,-f)為像點在像空間坐標系下的坐標值；(X,Y,Z)GNSS為t時刻的攝站位置；(X,Y,Z)為像點在像輔助坐標系下的坐標；(x,y,z)GNSS為天線相位中心坐標；(ax,ay,az)和(bx,by,bz)分布為線性偏移系統(tǒng)誤差改正中固定參數(shù)與隨時間變化參數(shù)[7].

1.2 實驗流程

在實驗中，將首先使用精靈4 RTK 無人機對同一實驗區(qū)域完成RTK 模式和GPS 模式的兩次影像數(shù)據(jù)采集工作，并實地測量檢核點.同時為分析CORS基站與工作區(qū)域距離對PPK 計算的影響，本研究在實驗中選取了距實驗區(qū)域20 km、10 km 的CORS基站衛(wèi)星采集數(shù)據(jù)和在實驗區(qū)域內(nèi)架設與CORS基站同型號的地面基站進行衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集，并分別參與無人機GPS 模式下的PPK 解算.然后將上述三種PPK 解算結果更新于無人機GPS 模式獲取POS 數(shù)據(jù)中，進行DOM 與DSM 的數(shù)據(jù)生成.最后與RTK 模式下生成的DOM、DSM 及實測檢核點的位置坐標進行對比分析.具體技術路線如圖2 所示.

圖2 技術路線圖

2 實驗研究

2.1 數(shù)據(jù)獲取

本次實驗區(qū)域位于湖南某丘陵地區(qū)，實驗設備采用大疆精靈4 RTK 多旋翼無人機.無人機設置飛行高度為150 m、地面分辨率4.1 cm、航向重疊度80%、旁向重疊度70%，在RTK 模式與GPS 模式下分別獲得529、528 張照片.并在實驗區(qū)域按均勻分布的原則布設18 個檢核點[11-12]，檢核點采用CORS與全站儀結合的方法進行測量，并完成了2 000 國家大地坐標系(CGCS2000)高斯投影3°坐標轉換.實驗區(qū)域與檢核點分布如圖3 所示.

圖3 實驗區(qū)檢核點及實驗區(qū)基站位置圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

將利用中海達無人機PPK 后處理軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理，對基站數(shù)據(jù)和無人機衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行聯(lián)合計算；并將利用大疆智圖完成各類POS 數(shù)據(jù)讀取、影像畸變修正、影像密集匹配、DSM 和DOM 生成，由此共生成了四類數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)A 為RTK 模式的影像及位置數(shù)據(jù)利用大疆智圖制作DSM、DOM；數(shù)據(jù)B、C、D 分為GPS 模式獲取的數(shù)據(jù)聯(lián)合距實驗區(qū)域20 km、10 km 的CORS 站基準數(shù)據(jù)及實驗區(qū)基站數(shù)據(jù)生成的DSM、DOM.并行檢查點對四類數(shù)據(jù)進行精度檢查，四類數(shù)據(jù)的真誤差計算結果如圖4 和表1所示.

由表1 及圖4 可知，數(shù)據(jù)A 與數(shù)據(jù)D 的差值范圍較為接近，并且各方向差值小于0.1 m 的點數(shù)量也較多；數(shù)據(jù)B 的表現(xiàn)較差，尤其是在高程方向上；數(shù)據(jù)C 的結果介于數(shù)據(jù)A 與數(shù)據(jù)B 之間.該統(tǒng)計結果表明CORS基站距離在一定程度上能夠影響數(shù)據(jù)成果質(zhì)量.

表1 4 種數(shù)據(jù)的檢查點點位坐標誤差統(tǒng)計 m

圖4 各數(shù)據(jù)誤差圖

3 分析與討論

為進一步討論四類數(shù)據(jù)在DOM、DSM 的精度，本研究對四類數(shù)據(jù)的檢查點在X、Y和高程方向進行了中誤差對比和誤差分布比較，結果如表2、圖5～6所示.

表2 四類數(shù)據(jù)的檢查點中誤差對比 m

圖5 各數(shù)據(jù)平面與高程方向誤差圖

由圖5 和圖6 對比分析可知，數(shù)據(jù)A、C、D 各點之間分布較為集中，數(shù)據(jù)B 則分布在外圍，并且數(shù)據(jù)B 的偏差范圍要大于數(shù)據(jù)A、C、D；數(shù)據(jù)偏差范圍較小的為數(shù)據(jù)A 和D，但數(shù)據(jù)A 在X方向上優(yōu)于數(shù)據(jù)D，但數(shù)據(jù)D 在Y方向上優(yōu)于數(shù)據(jù)A.由此說明，PPK技術在無人機數(shù)據(jù)處理上可以達到與RTK技術相當?shù)木人?，但在一定程度上受基站距離的影響.

圖6 各數(shù)據(jù)X 與Y 方向誤差圖

進一步由表2 可知，數(shù)據(jù)A 與數(shù)據(jù)D 在平面與高程方向上中誤差相差不大，數(shù)據(jù)C 與數(shù)據(jù)A、D 中誤差較接近；數(shù)據(jù)B 檢驗結果與其余三類數(shù)據(jù)存在較大差距，尤其在高程方向差異更大.四類數(shù)據(jù)的整體精度為A＞D＞C＞B，并且數(shù)據(jù)A、C、D 的平面與高程中誤差都小于10 cm，說明其成果都能滿足1∶1 000 比例尺的測繪成果制作，而數(shù)據(jù)B 則不能滿足標準要求.由此可以說明融合CORS 觀測數(shù)據(jù)的PPK技術可以提高無人機在GPS 模式下POS 數(shù)據(jù)的精度，并制作出符合相關規(guī)范的產(chǎn)品.但其表現(xiàn)受距離因素影響明顯，當CORS基站距工作區(qū)域較近為10 km 時，其相關成果精度能接近RTK 模式和實驗區(qū)域基站的處理結果；當CORS基站距工作區(qū)域較遠為20 km 時，其產(chǎn)品成果精度下降較快，尤其在高程方向表現(xiàn)明顯.

4 結束語

本文針對CORS基站與作業(yè)區(qū)域之間距離變化對PPK 數(shù)據(jù)處理的精度影響，結合CORS基站數(shù)據(jù)、地面基站數(shù)據(jù)、無人機數(shù)據(jù)和地面檢核數(shù)據(jù)進行驗證分析.結果表明：CORS基站處理成果在丘陵地區(qū)受距離影響明顯，CORS基站距離工作區(qū)域在10 km時，其誤差略低于工作區(qū)架設基站和無人機RTK 模式獲取的成果，可以滿足1∶1 000 比例尺測圖要求；當CORS基站距離工作區(qū)域20 km 時，其解算精度降低，平面與高程誤差均大于0.1 m，使得成果不能支持大比例尺測圖工作.因此，在適當距離內(nèi)可以利用CORS基站取代實地架設基站完成PPK技術處理，輔助無人機獲取高精度POS 數(shù)據(jù)，進而完成高精度產(chǎn)品制作，并進一步降低外業(yè)工作強度和人員負擔.