基于PPK的機(jī)載雷達(dá)技術(shù)在市政測(cè)繪項(xiàng)目中的應(yīng)用

摘 要：機(jī)載雷達(dá)技術(shù)是一種新型的測(cè)繪數(shù)據(jù)采集技術(shù)，具備數(shù)據(jù)采集效率高、覆蓋面積大、精度可靠、安全性高等特點(diǎn)，PPK差分定位系統(tǒng)可以對(duì)無(wú)人機(jī)定位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化改善，顯著提高POS的定位精度，為無(wú)人機(jī)載體數(shù)據(jù)提供準(zhǔn)確的外方位元素。本文制定了基于PPK技術(shù)的機(jī)載雷達(dá)航測(cè)技術(shù)方案，并將其應(yīng)用在市政測(cè)繪項(xiàng)目中，最終結(jié)果表明基于PPK技術(shù)的無(wú)人機(jī)機(jī)載雷達(dá)技術(shù)方案可以有效減少測(cè)繪項(xiàng)目外業(yè)工作量，同時(shí)也可以滿足市政測(cè)繪大比例尺測(cè)圖成果精度要求。

關(guān)鍵詞：PPK；機(jī)載激光掃描；市政工程測(cè)量；激光點(diǎn)云文章編號(hào)：2095-4085（2024）06-0004-03

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷深入，市政測(cè)繪項(xiàng)目對(duì)測(cè)繪工作在精度、效率上的要求不斷提升。傳統(tǒng)的測(cè)繪方式，尤其是在城市大面積綠化地區(qū)、現(xiàn)狀大面積小區(qū)、城市現(xiàn)狀快速通道等類型的測(cè)區(qū)，早已無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)需要。近年來(lái)，機(jī)載雷達(dá)技術(shù)在軟硬件方面的快速發(fā)展給解決上述問(wèn)題提供了新的思路，該技術(shù)具備全天候、實(shí)時(shí)、非接觸、效率高等特點(diǎn)，可以快速、準(zhǔn)確的獲取對(duì)象空間信息［1］?？墒牵瑐鹘y(tǒng)的航測(cè)方式必須要布設(shè)相當(dāng)數(shù)量的地面像片控制點(diǎn)，相對(duì)來(lái)說(shuō)效率低，同時(shí)作業(yè)生產(chǎn)成本較高。怎樣有效減少地面像片控制點(diǎn)甚至免像控，同時(shí)又不影響或者少影響測(cè)繪成果精度的問(wèn)題變成近期測(cè)繪領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。動(dòng)態(tài)后處理差分定位技術(shù)（PPK）可以對(duì)無(wú)人機(jī)定位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化改善，顯著提高POS的定位精度，為無(wú)人機(jī)載體數(shù)據(jù)提供準(zhǔn)確的外方位元素，因此可以有效解決上述問(wèn)題［2-6］。

1 機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

1.1 機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的組成

機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的各部分組成及其主要功能：

（1）搭載的服務(wù)平臺(tái)：用于搭載激光雷達(dá)硬件設(shè)備有多種，可以是有人飛機(jī)、直升機(jī)、無(wú)人機(jī)、大中型熱氣球等搭載平臺(tái)，本文研究的主要載體為無(wú)人機(jī)。

（2）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GNSS接收機(jī)：可以保證飛機(jī)沿預(yù)設(shè)計(jì)航線飛行，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位掃描儀中心投影位置。

（3）激光測(cè)距硬件設(shè)備：用于激光發(fā)射點(diǎn)與地面反射點(diǎn)的距離測(cè)定，姿態(tài)測(cè)量單元：測(cè)定掃描裝置投影中心的瞬時(shí)姿態(tài)參數(shù)，主要包括外方位角元素等參數(shù)。

（4）成像設(shè)備：CCD相機(jī)等類型的設(shè)備，主要用于獲取飛行區(qū)域地面的實(shí)時(shí)影像數(shù)據(jù)信息，后期可用于制作成正射影像圖，為后續(xù)測(cè)繪成果生產(chǎn)提供輔助數(shù)據(jù)。

（5）數(shù)據(jù)記錄設(shè)備及預(yù)處理系統(tǒng)：用于記錄機(jī)載雷達(dá)相關(guān)的原始數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

1.2 機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的工作基本原理

對(duì)于測(cè)繪生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)主要獲取地面測(cè)區(qū)的有效定位信息，然后解算出目標(biāo)區(qū)域點(diǎn)云的空間三維坐標(biāo)以及其他幾何數(shù)據(jù)。工作原理如圖1所示。

