無人機PPK技術(shù)在鐵路車站改造中的應(yīng)用

宋益橋 郭 剛 陳紅兵

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

1 概述

近年來，輕小型消費級無人機日漸普及，無人機遙感技術(shù)日也漸成熟，相較于傳統(tǒng)測量方式，輕小型無人機攝影測量具有成本低、機動性強、效率高等優(yōu)勢[1-2]。已有許多學(xué)者開展相關(guān)研究及應(yīng)用，楊帆等利用無人機攝影測量技術(shù)獲取礦山三維模型，為礦區(qū)治理提供數(shù)據(jù)支持[3]；藺建強等利用無人機攝影測量獲取高精度的校園三維模型[4]；王棟等將無人機攝影測量技術(shù)應(yīng)用于大范圍地質(zhì)選線和不良地質(zhì)識別等方面[5]。

若項目位于地形復(fù)雜、無CORS網(wǎng)絡(luò)信號、遮擋物多的區(qū)域，Real Time Kinematic(RTK)工作模式下的無人機作業(yè)將會受限。王明棟等利用PPK無人機攝影測量技術(shù)對某跨高速鐵路區(qū)域進行航測，其平面中誤差為2.5 cm，高程中誤差為3.1 cm[6]。不難看出，PPK作為一種事后動態(tài)差分解算的高精度定位方式，結(jié)合無人機攝影測量生產(chǎn)三維模型、數(shù)字正射影像等測繪產(chǎn)品，對于復(fù)雜地形的勘察任務(wù)具有較好的適應(yīng)性[7]。

2 技術(shù)原理與方法

2.1 PPK技術(shù)原理

PPK是一種利用載波相位事后差分的厘米級全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)。其測量原理與RTK即實時差分定位技術(shù)相似，都是通過OTF初始化快速確定整周模糊度。因此，只需基站和移動站同時觀測兩個歷元以上，解算基線集再進行差分，即可獲取厘米級相對定位精度。兩者不同之處在于，RTK利用電臺對基站和移動站之間進行數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)實時差分改正；而PPK在作業(yè)時無需基站和移動站之間有數(shù)據(jù)鏈，只需事后進行差分。其作業(yè)半徑理論上可以達到50 km以上，其作業(yè)原理示意見圖1。在基站和移動站的通訊造成信號不穩(wěn)定的情況下，PPK是一種重要的定位測量方式[8-9]。

圖1 PPK無人機作業(yè)原理示意

2.2 PPK輔助無人機攝影測量原理

傳統(tǒng)的航空攝影測量中，需要大量的野外像控點參與空中三角形解算來確定外方位元素，然而，在山區(qū)林地布置像控點非常困難。通過PPK技術(shù)，集成GNSS模塊的無人機可以獲得相機在拍攝瞬間像主點中心的空間位置，精度可達到厘米級，由此可減少大量的野外地面控制點的布設(shè)[10]。另外，基于PPK的各種優(yōu)勢，可實現(xiàn)一基站多測區(qū)，不受數(shù)據(jù)鏈中斷而影響作業(yè)。

2.3 PPK無人機攝影測量作業(yè)流程

PPK無人機航測流程大體上與傳統(tǒng)航測一致，一般分為3個步驟：飛前準備，航拍作業(yè)，數(shù)據(jù)處理與成圖。飛前準備包括航線規(guī)劃以及像控點布設(shè)；PPK無人機航拍作業(yè)過程中，無需基站和移動站之間有數(shù)據(jù)鏈，各自在同一時間段獨自觀測星歷即可；數(shù)據(jù)處理與成圖階段利用PPK解算的POS數(shù)據(jù)結(jié)合野外像控點進行空三解算，最后輸出4D產(chǎn)品及三維模型，4D產(chǎn)品包括：數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字線劃地圖(DLG)和數(shù)字柵格地圖(DRG)[11-12]。其中，航高、像片重疊度以及像控點布設(shè)是航測流程中的關(guān)鍵技術(shù)。PPK無人機作業(yè)流程見圖2。

圖2 PPK無人機航測作業(yè)流程

(1)相對航高設(shè)置

航攝高度是無人機攝影測量的關(guān)鍵參數(shù)，決定了像片地面分辨率(GSD)的大小。相對航高由航攝相機的各項參數(shù)和航攝任務(wù)所需的地面分辨率所決定，其計算公式為

(1)

式中，H為相對航高；f為相機鏡頭焦距；GSD為地面分辨率；a為像元尺寸。

(2)像片重疊度設(shè)置

像片重疊度是指飛機沿航線攝影時，相鄰像片之間的重疊程度，一般以像片重疊部分的長度與像幅長度之比的百分數(shù)表示，相鄰航線之間所保持的影像重疊程度稱為旁向重疊度。根據(jù)GB/T 7931—2008《1∶500 、1∶1 000 、1∶2 000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》，航向重疊度為60%～80%，最少為53%；旁向重疊度為15%～60%，最少為8%。當在建筑區(qū)域密集的區(qū)域，這樣的旁向重疊度顯然不夠，無法進行三維重建，應(yīng)當適當提升像片重疊度，航向和旁向建議≥70%，但也需要考慮作業(yè)效率，不宜將重疊度設(shè)置過大[13]。

