海島礁無控制點低空攝影測量研究與應用

鄔 金,王 平，王 久，吳星華，蘇希華

(1.交通運輸部南海航海保障中心，廣州 510235； 2.廣州海事測繪中心，廣州 510235； 3.地瀛儀器科技(上海)有限公司，上海 201612)

1 研究背景

海岸地形測繪是海事測繪的重要內(nèi)容，我國有18 000 km長的大陸海岸線和14 000 km長的島礁海岸線，需定期測繪或修測。如此巨大的工作量，無論采用常規(guī)海岸地形測繪技術，還是航空攝影測量技術，都無法實現(xiàn)全覆蓋、全要素測繪的要求[1]。

隨著計算機技術、數(shù)碼相機測量技術等的發(fā)展，使用無人機進行航空攝影測量的技術已比較成熟，無人機航拍影像具有高清晰、大比例尺、小面積、高現(xiàn)勢性的優(yōu)點，因此采用無人機平臺進行海島礁海岸地形測量將是一個很好的嘗試，具有很高的實際應用價值。

南海島礁遠離大陸，分布零散，難以到達，所以無法利用常規(guī)測量手段實現(xiàn)基礎的測繪工作；且一般的島礁地物目標單一，難以布設控制點，無法獲得航空影像所需的控制點數(shù)據(jù)。

隨著北斗 CORS 系統(tǒng)在全國的建設，采用基于 CORS 基站的 POS 輔助的海島礁無控制點測量方法，是實現(xiàn)南海島礁測量的有效途徑之一。

目前，海島區(qū)域航空攝影作業(yè)的主要方式是常規(guī)航空攝影。然而，常規(guī)航空攝影作業(yè)成本高、周期長，受天氣及飛機場地等因素制約，難以滿足實時獲取目標區(qū)域地理信息數(shù)據(jù)的要求。無人機低空攝影測量技術手段具有結(jié)構簡單、體積小、重量輕、機動性強、無需專業(yè)起降機場、超低空飛行、超高分辨率、天氣要求低和實施便捷、成本低等特點，能夠獲取高清晰、大比例尺、高現(xiàn)勢性的影像資料，已經(jīng)成為獲取遙感信息的一種重要手段。將無人機航測技術應用于海岸帶及海島礁的測圖生產(chǎn)或海圖更新是其在海事測繪領域中應用的拓展[2]。

近年來，隨著導航、電子、材料等科技的發(fā)展，POS系統(tǒng)取得了突飛猛進的發(fā)展，并在大飛機航空遙感領域得到了廣泛的應用，取得了很好的效果。在航空攝影測量過程中不僅可以大大減少甚至省去外業(yè)地面控制點的布設和測量工作，而且可以簡化內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作流程，改進數(shù)據(jù)處理工藝，進而達到提升工作效率、減少生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本的目的。近年來，隨著一些高性能MEMS POS在無人機激光雷達系統(tǒng)得到廣泛應用，此類POS在無人機航測中應用還較為鮮見，有必要開展無人機POS航測系統(tǒng)集成相關技術研究和試驗，使小型POS系統(tǒng)在低空遙感領域發(fā)揮應有的作用，為我國遠海島礁測繪提供可靠的測繪技術保障。

本文結(jié)合海島礁地形，對基于POS輔助的海島礁無控制點航測技術進行研究，分析基于POS輔助低空無人機航測系統(tǒng)的技術要求，并對此技術開展了測圖試驗與精度驗證，通過實地試驗論證基于 CORS 基站的 POS 數(shù)據(jù)解算和基于精密單點定位技術(Precise Point Positioning，簡稱PPP)技術的 POS 數(shù)據(jù)解算2種方法來實現(xiàn)海島礁無控制測量作業(yè)的技術可行性，并分析兩者的精度指標,為今后南海島礁海岸帶地形獲取工作提供技術依據(jù)。

2 POS輔助航空攝影測量技術

本次試驗集成了一款高精度MEMS POS系統(tǒng)用于輔助無人機航空攝影測量，該技術實現(xiàn)無(或少)地面控制點，甚至無需空中三角測量工序，即可直接定向測圖，從而大大縮短作業(yè)周期、提高生產(chǎn)效率、降低成本。由于該技術因其自身具備的特點和優(yōu)勢，已被廣泛應用于各類航空攝影測量成圖項目。在實際生產(chǎn)中具體應用此技術時一般采用2種方法，即直接定向法(Direct Georeferencing，簡稱DG)和集成傳感器定向法(Integrated Sensor Orientation，簡稱ISO)[3]。

POS數(shù)據(jù)解算主要采用基于CORS基站后處理差分技術和基于精密單點定位(PPP)技術。

對于基于后處理差分技術，當攝區(qū)離基準站較近時(推薦<20 km，建議最遠不超過70 km)，這種方法的定位精度可達到2～5 cm；但當站間距增加至200 km時，定位精度將顯著下降。差分GNSS的優(yōu)點是定位精度高，因此被廣泛應用在基于DGNSS技術的POS輔助航空攝影測量中。其不足之處在于作業(yè)時至少需要一臺接收機置于基站上進行同步連續(xù)觀測。對于人煙稀少、偏遠的荒漠、戈壁區(qū)域，建設基站存在很大的困難。如果基站遠離攝區(qū)，其基站的作用也相對降低[4]。

