許虹虹

（安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，安徽 淮南232001）

0.引言

攝影測(cè)量一直是地形圖測(cè)繪和更新的最有效和最重要的手段，利用像片繪制地形圖也是攝影測(cè)量的重要應(yīng)用。與平板儀測(cè)繪地形圖相比較，攝影測(cè)量的主要優(yōu)點(diǎn)為：作業(yè)速度快、效率高；作業(yè)范圍大、成本低；成圖質(zhì)量好、地貌表示逼真；工作自動(dòng)化程度高、外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度低；成果現(xiàn)勢(shì)性好[1]。目前，隨著攝影測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，使得無(wú)人機(jī)低空航空攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成為獲取地形數(shù)字成果的重要手段。無(wú)人機(jī)具有搭載質(zhì)量輕、體積小的高分辨率相機(jī)作為傳感器，可以快速獲取大比例尺的航測(cè)遙感數(shù)據(jù)的特性。傳統(tǒng)的航測(cè)作業(yè)，需事先布設(shè)大量的像控點(diǎn)保證數(shù)據(jù)處理的精度，為航測(cè)作業(yè)帶來(lái)了極大地不便。本文采用后差分處理系統(tǒng)進(jìn)行航測(cè)作業(yè)，整個(gè)測(cè)區(qū)僅布設(shè)幾個(gè)像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)檢核數(shù)據(jù)精度[2]。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成該區(qū)的DEM數(shù)字產(chǎn)品，通過(guò)野外檢核點(diǎn)和生成的數(shù)字產(chǎn)品的精度做比較，得到通過(guò)使用后差分處理系統(tǒng)進(jìn)行大面積的航測(cè)作業(yè)，完全可以滿足1∶1000及以上的項(xiàng)目精度要求。

1.衛(wèi)星定位的技術(shù)原理

1.1 RTK工作原理

RTK（Real Time Kinematic）測(cè)量系統(tǒng)由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量的軟件組成，是以載波相位觀測(cè)量為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)，它的工作原理為：在基準(zhǔn)站上放置一臺(tái)接收機(jī)，另外一臺(tái)或者幾臺(tái)接收機(jī)放置在移動(dòng)站上?；鶞?zhǔn)站和移動(dòng)站在同一時(shí)間接收相同的GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)[3,4]?；鶞?zhǔn)站獲得的觀測(cè)值與已知位置信息進(jìn)行比較，得到GPS差分改正值。然后將差分改正值通過(guò)無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈臺(tái)及時(shí)傳送給共視衛(wèi)星的移動(dòng)站精化GPS觀測(cè)值，得到經(jīng)過(guò)差分改正后移動(dòng)站比較準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)位置從而獲得具有厘米級(jí)別的定位效果。RTK測(cè)量定位技術(shù)作業(yè)速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低，提高了勞動(dòng)效率，并且操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)安全可靠沒(méi)有誤差的積累使得定位的精度高，完全可以滿足一般工程測(cè)量的精度要求。隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展其應(yīng)用前景將更為廣闊。

1.2 PPK工作原理

PPK技術(shù)，即動(dòng)態(tài)后差分處理技術(shù)。是利用載波相位進(jìn)行相位差分的衛(wèi)星定位技術(shù)[5-7]。PPK相較于RTK的優(yōu)勢(shì)在于：由于是事后處理，所以在測(cè)量過(guò)程中不受通訊距離的影響，并且由于省去了中間無(wú)線電傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)，其成本相較于RTK技術(shù)還有一定優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)PPK即用無(wú)人機(jī)搭載配備PPK的高精度GNSS接收機(jī)，在地面布設(shè)一臺(tái)基準(zhǔn)站接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星的載波相位進(jìn)行觀測(cè)，事后在專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行處理，得到每張像片正確的位置信息，而后將獲取的每張像片的外方位元素作為帶權(quán)觀測(cè)值參與攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差，這時(shí)可以同時(shí)獲得高精度的內(nèi)、外方位元素成果，實(shí)現(xiàn)更精確的像片定向。特別是無(wú)人機(jī)飛行距離比傳統(tǒng)人工測(cè)量距離更遠(yuǎn)，容易受到山脈、建筑的影響，所以PPK的運(yùn)用已經(jīng)相當(dāng)成熟[8]。

圖1后差分處理工作原理

PPK的作業(yè)原理（如圖1所示）：一臺(tái)基準(zhǔn)站接收機(jī)和一臺(tái)流動(dòng)站對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測(cè)，同時(shí)采集最少兩個(gè)歷元的觀測(cè)時(shí)間，從而解算主站和移動(dòng)站的基線解[9-12]，由于OTF初始化時(shí)解決了整周模糊度及其他相關(guān)問(wèn)題，從而使得主站和移動(dòng)站的共同觀測(cè)時(shí)間減少到只需要觀測(cè)兩個(gè)歷元。但是，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。無(wú)需電臺(tái)連接，因此不受地形限制，且作業(yè)比較簡(jiǎn)單，外業(yè)測(cè)量后在進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)后處理，相比較于RTK克服了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木窒蓿哂欣迕准?jí)別的定位效果。上述PPK的基本原理中觀測(cè)數(shù)據(jù)可用以下數(shù)學(xué)模型公式求得：

式中，φ為載波；λ為波長(zhǎng)；f為載波頻率；r（s）i和r（s）j分別是基準(zhǔn)站和用戶接收機(jī)到衛(wèi)星的幾何距離；r（s）i中的（xi，yi，zi）為基準(zhǔn)站的三維坐標(biāo)且為精確已知；r（s）j中的（xj，yj，zj）為用戶接收機(jī)的三維坐標(biāo)；I（s）i和I（s）j為電離層延遲；T（s）i和T（s）j為對(duì)流層延遲；δti和δtj分別為基準(zhǔn)站接收機(jī)和用戶接收機(jī)的鐘差參數(shù)；N（s）i和N（s）j分別為基準(zhǔn)站和用戶接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星s觀測(cè)載波相位的整周模糊度；ε和表示為觀測(cè)載波相位的噪聲誤差。

