周烽松，楚彬，曾翔強(qiáng)

(湖南省測繪科技研究所,長沙 410007)

0 引言

隨著低空消費(fèi)型無人機(jī)飛控和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)模塊集成技術(shù)的飛速發(fā)展，有效地解決了傳統(tǒng)測量技術(shù)難以高效、全面獲取地形數(shù)據(jù)的困難，形成了對(duì)傳統(tǒng)航空攝影的有效補(bǔ)充.并以其快捷方便、價(jià)格低廉、機(jī)動(dòng)靈活及功能多樣等優(yōu)勢在工程建設(shè)、應(yīng)急響應(yīng)、應(yīng)急處理、國土監(jiān)測、資源開發(fā)、新基建等方面已成為獲取地形成果數(shù)據(jù)的重要手段，提供基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持[1-5].

現(xiàn)有低空無人機(jī)POS 位置數(shù)據(jù)是通過GNSS 模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)測量獲取，而RTK技術(shù)易受地物遮擋、作業(yè)距離等因素影響造成RTK 失鎖，進(jìn)而導(dǎo)致POS 位置數(shù)據(jù)精度較差，生成的地形影像數(shù)據(jù)畸變差較大.因此眾多學(xué)者使用動(dòng)態(tài)后處理(PPK)技術(shù)來保證POS 數(shù)據(jù)精度和成果精度.文獻(xiàn)[6-7]在研究應(yīng)用中使用PPK 校正減少了現(xiàn)場地面控制的時(shí)間；文獻(xiàn)[8]在作業(yè)區(qū)架設(shè)基站利用PPK技術(shù)，完成無人機(jī)POS 數(shù)據(jù)解算，實(shí)現(xiàn)了林業(yè)攝影測量中的免像控應(yīng)用；文獻(xiàn)[9]在作業(yè)區(qū)架設(shè)基站結(jié)合PPK技術(shù)獲取高精度POS 數(shù)據(jù)輔助空三測量，完成了1∶500 比例尺的免像控測圖工作；文獻(xiàn)[10]為進(jìn)一步降低工作負(fù)擔(dān)，提出利用單基站連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)數(shù)據(jù)完成無人機(jī)傾斜攝影測量POS 數(shù)據(jù)的PPK技術(shù)處理，分析構(gòu)建三維實(shí)景模型精度.

但是，上述研究中未詳細(xì)考慮CORS基站與作業(yè)區(qū)域之間距離變化對(duì)PPK 數(shù)據(jù)處理的精度影響.針對(duì)該問題，本文研究探討了不同距離情況下CORS單基站數(shù)據(jù)對(duì)無人機(jī)PPK 數(shù)據(jù)解算和成果數(shù)據(jù)的影響，并與無人機(jī)RTK 模式下獲取的數(shù)據(jù)及實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析.

1 原理與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

研究采用的低空無人機(jī)為大疆精靈4 RTK 無人機(jī)，其POS 系統(tǒng)集GNSS 定位技術(shù)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和云臺(tái)于一體，可直接獲得航攝相片的空間位置和姿態(tài)角引入到攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差模型，解算出影像的角元素和線元素.但由于該無人機(jī)搭載GNSS模塊，易受工作區(qū)域地形、建筑等因素影響無人機(jī)與遙控器的通信，進(jìn)而降低RTK 固定率，甚至變成單點(diǎn)解，降低最終數(shù)據(jù)的解算精度.而PPK技術(shù)是以基站數(shù)據(jù)為參照，能利用后處理動(dòng)態(tài)差分方法修正低空無人機(jī)位置數(shù)據(jù)，獲取無人機(jī)攝影瞬間的攝影中心的線元素.因此可以利用CORS基站數(shù)據(jù)參與無人機(jī)在單點(diǎn)解模式下PPK 的計(jì)算工作，提升POS 數(shù)據(jù)精度，進(jìn)而提升線元素精度，其工作原理如圖1 所示.

圖1 CORS基站參與無人機(jī)PPK技術(shù)示意圖

在利用PPK技術(shù)獲取高精度POS 數(shù)據(jù)后，即可使用POS 輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差完成無人機(jī)影像空三處理，影像角元素、線元素和POS 數(shù)據(jù)的函數(shù)關(guān)系如下.

式中：(XS,YS,ZS)為實(shí)際曝光時(shí)刻投影中心坐標(biāo)；R為3 個(gè)角元素構(gòu)成的正交變換矩陣；(x,y,-f)為像點(diǎn)在像空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；(X,Y,Z)GNSS為t時(shí)刻的攝站位置；(X,Y,Z)為像點(diǎn)在像輔助坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；(x,y,z)GNSS為天線相位中心坐標(biāo)；(ax,ay,az)和(bx,by,bz)分布為線性偏移系統(tǒng)誤差改正中固定參數(shù)與隨時(shí)間變化參數(shù)[7].