近些年來，PPP技術逐漸成熟。在該定位模式下，航攝時無需在地面布設基準站，節(jié)省大量的人力和物力，并且簡化外業(yè)航測流程。由此可見，精密單點定位技術將在航空攝影測量工作中發(fā)揮重要作用。

早在2011年，Trimble 公司推出了一種新型的實時差分擴展技術(Real-Time eXtended)，這種實時定位服務不依賴基準站就能提供厘米級定位精度。相比其他在線提供 PPP服務的系統(tǒng)，Trimble RTX可實現(xiàn)全星座支持，以此提升了載波相位模糊度求解及其收斂能力[5-6]。

3 基于POS輔助低空無人機航測系統(tǒng)的技術要求

根據(jù)目前國內(nèi)無人機調(diào)研來看，對于海島礁地形條件，固定翼不太適合。對于島上或陸地起飛情況，推薦采用油電混合動力方式垂直起降固定翼無人機。對于小面積島礁，則建議采用電動多旋翼無人機。

垂直起降固定翼無人機結(jié)合了固定翼無人機和多旋翼無人機的優(yōu)點，即借用了多旋翼無人機能夠不依賴起降場地，可在多種環(huán)境中起降的優(yōu)點，又吸納了固定翼無人機的長航時、大載荷和較高巡航高度的優(yōu)勢。因此，垂直起降固定翼無人機可以發(fā)揮極大的外場作業(yè)效率。對于遠離陸地、陸地面積小的南海島礁來說，采用垂直起降固定翼無人機十分必要。

對于船載起飛情況，為安全起見，推薦采用純電動垂直起降固定翼無人機或多旋翼電動無人機[7]。

機載GNSS接收機應采用動態(tài)多星多頻測量型GNSS接收機，搭載MEMS POS系統(tǒng)，其姿態(tài)精度：側(cè)滾角和俯仰角不應>0.03°，航偏角不應>0.08°。同時應搭載高清數(shù)碼相機，像素應在2 000萬以上[8]。

目前無人機航拍搭載高清相機能夠獲取0.05～0.2 m分辨率的航空影像，甚至更高，可以滿足1∶500～1∶5 000比例尺地形圖測繪要求。成果形式、質(zhì)量、格式等應符合地形圖規(guī)范要求，以便與海圖編繪系統(tǒng)兼容[1,9]。

4 海島礁航測試驗

4.1 試驗地點概況

本次試驗航攝區(qū)域選在舢板洲上，位于廣州市南沙東南 113°34′20″E—113°37′20″E，22°42′00″N—22°45′00″N范圍內(nèi)，面積約0.2 km2，岸線長0.45 km。島上有燈塔、鐘樓、碼頭、國旗等，具有海島礁代表性地形特點。

4.2 航線設計

測區(qū)飛行設計高度約為200 m，根據(jù)測區(qū)內(nèi)最高點和最低點高程，實際獲取影像的地面采樣間隔(GSD)優(yōu)于2.5 cm，符合設計需求。

利用mdCockpit地面站軟件進行航線設計和自動生成航線。其中航高200 m，航飛2架次。地面采樣為3 cm GSD，航向重疊度80%，旁向重疊度60%，地面安全高度20 m。由于測區(qū)面積小，海水面積大，采用大旁向重疊才能取得足夠影像用于空三加密計算。

4.3 POS輔助的無人機航測系統(tǒng)

本次試驗采用microdrones md4-1000電動四旋翼無人機平臺，集成APX-15 POS定姿定位系統(tǒng)與索尼黑卡Rx1R2高分辨率數(shù)碼相機集成的 POS相機進行無人機航測試驗。其中 POS定姿定位系統(tǒng)指標見表1。

表1 APX-15 POS定姿定位系統(tǒng)指標Table 1 Speification of APX-15 POS system

5 POS數(shù)據(jù)處理

本項目采用Applanix的POSPac UAV軟件對機載POS數(shù)據(jù)進行處理。POS數(shù)據(jù)主要由IMU(APX-15L)和GNSS以及衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)組成，其中POS后處理數(shù)據(jù)頻率為200 Hz。

5.1 基于CORS站后差分技術的POS數(shù)據(jù)解算

利用POSPac UAV軟件對測區(qū)內(nèi)架設的基站GNSS數(shù)據(jù)，采用后處理差分POS緊耦合算法分別進行正向和逆向雙向解算，并對其結(jié)果進行聯(lián)合估算得到最優(yōu)軌跡。

為便于精度評估，對該數(shù)據(jù)采用地面基站數(shù)據(jù)進行后處理差分,定位精度為：平面中誤差2 cm，最大2.8 cm；高程中誤差3.5 cm，最大4.6 cm。

