差分GNSS無人機航測技術在城鄉(xiāng)供水工程勘測中的應用

熊文

（江蘇萬安建筑勘察設計有限公司）

1 引言

本文將詳細介紹差分GNSS無人機航測技術在城鄉(xiāng)供水工程勘測中的應用。首先，將介紹差分GNSS 無人機航測技術的基本原理，包括GPS 和伽利略導航衛(wèi)星系統(tǒng)、參考站和移動站、誤差消除方法等內(nèi)容。接下來，將重點講解差分GNSS 無人機航測技術在城鄉(xiāng)供水工程勘測中的應用，包括航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集與處理以及無人機航線設計案例分析等方面。此外，還將介紹數(shù)據(jù)建庫的相關技術，包括數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)分析與應用等方面。最后，本文將總結差分GNSS無人機航測技術在城鄉(xiāng)供水工程勘測中的應用效果，并展望其未來的發(fā)展前景。

2 差分GNSS 無人機航測技術的基本原理

2.1 GPS和伽利略導航衛(wèi)星系統(tǒng)

全球定位系統(tǒng)（GPS）和伽利略導航衛(wèi)星系統(tǒng)是現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)中最為常用的兩種技術。GPS系統(tǒng)由美國空軍開發(fā)，主要用于軍事領域。而伽利略導航衛(wèi)星系統(tǒng)是歐盟和歐洲空間局合作開發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，旨在為民用和商業(yè)領域提供全球定位和導航服務[1]。

GPS定位誤差公式：

式（1）中：P1和P2是衛(wèi)星發(fā)射信號到達接收機的時間；T1和T2是衛(wèi)星發(fā)射信號到達接收機前后的電離層延遲；C是光速。

相機標定公式：

式（2）中：s表示相機像素坐標系下的點坐標；[u,v,1]表示像素坐標系下的點坐標；K表示相機內(nèi)參矩陣；R和t表示相機的外參參數(shù)；[X,Y,Z,1]表示世界坐標系下的點坐標。

這兩種衛(wèi)星導航系統(tǒng)都采用了基于衛(wèi)星信號的定位方法，其中GPS 系統(tǒng)采用了偽距測量和載波相位測量兩種技術，而伽利略導航衛(wèi)星系統(tǒng)則采用了時間差測量技術。這些技術都具有高精度、高可靠性和全球覆蓋等優(yōu)點，為差分GNSS 無人機航測技術提供了可靠的基礎（見表1）。

表1 相機標定數(shù)據(jù)表

2.2 參考站和移動站

在差分GNSS 無人機航測技術中，參考站和移動站是非常重要的組成部分。參考站通常安裝在已知位置，并能夠同時接收來自多顆衛(wèi)星的信號。移動站則是無人機上的接收設備，用于接收來自參考站和衛(wèi)星的信號，實現(xiàn)空間定位和測量。

在實際應用中，參考站和移動站之間的距離往往很短，它們所接收到的信號存在相同的誤差。通過對參考站和移動站所接收到的信號進行比較，就可以確定誤差的大小和方向，從而實現(xiàn)誤差消除[2]。

2.3 消除誤差的方法

在差分GNSS 無人機航測技術中，誤差是一個非常重要的問題。誤差來自多個方面，例如衛(wèi)星發(fā)射的誤差、大氣層的影響、接收機的誤差等。為了提高空間定位和測量的精度，需要對這些誤差進行消除。

常用的誤差消除方法包括差分GPS、實時運動學（RTK）和虛擬基站網(wǎng)絡（VRS）等。其中，差分GPS是最為簡單和直接的誤差消除方法。它通過比較參考站和移動站所接收到的信號之間的差異，確定誤差的大小和方向，從而實現(xiàn)精度的提高。

而RTK則是一種高精度的差分GPS 技術，能夠實現(xiàn)厘米級別的精度。它在差分GPS 的基礎上，加入了相位觀測量和載波相位差分處理，從而實現(xiàn)更高的精度和穩(wěn)定性。

VRS則是一種基于虛擬基站網(wǎng)絡的高精度定位技術。它采用了與RTK類似的原理，但VRS的參考站位置更為靈活，能夠自適應地根據(jù)需要進行調整和優(yōu)化，從而實現(xiàn)更高的精度和穩(wěn)定性。

以上這些誤差消除方法都能夠有效提高空間定位和測量的精度，從而為差分GNSS 無人機航測技術在城鄉(xiāng)供水勘測中的應用提供了有力的支持。

3 城鄉(xiāng)供水工程勘測中的差分GNSS無人機航測技術應用

3.1 航線規(guī)劃

航線的規(guī)劃和設計直接關系到數(shù)據(jù)采集的效率和數(shù)據(jù)的質量。因此，在進行航線規(guī)劃時，需要充分考慮勘測區(qū)域的地形、地貌、地物等因素，制定合理的航線方案，以確保數(shù)據(jù)采集的效率和質量。

對于城鄉(xiāng)供水工程勘測，由于涉及復雜的地形和地貌，航線規(guī)劃更為重要。在航線規(guī)劃過程中，需要考慮到勘測區(qū)域的地形和地貌情況，避開可能的障礙物，同時保證數(shù)據(jù)采集的全覆蓋和重疊度，從而確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性[3]。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

在差分GNSS 無人機航測技術中，數(shù)據(jù)采集和處理是非常重要的一環(huán)。數(shù)據(jù)的采集和處理質量直接決定了數(shù)據(jù)的可用性和精度。因此，在進行數(shù)據(jù)采集和處理時，需要進行細致、認真地操作，以確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

