余 力 王 晨 劉洪飛 賈偉潔

（1.河南省資源環(huán)境調(diào)查一院，河南 鄭州 450000；2.河南省自然資源監(jiān)測(cè)院，河南 鄭州 450000；3.河南測(cè)繪職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000；4.中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，北京 100083）

0.引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)由于造價(jià)低、效率高、效益好等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于多種測(cè)繪地理信息項(xiàng)目，極大地減輕了測(cè)繪工作者的外業(yè)工作量和強(qiáng)度，獲得的測(cè)量成果精度也能滿(mǎn)足大比例尺測(cè)圖對(duì)于精度的要求。但是，由于地形、測(cè)量環(huán)境等的限制，有的測(cè)量區(qū)域（如，高山、河流、危險(xiǎn)等）在進(jìn)行無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量時(shí)，像控點(diǎn)布設(shè)的數(shù)量少或者像控點(diǎn)布設(shè)得不均勻，不能滿(mǎn)足要求，這樣會(huì)直接導(dǎo)致測(cè)量成果的精度降低。如果不能很好地解決此問(wèn)題，則無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量的應(yīng)用將大打折扣。

RTK（Real-time kinematic）技術(shù)是一種基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的實(shí)時(shí)定位技術(shù)，而PPK（Post Processed Kinematic）技術(shù)是一種基于GNSS的動(dòng)態(tài)后處理定位技術(shù)，這兩種測(cè)量技術(shù)近年來(lái)發(fā)展比較迅速，在常規(guī)測(cè)量作業(yè)中發(fā)揮著重要作用，顯著地提高了測(cè)繪作業(yè)效率。如果在無(wú)人機(jī)作業(yè)中引進(jìn)RTK和PPK技術(shù)，則能很好地解決因像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量少或者分布不均勻等導(dǎo)致的測(cè)量精度低的問(wèn)題[1-5]。

1.兩種不同的無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模式

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量平臺(tái)無(wú)論是搭載RTK測(cè)量設(shè)備還是搭載PPK測(cè)量設(shè)備，都是通過(guò)不同的測(cè)量模式來(lái)獲取攝站的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，作為區(qū)域網(wǎng)平差中的附加非航空攝影測(cè)量觀測(cè)值，以空中控制取代地面控制的方法進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，進(jìn)而獲得地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。其根本上都是利用了GPS輔助空中三角測(cè)量的基本原理[2-4]。

1.1 基于RTK技術(shù)的無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量

RTK測(cè)量技術(shù)的基本工作原理是將一臺(tái)GNSS接收機(jī)置于基準(zhǔn)站上，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站同時(shí)同步接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，基準(zhǔn)站所獲得的觀測(cè)值結(jié)合已知位置信息得到差分改正值，然后基準(zhǔn)站將這個(gè)改正值通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳遞給移動(dòng)站，從而使移動(dòng)站獲得較準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)位置信息。

基于RTK的無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量是在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上搭載基于RTK模式的定位設(shè)備，將無(wú)人機(jī)視為流動(dòng)站，在無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量過(guò)程中實(shí)時(shí)獲得飛機(jī)的三維定位信息。目前，大多數(shù)基于RTK模式的無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量都不直接布設(shè)基準(zhǔn)站，而是直接利用連續(xù)運(yùn)行參考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）信號(hào)獲得差分改正值，進(jìn)而獲得飛機(jī)的三維定位信息，極大地提高了作業(yè)效率。

1.2 基于PPK技術(shù)的無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量

PPK技術(shù)是利用進(jìn)行同步觀測(cè)的一臺(tái)基準(zhǔn)站接收機(jī)和至少一臺(tái)流動(dòng)接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)量，并進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，省掉中間無(wú)線電傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)。在測(cè)量完成之后，使用GPS處理軟件進(jìn)行線性組合，形成虛擬的載波相位觀測(cè)量值，確定接收機(jī)之間厘米級(jí)的相對(duì)位置，然后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到流動(dòng)站在地方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