(3)像控點布設(shè)

像控點是攝影測量控制加密和測圖的基礎(chǔ)，決定了成果精度。具有PPK功能的無人機布設(shè)像控點數(shù)量較傳統(tǒng)單點定位無人機減少80%以上。消費級PPK無人機在小區(qū)域(<1 km2)測圖時，一般采用四周邊均勻布設(shè)平高點、四角布設(shè)成點組，加少量內(nèi)部控制點的布設(shè)方案[14-15]，像控點布設(shè)見圖3。

圖3 像控點布設(shè)示意

3 實驗案例分析

3.1 研究區(qū)域概況

實驗數(shù)據(jù)選取于四川省某縣火車站改建前期勘測項目，測區(qū)總面積1.37 km2，測區(qū)位于山地丘陵過渡地帶，地形復(fù)雜，附近CORS信號弱，傳統(tǒng)人工測量無法跨越鐵路，且效率低；無人機RTK作業(yè)也難以開展。因此，決定采用無人機PPK作業(yè)方式，以期制作出高精度的三維模型，為站線改建提供高精度且直觀的地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 PPK無人機作業(yè)及數(shù)據(jù)處理

實驗區(qū)域面積為0.34 km2，坐標系采用2000國家大地坐標系(CGCS2000)，高斯3°帶投影，高程基準選用1985國家高程基準，選取其中某一架次數(shù)據(jù)，采用DJI Phantom 4 RTK多旋翼無人機，設(shè)計GSD 為3 cm，相對航高設(shè)置為100 m，像控點采用四周邊均勻布設(shè)平高點、四角布設(shè)成點組，加少量內(nèi)部控制點的布設(shè)方案，共布設(shè)13個平高點。利用PPK作業(yè)模式對該區(qū)域進行航拍測量，共獲取258張照片。為探究基站和移動站之間的基線長度與成圖精度的關(guān)系，在無人機航測作業(yè)時，距測區(qū)分別為1.76 km(S1組)，7.04 km(S2組)和12.75 km(S3組)的地方架設(shè)3組基準站。分別將S1、S2及S33組基站的數(shù)據(jù)與移動站經(jīng)PPK后差分解算，得到3組POS數(shù)據(jù)。將這3組POS數(shù)據(jù)和航拍照片導(dǎo)入PhotoScan軟件，再結(jié)合像控點進行空三加密，再將空三解算后的結(jié)果導(dǎo)入到ContextCapture，得到了地面分辨率為2.7 cm的3組三維模型[16-17]。

3.3 精度分析

為驗證其測量精度，在測區(qū)共布設(shè)20個檢查點，檢查點選擇在墻角，路標等明顯地物上。在設(shè)有明顯地物的區(qū)域，采用油漆涂畫L形標志。在保證同一坐標系統(tǒng)的前提下，分別用RTK實測與三維模型數(shù)據(jù)做對比，誤差統(tǒng)計折線見圖4。

圖4 誤差統(tǒng)計分布

中誤差計算公式為

(2)

式中，m為中誤差；n為檢查點個數(shù)；Δi為各方向RTK實測坐標與三維模型量測坐標差值。各實驗組檢查點中誤差坐標見表1。

表1 檢查點中誤差統(tǒng)計 m

由表1可以看出，PPK模式下，無人機航測的平面精度和高程精度均滿足GB/T 79330—2008《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》規(guī)定的1：500的航測精度要求。同時，也可以發(fā)現(xiàn)，PPK模式無人機航測精度與移動站和基站之間的基線長度關(guān)系密切。從圖4可以看出，成圖精度隨著基線的增長而降低，特別是當基線長度大于10 km時，誤差顯著增長。從PPK解算結(jié)果可以看出，S1、S2、S3組的固定解比例分別為94.62%、91.54%和82.62%，基線最長的S3組的固定解比例明顯小于S1、S2組，從而影響成圖精度。同時，也可以看出，PPK模式無人機航測的平面精度總體優(yōu)于高程精度。

4 結(jié)論

PPK無人機航測在地面分辨率優(yōu)于3 cm，布設(shè)一定數(shù)量像控點的條件下，平面中誤差可達到0.03 m，高程中誤差在0.05 m的精度水平?？傮w來看，平面精度優(yōu)于高程精度。并且，隨著基站與移動站基線的增長，PPK無人機航測的精度會有一定的下降，當基線從1.76 km增至7.04 km，平面中誤差變化不大，高程中誤差從0.047 m增加至0.061 m；當基線增加至12.75 km，平面中誤差Y方向增加至0.045 m，X方向增加至0.054 m，高程中誤差增加至0.113 m。