對于城鄉(xiāng)供水工程勘測，數(shù)據(jù)采集和處理的重點是對水源、水質等方面的數(shù)據(jù)進行采集和處理。差分GNSS 無人機航測技術可以實現(xiàn)對水源、水質等方面的數(shù)據(jù)的全面、高效、精確地采集和處理，為城鄉(xiāng)供水工程的規(guī)劃和設計提供了重要數(shù)據(jù)支持。

3.3 無人機航線設計案例分析

以某市水源地勘測為例，本文設計了一組差分GNSS無人機航測方案，具體方案如下：

1）航線規(guī)劃

針對該水源地的地形和地貌情況，本文采用了飛行高度60m、重疊度80%、航向間距70m、航線間距200m的航線方案。

2）數(shù)據(jù)采集與處理

本文采用了國際通用的無人機航測數(shù)據(jù)采集和處理流程。數(shù)據(jù)采集使用了無人機搭載的相機采集航拍影像數(shù)據(jù)，并配合差分GNSS 技術獲取影像的空間坐標和高程信息。在采集數(shù)據(jù)時，需要根據(jù)實際勘測需求和采集環(huán)境進行相應的參數(shù)設置和調整，如航拍高度、重疊度、速度等。

完成數(shù)據(jù)采集后，需要對采集的影像進行后處理，以獲得高精度的地理信息數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理流程主要包括以下幾個步驟。

①基礎數(shù)據(jù)處理：對航拍影像進行去畸變、校正、裁剪等基礎處理，以獲得準確的影像坐標和高程信息。

②數(shù)據(jù)匹配：通過影像匹配算法，將不同影像之間的共同特征點進行匹配，以獲得影像之間的相對位置關系。

③數(shù)字表面模型（DSM）生成：基于影像匹配結果，生成DSM，獲得地面表面高程信息。

④正射影像生成：利用DSM和相應的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行正射校正，獲得無重疊的正射影像。

⑤特征提取和分類：對正射影像進行特征提取和分類，以獲取更豐富的地物信息。

3）無人機航線設計案例分析

以某市某水廠供水管網(wǎng)為例，采用差分GNSS無人機航測技術進行勘測。首先，根據(jù)勘測范圍和航拍參數(shù)，設計了一條合適的航線，航線總長約為15km，飛行高度為150m，重疊度為70%。

在采集數(shù)據(jù)過程中，采用了RTK 差分GPS 技術，確保數(shù)據(jù)的高精度和實時性。在數(shù)據(jù)處理過程中，利用Pix4D Mapper Pro 軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，獲得了高精度的地理信息數(shù)據(jù)和地形模型。

通過數(shù)據(jù)處理和分析，獲得了水廠供水管網(wǎng)的精確地理信息和地形模型，為后續(xù)的設計、施工和運營提供了有力的支持和保障。同時，差分GNSS 無人機航測技術具有快速高效、低成本、高精度等優(yōu)點，可以廣泛應用于城鄉(xiāng)供水工程勘測和設計中[4]。

4 數(shù)據(jù)建庫

4.1 數(shù)據(jù)存儲與管理

無人機航測技術所采集的數(shù)據(jù)量龐大，因此需要進行有效地存儲和管理。一般采用云存儲技術，將數(shù)據(jù)上傳至云端存儲服務器，便于多人協(xié)同工作和數(shù)據(jù)共享。同時，在數(shù)據(jù)存儲時需要注意數(shù)據(jù)的備份，以防止數(shù)據(jù)丟失或損壞。數(shù)據(jù)備份一般采用數(shù)據(jù)鏡像或者數(shù)據(jù)同步的方式，保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

4.2 數(shù)據(jù)分析與應用

無人機航測技術采集到的數(shù)據(jù)可以用于城鄉(xiāng)供水工程的規(guī)劃、設計和施工等多個方面。其中，數(shù)據(jù)處理和分析是數(shù)據(jù)應用的重要環(huán)節(jié)。

4.2.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)配準和數(shù)據(jù)去噪等步驟。數(shù)據(jù)預處理主要是對原始數(shù)據(jù)進行篩選和過濾，保留有用的數(shù)據(jù)，同時去除掉一些誤差數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的質量和準確性。數(shù)據(jù)配準是將采集到的多個圖像進行配準，使得圖像之間具有相同的坐標系，從而進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。數(shù)據(jù)去噪主要是對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波處理，去除一些干擾數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的清晰度和可靠性。

4.2.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析包括特征提取、三維建模和數(shù)據(jù)分析等步驟。特征提取是根據(jù)城鄉(xiāng)供水工程的勘測需求，提取出相應的特征信息，例如地形高程、水系分布等。三維建模是將采集到的多個圖像進行三維建模，生成真實的三維模型，以便進行后續(xù)的工程規(guī)劃和設計。數(shù)據(jù)分析主要是對采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，例如水文分析、地形分析和水資源評價等。

5 結語

本文主要介紹了差分GNSS無人機航測技術在城鄉(xiāng)供水工程勘測中的應用，涵蓋了基本原理、航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集與處理以及數(shù)據(jù)建庫等方面。通過采用該技術，可以實現(xiàn)高精度、高效率、低成本地勘測，提高勘測精度和可靠性，為城鄉(xiāng)供水工程的規(guī)劃設計和施工提供了有力的支持。隨著無人機技術的不斷發(fā)展和應用的廣泛推廣，差分GNSS 無人機航測技術在城鄉(xiāng)供水工程勘測中的應用將越來越普遍。在未來的發(fā)展中，我們還需要進一步完善數(shù)據(jù)采集、處理和建庫等方面的技術，提高無人機航測數(shù)據(jù)的質量和可靠性，以更好地服務于城鄉(xiāng)供水工程勘測的需要。