PPK技術(shù)與RTK技術(shù)既有共同點(diǎn)也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。共同點(diǎn)為：都具有全天候作業(yè)，作業(yè)效率高，自動(dòng)化、集成化程度高等優(yōu)點(diǎn)。RTK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以方便地利用CORS信號(hào)，作業(yè)過(guò)程中無(wú)須再架設(shè)基準(zhǔn)站，數(shù)據(jù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是在作業(yè)過(guò)程中差分信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳輸，受環(huán)境因素的影響較大；在作業(yè)過(guò)程中容易出現(xiàn)丟失差分信號(hào)的現(xiàn)象，尤其是在山區(qū)測(cè)量時(shí)作業(yè)距離受限嚴(yán)重。PPK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以在野外測(cè)量工作完成后進(jìn)行事后差分處理，不需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，無(wú)須考慮流動(dòng)站能否接收到基準(zhǔn)站播發(fā)的無(wú)線電信號(hào)等問(wèn)題，作業(yè)半徑可以達(dá)到30km2以上。缺點(diǎn)是在作業(yè)過(guò)程中需單獨(dú)架設(shè)基準(zhǔn)站，數(shù)據(jù)后處理過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。在RTK技術(shù)受到限制的區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量時(shí)可以利用PPK技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，觀測(cè)更為方便、自由，是對(duì)RTK技術(shù)的一種重要補(bǔ)充。

2.測(cè)量工程實(shí)例

為對(duì)比分析基于RTK和PPK兩種作業(yè)模式對(duì)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量中所獲得的成果的精度，作業(yè)人員分別使用了這兩種測(cè)量模式對(duì)兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行了無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量。并利用PIX4D軟件對(duì)航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，最后利用地理信息軟件制作了1∶1000地形圖。測(cè)繪成果完成后，又利用GPS（RTK）作業(yè)模式結(jié)合全站儀極坐標(biāo)采集法的方式采集了部分關(guān)鍵特征點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)（視其為觀測(cè)真值），對(duì)基于兩種不同作業(yè)模式的無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量所獲得的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)。特征點(diǎn)的采集遵循均勻分布、覆蓋全區(qū)的原則。精度評(píng)定采用平均誤差和中誤差兩個(gè)指標(biāo)，中誤差采用式（1）進(jìn)行計(jì)算。

其中，Δ為觀測(cè)值與真值的差值；n為參與統(tǒng)計(jì)的觀測(cè)值個(gè)數(shù)。

2.1 測(cè)區(qū)一

某高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)為平原與丘陵過(guò)渡區(qū)，測(cè)區(qū)面積1.8km2，地勢(shì)平緩（高差約4m），像控點(diǎn)易于布設(shè)。本次無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量共布設(shè)像控點(diǎn)8個(gè)，均勻覆蓋于測(cè)量區(qū)域（如圖1所示）。采用的無(wú)人機(jī)機(jī)型為大疆精靈4RTK，利用兩種作業(yè)模式分別進(jìn)行了航飛，獲得了高質(zhì)量的影像信息；并利用專(zhuān)業(yè)測(cè)繪地理信息軟件對(duì)航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，最終制作了1∶1000地形圖。測(cè)量成果完成后，利用GPS（RTK）作業(yè)模式結(jié)合全站儀極坐標(biāo)采集法的方式采集了關(guān)鍵特征點(diǎn)15個(gè)。

圖1 測(cè)區(qū)一范圍和像控點(diǎn)分布圖

經(jīng)對(duì)比分析，兩種作業(yè)模式所獲得的成果精度統(tǒng)計(jì)（如表1、表2所示）：

表1 精度統(tǒng)計(jì)表（測(cè)區(qū)一、RTK作業(yè)模式）單位：m

表2 精度統(tǒng)計(jì)表（測(cè)區(qū)一、PPK作業(yè)模式）單位：m

由表1、表2精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：在無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量中采用RTK作業(yè)模式，測(cè)區(qū)一中15個(gè)特征點(diǎn)在橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和高程方向的平均誤差分別為0.067m、0.074m和0.103m，中誤差分別為0.071m、0.079m和0.106m。而在采用PPK作業(yè)模式下，平均誤差分別為0.059m、0.072m和0.091m，中誤差分別為0.067m、0.078m和0.101m。從統(tǒng)計(jì)的整體平均誤差和中誤差來(lái)看，采用兩種模式進(jìn)行無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)精度基本相當(dāng)，采用PPK作業(yè)模式獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)比采用RTK作業(yè)模式獲得的數(shù)據(jù)精度稍高，基本上在一個(gè)數(shù)量級(jí)。