通過(guò)GNSS接收機(jī)獲取A點(diǎn)空間信息，點(diǎn)P為測(cè)量目標(biāo)，通過(guò)已知點(diǎn)A的坐標(biāo)信息計(jì)算P點(diǎn)相對(duì)于點(diǎn)A在X、Y、Z軸方向上的增量ΔX、ΔY、ΔZ，通過(guò)公式計(jì)算：

XP=XA+ΔX，YP=YA+ΔY，ZP=ZA+ΔZ

結(jié)合飛機(jī)姿態(tài)參數(shù)：

ΔX=AQcosωsinφ+QPcosκ ，

ΔY=AQsinω+QPQsinκ ，

ΔZ=AQcosωcosφ ，

QP2=AQ2+AP2-2AQAPcosθ ，

AQ=APcosθ-AQsinθ1-b2 b ，

PQ=APsinθ1-b2 ，

其中θ為∠QAP的值，b=cosωsinφcosκ+sinκcosω

可以得出：

ΔZ=dcosθ-dsinθ1-b2cosωsinφ+dsinθ1-b2cosκ ，

ΔY=dcosθ-dsinθ1-b2bsinω+dsinθ1-b2sinκ ，

ΔZ=dcosθ-dsinθ1-b2bcosωcosφ ，

最終求得目標(biāo)點(diǎn)P的坐標(biāo)值。

2 市政測(cè)繪項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為市政快速路改造項(xiàng)目，選取其中立交區(qū)域?yàn)槔?，測(cè)區(qū)位于上海市東北部，面積約0.5km2，主要測(cè)量目標(biāo)為測(cè)區(qū)現(xiàn)狀快速路、廠房、地面道路、植被等，測(cè)區(qū)內(nèi)條件復(fù)雜，通視條件差，大部分區(qū)域人員無(wú)法到達(dá)，采用基于PPK的機(jī)載三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪作業(yè)可以快速、高效、安全的采集工程所需要的測(cè)繪成果。

2.2 航飛方案設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)區(qū)特點(diǎn)及目標(biāo)分布狀況，利用無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃軟件自動(dòng)化設(shè)計(jì)航線，經(jīng)檢查合格后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合及POS解算生成las格式的點(diǎn)云成果，然后通過(guò)點(diǎn)云去噪及分類處理，獲得地面點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域的點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)，后續(xù)通過(guò)后處理軟件及坐標(biāo)樁號(hào)參數(shù)得到當(dāng)?shù)鬲?dú)立坐標(biāo)系下的點(diǎn)云成果。獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，在測(cè)圖軟件中利用三維測(cè)圖模塊進(jìn)行二維、三維模型聯(lián)動(dòng)測(cè)圖，得到工程需要的DLG數(shù)據(jù)成果，整個(gè)項(xiàng)目測(cè)繪生產(chǎn)的流程如圖2所示。

根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)采用多旋翼無(wú)人機(jī)M300 RTK搭載AlphaUni20口袋激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，多旋翼無(wú)人機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

結(jié)合雷達(dá)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境主要飛行參數(shù)按照相對(duì)航高80m，航帶寬度50m，飛行速度5m/s，重疊度50%來(lái)設(shè)置，以滿足工程需要，整個(gè)航線規(guī)劃根據(jù)立交特點(diǎn)布置，保證測(cè)區(qū)全覆蓋，具體航線設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖3。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及精度評(píng)定

外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)采集完成之后首先進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，處理的步驟主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后差分處理、數(shù)據(jù)融合、去噪等流程，然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為項(xiàng)目所在的所需要的相應(yīng)坐標(biāo)系，最后生成LAS格式的數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要步驟如下：

（1）POS數(shù)據(jù)后差分處理。POS數(shù)據(jù)的后差分解算處理主要是利用基站數(shù)據(jù)、機(jī)載GNSS以及IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行解算處理來(lái)獲取高精度的POS數(shù)據(jù)。高精度POS數(shù)據(jù)的解算主要包括基站數(shù)據(jù)的預(yù)處理和軌跡數(shù)據(jù)的解算兩大部分，基站數(shù)據(jù)預(yù)處理首先將基站原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為解算所需要的相應(yīng)格式，然后將無(wú)人機(jī)移動(dòng)數(shù)據(jù)與預(yù)處理之后的基站數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，從而得到飛機(jī)高精度定位定姿數(shù)據(jù)和航線軌跡，最終獲取相機(jī)照片的高精度外方位元素?cái)?shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供支撐。