5.2 基于PP-RTX 技術的POS數(shù)據(jù)解算

由于傳統(tǒng)的PPP算法需等待大約兩周才能獲取到精密星歷和鐘差文件，且精度相對較低。所以本次試驗決定采用PP-RTX技術，利用POSPac UAV軟件進行POS數(shù)據(jù)處理。

“雖然馬上就要離開工作生活了三年的這片熱土，離開朝夕相處的學生、同事和朋友們了，但我的生命中已有了與二二二團不可分割的聯(lián)系，今后無論身在何處，我將永遠翹望、牽掛這里的一切?！痹處熗跷木暌酪离y舍之情溢于言表?！?/p>

同時對該數(shù)據(jù)采用PP-RTX算法進行定位的誤差分析。分析結(jié)果表明平面中誤差為2 cm，最大為3.9 cm；高程中誤差為3.8 cm，最大為6.1 cm。

5.3 試驗成果

本次試驗分別利用Pix4D和Inpho軟件，采用ISO無控制點和引入單個控制點2種情況分別進行空三處理。

本次試驗共布設13個檢查點，基于ISO進行POS輔助航測技術精度驗證，均勻分布在精度驗證區(qū)周圍。

按規(guī)范限差要求，1∶1 000成圖比例尺檢查點平面中限差≤±0.5 m，高程限差≥±0.28 m。檢查點實測成果均滿足這一精度指標，說明本文POS輔助航空攝影方案符合要求。

5.3.1 無控制點ISO精度對比

表2給出利用測區(qū)內(nèi)基站進行后處理差分與利用PP-RTX技術進行POS數(shù)據(jù)處理，在無控制點情況下進行ISO空三解算，從DOM成果中分別提取與檢查點對應的點，進行精度對比。

表2 無控POS輔助航空攝影ISO精度對比Table 2 Comparison of ISO precision of POS-aided photogrammetry without GCP

在無控制點情況下，對于POS輔助空三上述2種解算方案，后處理差分處理方案的精度要優(yōu)于PP-RTX方案。按相關規(guī)范檢查點精度要求，后處理差分和PP-RTX方案均可滿足1∶2 000測圖要求。

5.3.2 引入1個控制點ISO精度對比

表3給出了利用測區(qū)內(nèi)基站進行后處理差分與利用PP-RTX技術進行POS數(shù)據(jù)處理，在引入1個控制點情況下進行ISO空三解算，從DOM成果中分別提取與檢查點對應的點進行精度對比。

表3 POS輔助空三(ISO，1個控制點)測量精度對比Table 3 Comparison of survey accuracy of POS-aided aerotriangulation (ISO, 1 control point)

在引入1個控制點情況下，上述2種解算方案精度明顯提高。其中PP-RTX方案在條件理想情況下可滿足1∶500測圖要求。

5.3.3 海島測量成果

本次試驗限于條件，航飛時間基本在試驗地點高潮位期間，采用200 m航高2個架次，400 m一個架次，共飛行3個架次，獲取268張影像。

本文采用上述基于ISO PPP無控制點方案，生成一系列測區(qū)成果圖，見圖1[10]。

圖1 測區(qū)成果[10]Fig.1 Results of test area[10]

本次試驗區(qū)域島礁面積太小，航測時拍攝的影像大多落在海面上，影像間連接性太差，需要一些人工干預處理來生成DOM。建議進一步開展對于海島周邊水域空三加密(這些像片無法用于正確匹配連接點)對精度影響問題、剔除海面配準錯誤的連接點等方面進行研究[11]。

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié) 論

對于特殊困難地形條件(如海島礁、帶狀)， 基于POS輔助航測應用，可利用高精度POS數(shù)據(jù)約束空三解算，大大減少連接點數(shù)量，減少航帶數(shù)量，旁向重疊率可低于40%，大大提高作業(yè)效率。

本文通過基于POS輔助的海島礁無控制點無人機航空攝影測量技術研究與試驗結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

(1)基于PPP的定位技術與后處理差分精度的POS解算精度相當。這表明對于布測地面基站困難的海島礁測量項目，在無法設置地面GNSS基站的情況下，可采用PPP技術，通過POS輔助空三，可省掉地面基站的布設、觀測和計算工作。能夠滿足1∶2 000海島測量規(guī)范要求。

(2)當CORS網(wǎng)中GNSS基站距離攝區(qū)在70 km范圍內(nèi)，建議采用基于后處理差分技術的POS輔助航測ISO解算方法，定位精度高。

(3)基于MEMS POS輔助無人機航空攝影測量技術具有性價比高、機動性好、作業(yè)效率高、成本低等優(yōu)勢。

6.2 建 議

對于船載無人機起降作業(yè)方式，建議采用船上具有飛行甲板的船只，確保無人機起降安全。

建議海島礁岸線地形測量采用基于POS系統(tǒng)的免像控點無人機航空攝影測量技術和ISO方案，按1∶2 000海島測量規(guī)范要求進行施測。

本次試驗采用的POS航向精度為0.08°，采用DG直接定向法航測難以滿足1∶2 000 海島測圖精度要求，建議進一步開展在較低航高下(如<100 m)的相關精度驗證。