測(cè)區(qū)一由于地形相對(duì)平坦，便于布設(shè)像控點(diǎn)且像控點(diǎn)布設(shè)均勻，具備實(shí)時(shí)通訊條件，故基于兩種作業(yè)模式的無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量獲得的測(cè)量成果精度均較高，均能滿(mǎn)足大比例尺地形圖（1∶1000）測(cè)繪的精度要求。

2.2 測(cè)區(qū)二

某礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理項(xiàng)目，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)為礦產(chǎn)開(kāi)采所形成的深溝陡坡，測(cè)區(qū)面積1.3km2，周邊山高坡陡（高差約300m），地形破碎。受地形限制，像控點(diǎn)布設(shè)比較困難，僅在谷底布設(shè)了2個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)分布未均勻覆蓋整個(gè)測(cè)量區(qū)域（如圖2所示）。本次航空攝影測(cè)量采用的無(wú)人機(jī)機(jī)型為大疆精靈4RTK，利用兩種作業(yè)模式分別進(jìn)行了航飛，獲得了高質(zhì)量的影像信息；并利用專(zhuān)業(yè)測(cè)繪地理信息軟件對(duì)航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，最終制作了1∶1000地形圖。測(cè)量成果出來(lái)后，利用GPS（RTK）作業(yè)模式結(jié)合全站儀極坐標(biāo)采集法的方式采集了關(guān)鍵特征點(diǎn)11個(gè)。

圖2 測(cè)區(qū)二范圍和像控點(diǎn)分布圖

經(jīng)對(duì)比分析，兩種作業(yè)模式所獲得的成果精度統(tǒng)計(jì)（如表3、表4所示）：

表3 精度統(tǒng)計(jì)表（測(cè)區(qū)二、RTK作業(yè)模式）單位：m

表4 精度統(tǒng)計(jì)表（測(cè)區(qū)二、PPK作業(yè)模式）單位：m

由表3、表4精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：在無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量中采用RTK作業(yè)模式，測(cè)區(qū)二中11個(gè)特征點(diǎn)在橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和高程方向的平均誤差分別為0.123m、0.132m和0.197m，中誤差分別為0.128m、0.141m和0.207m。而在采用PPK作業(yè)模式下，平均誤差分別為0.072m、0.082m和0.121m，中誤差分別為0.079m、0.086m和0.123m。兩者相比較，在無(wú)人航空攝影測(cè)量中采用PPK作業(yè)模式比采用RTK作業(yè)模式平均誤差分別減小了0.051m、0.050m和0.076m，中誤差分別減小了0.049m、0.055m和0.084m，測(cè)量精度得到明顯提高。盡管在某些特征點(diǎn)的部分方向上，基于RTK作業(yè)模式獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)誤差更小，如特征點(diǎn)5和7的橫坐標(biāo)方向、特征點(diǎn)7和11的縱坐標(biāo)方向、特征點(diǎn)3的高程方向，但是，基于PPK技術(shù)獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)所有方向的平均誤差和中誤差更小，明顯比基于RTK技術(shù)獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)精度提高了5～8cm。

由測(cè)區(qū)二的測(cè)量實(shí)例可以明顯看到，在高差相對(duì)較大的山區(qū)進(jìn)行無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量，限于像控點(diǎn)難于布設(shè)、實(shí)時(shí)通訊條件差等因素，故采用PPK作業(yè)模式獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)精度明顯高于采用RTK技術(shù)所獲得的。原因在于兩種差分技術(shù)的工作原理不同，PPK技術(shù)由于是后處理技術(shù)，不受實(shí)時(shí)通訊條件的限制，因此具有更好的適應(yīng)性。

3.結(jié)束語(yǔ)

在無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量中引入RTK技術(shù)和PPK技術(shù)均能極大地減少地面像控點(diǎn)的布設(shè)工作量，提高作業(yè)效率，獲得的成果精度較高，能滿(mǎn)足大比例尺地形圖測(cè)圖對(duì)于測(cè)量成果的精度要求。

基于數(shù)據(jù)通訊鏈以及數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢(shì)，PPK技術(shù)能更好地適用于無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量作業(yè)，尤其是在像控點(diǎn)難以布設(shè)、實(shí)時(shí)通訊受限的地區(qū)。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于PPK技術(shù)的無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量可以有效地保證測(cè)量精度，其測(cè)量成果精度明顯高于基于RTK技術(shù)的無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量獲得的成果，具有較廣闊的應(yīng)用前景。