（2）點(diǎn)云融合處理。聯(lián)合經(jīng)過(guò)處理的POS數(shù)據(jù)、激光測(cè)角測(cè)距數(shù)據(jù)以及航測(cè)系統(tǒng)檢校數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)激光點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算處理，獲取激光點(diǎn)的空間坐標(biāo)，最后得到帶有絕對(duì)坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用處理得到的高精度定位定姿數(shù)據(jù)，使用CoPre1.0軟件進(jìn)行點(diǎn)云解算，從而得到帶有絕對(duì)坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的外業(yè)采集過(guò)程中，很容易受到激光反射、飛行姿態(tài)、天氣、風(fēng)速等各種因素的干擾，從而會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)云噪聲點(diǎn)、孤點(diǎn)、突變點(diǎn)等，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)還需進(jìn)行點(diǎn)云去噪處理，剔除錯(cuò)誤點(diǎn)、高程異常點(diǎn)等噪聲點(diǎn)。

（4）點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度評(píng)定。外業(yè)在立交整個(gè)飛行區(qū)域選取特征明顯部位布設(shè)9個(gè)檢查點(diǎn)，利用RTK測(cè)出檢查點(diǎn)三維坐標(biāo)，檢查點(diǎn)均勻分布于測(cè)區(qū)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理完成后，在處理后的點(diǎn)云上進(jìn)行精度檢驗(yàn)，將機(jī)載數(shù)據(jù)與RTK測(cè)量檢查數(shù)據(jù)獨(dú)臂，具體檢查結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看到，檢查點(diǎn)X方向最大較差5.3cm，Y方向最大較差5.7cm，高程最大較差5.5cm，從檢查點(diǎn)結(jié)果分析來(lái)看，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度完全可以滿足工程需要，精度到達(dá)了1∶500地形圖的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了基于PPK技術(shù)的機(jī)載雷達(dá)航測(cè)技術(shù)方案，并應(yīng)用在市政測(cè)繪項(xiàng)目中，通過(guò)具體項(xiàng)目的實(shí)施，結(jié)果表明該方案技術(shù)路線可行，有效地減少了外業(yè)工作量，獲得的成果滿足市政測(cè)繪大比例尺測(cè)圖成果精度要求。

（1）研究了基于PPK技術(shù)的機(jī)載雷達(dá)航測(cè)技術(shù)在市政測(cè)繪項(xiàng)目中的應(yīng)用方案，通過(guò)優(yōu)化飛行方案最終獲取了滿足項(xiàng)目需求的大比例尺測(cè)繪成果。

（2）解決了傳統(tǒng)測(cè)量方式無(wú)法直接進(jìn)入城市快速路、密林、大面積民居等區(qū)域測(cè)量的問(wèn)題，有效地保障了測(cè)繪人員安全，大大提高利潤(rùn)工作效率，同時(shí)保證了數(shù)據(jù)精度。

（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)豐富，全面有效解決了后續(xù)因工程需要帶來(lái)的修補(bǔ)測(cè)問(wèn)題。

基于PPK的機(jī)載雷達(dá)技術(shù)具備快速、高效、安全的優(yōu)勢(shì)，受天氣影響較小，同時(shí)具備穿透茂密林木獲取地面高程數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，在工程測(cè)量領(lǐng)域高效、高精度獲取大比例尺測(cè)繪成果的應(yīng)用中具有廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］張功鋒.機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)在道路測(cè)量中的應(yīng)用［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2021（20）：114-116.

［2］鄒勇平.POS輔助航空攝影測(cè)量應(yīng)用方法研究與誤差分析［D］西安電子科技大學(xué)，2010.

［3］張志友.免像控機(jī)載LiDAR技術(shù)在大比例尺地形測(cè)量中的應(yīng)用［J］. 地礦測(cè)繪，2021，37（2）：12-15，20.

［4］胡錦榮，劉濤，李甜，等.基于PPK的機(jī)載LiDAR在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用［J］.城市勘測(cè)，2022（2）：115-119.

［5］賈向東.城市CORS輔助的無(wú)人機(jī)影像免像控處理方法研究［D］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2019.

［6］史豐博.傾斜攝影和機(jī)載Lidar技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用研究［J］.甘肅科技，2022，38（3）：32-34.