2.工程實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

此次測(cè)區(qū)為安徽某固體廢物處理站及周邊地區(qū)，測(cè)區(qū)范圍（如圖2所示），確定航測(cè)作業(yè)面積約6個(gè)平方，平均海拔650m。在Geoele Earth Pro上查看測(cè)區(qū)的地形地貌，測(cè)區(qū)整體呈現(xiàn)為條帶狀，東側(cè)為山峰，整體建筑物較低但密集，無(wú)高大建筑物。確定測(cè)區(qū)內(nèi)的最高建筑物。根據(jù)測(cè)區(qū)的地勢(shì)條件、影像數(shù)據(jù)資料和任務(wù)要求，制定合理的項(xiàng)目任務(wù)書。具體工作流程（如圖3所示）。包括：飛行器的選擇、像控點(diǎn)（檢核點(diǎn)）的選擇和布設(shè)、測(cè)區(qū)航線的設(shè)置（包括航高、影像的重疊率、地面分辨率和多處起降位置）。

圖2測(cè)區(qū)范圍

圖3工作流程圖

2.2 航測(cè)數(shù)據(jù)采集

為保證內(nèi)業(yè)處理（如空中三角測(cè)量和模型重建等）和后期模型的精度能夠達(dá)到要求，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)采用經(jīng)典的九點(diǎn)法進(jìn)行像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的布設(shè)（如圖4所示）：

圖4控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)分布圖

本次無(wú)人機(jī)系統(tǒng)選擇大疆六旋翼無(wú)人機(jī)M600 Pro進(jìn)行航測(cè)作業(yè)，該飛行器的主要技術(shù)指標(biāo)（如表1所示）：

表1無(wú)人機(jī)技術(shù)指標(biāo)

本次航測(cè)作業(yè)設(shè)置航向重疊度和旁向重疊度分別為70%和65%。保證影像分辨率的情況下，設(shè)置航高為350m。一共飛行了9個(gè)架次，一共生成了27條航線，拍攝了5300余張照片。無(wú)人機(jī)開始航測(cè)作業(yè)前至少10分鐘，架設(shè)好GPS-RTK接收機(jī)，設(shè)置為靜態(tài)模型，保證基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)。

外業(yè)作業(yè)完成后，對(duì)像片曝光的精準(zhǔn)位置進(jìn)行解算。中海達(dá)UVA-PPK軟件（如圖5所示）是一款基于桌面端的無(wú)人機(jī)后處理的RTK軟件，能夠提供較高的定位精度，當(dāng)完成解算后照片的曝光點(diǎn)變成綠色后，說(shuō)明有單點(diǎn)解變成固定解。

圖5 UAV-PPK解算POS數(shù)據(jù)

2.3 生產(chǎn)正射影像

將采集的像片數(shù)據(jù)、PPK處理后的POS數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)和相機(jī)的參數(shù)導(dǎo)入到Pix4Dmapper軟件中，經(jīng)過(guò)初始化處理、紋理和點(diǎn)云后處理，生成DEM數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理過(guò)程中生成的部分空三解算（如圖6所示），部分正射影像圖（如圖7所示）：

圖6部分空三解算圖

圖7部分正射影像圖

3.精度比較

為了檢驗(yàn)基于正射影像生成的地形圖是否滿足1∶1000及以上的大比例尺測(cè)圖要求，使用Global Mapper對(duì)事先布設(shè)好的21個(gè)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行提 取，與實(shí)測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行精度檢核。

表2平面精度檢核

表3高程精度檢核

圖8精度差值圖

平面精度檢查結(jié)果（如表2所示），其中平面檢查最小誤差0.04m，最大誤差為0.19m。根據(jù)公式可以計(jì)算出平面點(diǎn)位中誤差為0.031m。高程最小誤差為0.055m，最大誤差為0.258m。高程精度檢查結(jié)果（如表3所示），根據(jù)公式可以計(jì)算出高程點(diǎn)位中誤差為0.028m。兩種精度的差值圖（如圖8所示）。根據(jù)《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》（GB/T7930-2008），平原地區(qū)1∶500的平面中誤差限差為0.3m，1∶1000的平面中誤差為0.6m[13]。故此次項(xiàng)目證明了使用后差分處理系統(tǒng)可以滿足平原地區(qū)1∶1000地形圖測(cè)圖要求。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文基于無(wú)人機(jī)后差分技術(shù)，使用中海達(dá)UAV-PPK軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，獲取高精度的POS數(shù)據(jù)，采用Pix4Dmapper軟件進(jìn)行空中三角測(cè)量，生成了正射影像以及其他的數(shù)字模型產(chǎn)品。通過(guò)使用Global Mapper提取明顯檢查點(diǎn)的位置坐標(biāo)信息和相對(duì)應(yīng)的實(shí)地測(cè)量的檢查點(diǎn)做精度分析[14-16]?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：使用無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)時(shí)，采用無(wú)人機(jī)后差分處理技術(shù)，在6個(gè)平方的測(cè)區(qū)內(nèi)均勻的布設(shè)9個(gè)像控點(diǎn)，平原地區(qū)平面精度可以滿足1∶1000的測(cè)圖要求，接近1∶500的測(cè)圖要求，大大減少了外業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)的工作量，為大面積航測(cè)作業(yè)提供了極大地便利。