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

在實(shí)驗(yàn)中，將首先使用精靈4 RTK 無人機(jī)對(duì)同一實(shí)驗(yàn)區(qū)域完成RTK 模式和GPS 模式的兩次影像數(shù)據(jù)采集工作，并實(shí)地測量檢核點(diǎn).同時(shí)為分析CORS基站與工作區(qū)域距離對(duì)PPK 計(jì)算的影響，本研究在實(shí)驗(yàn)中選取了距實(shí)驗(yàn)區(qū)域20 km、10 km 的CORS基站衛(wèi)星采集數(shù)據(jù)和在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)架設(shè)與CORS基站同型號(hào)的地面基站進(jìn)行衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集，并分別參與無人機(jī)GPS 模式下的PPK 解算.然后將上述三種PPK 解算結(jié)果更新于無人機(jī)GPS 模式獲取POS 數(shù)據(jù)中，進(jìn)行DOM 與DSM 的數(shù)據(jù)生成.最后與RTK 模式下生成的DOM、DSM 及實(shí)測檢核點(diǎn)的位置坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析.具體技術(shù)路線如圖2 所示.

圖2 技術(shù)路線圖

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 數(shù)據(jù)獲取

本次實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于湖南某丘陵地區(qū)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用大疆精靈4 RTK 多旋翼無人機(jī).無人機(jī)設(shè)置飛行高度為150 m、地面分辨率4.1 cm、航向重疊度80%、旁向重疊度70%，在RTK 模式與GPS 模式下分別獲得529、528 張照片.并在實(shí)驗(yàn)區(qū)域按均勻分布的原則布設(shè)18 個(gè)檢核點(diǎn)[11-12]，檢核點(diǎn)采用CORS與全站儀結(jié)合的方法進(jìn)行測量，并完成了2 000 國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)高斯投影3°坐標(biāo)轉(zhuǎn)換.實(shí)驗(yàn)區(qū)域與檢核點(diǎn)分布如圖3 所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)檢核點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)區(qū)基站位置圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

將利用中海達(dá)無人機(jī)PPK 后處理軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)基站數(shù)據(jù)和無人機(jī)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算；并將利用大疆智圖完成各類POS 數(shù)據(jù)讀取、影像畸變修正、影像密集匹配、DSM 和DOM 生成，由此共生成了四類數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)A 為RTK 模式的影像及位置數(shù)據(jù)利用大疆智圖制作DSM、DOM；數(shù)據(jù)B、C、D 分為GPS 模式獲取的數(shù)據(jù)聯(lián)合距實(shí)驗(yàn)區(qū)域20 km、10 km 的CORS 站基準(zhǔn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)區(qū)基站數(shù)據(jù)生成的DSM、DOM.并行檢查點(diǎn)對(duì)四類數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢查，四類數(shù)據(jù)的真誤差計(jì)算結(jié)果如圖4 和表1所示.

由表1 及圖4 可知，數(shù)據(jù)A 與數(shù)據(jù)D 的差值范圍較為接近，并且各方向差值小于0.1 m 的點(diǎn)數(shù)量也較多；數(shù)據(jù)B 的表現(xiàn)較差，尤其是在高程方向上；數(shù)據(jù)C 的結(jié)果介于數(shù)據(jù)A 與數(shù)據(jù)B 之間.該統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明CORS基站距離在一定程度上能夠影響數(shù)據(jù)成果質(zhì)量.

表1 4 種數(shù)據(jù)的檢查點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)誤差統(tǒng)計(jì) m

圖4 各數(shù)據(jù)誤差圖

3 分析與討論

為進(jìn)一步討論四類數(shù)據(jù)在DOM、DSM 的精度，本研究對(duì)四類數(shù)據(jù)的檢查點(diǎn)在X、Y和高程方向進(jìn)行了中誤差對(duì)比和誤差分布比較，結(jié)果如表2、圖5～6所示.

表2 四類數(shù)據(jù)的檢查點(diǎn)中誤差對(duì)比 m

圖5 各數(shù)據(jù)平面與高程方向誤差圖

由圖5 和圖6 對(duì)比分析可知，數(shù)據(jù)A、C、D 各點(diǎn)之間分布較為集中，數(shù)據(jù)B 則分布在外圍，并且數(shù)據(jù)B 的偏差范圍要大于數(shù)據(jù)A、C、D；數(shù)據(jù)偏差范圍較小的為數(shù)據(jù)A 和D，但數(shù)據(jù)A 在X方向上優(yōu)于數(shù)據(jù)D，但數(shù)據(jù)D 在Y方向上優(yōu)于數(shù)據(jù)A.由此說明，PPK技術(shù)在無人機(jī)數(shù)據(jù)處理上可以達(dá)到與RTK技術(shù)相當(dāng)?shù)木人?，但在一定程度上受基站距離的影響.

圖6 各數(shù)據(jù)X 與Y 方向誤差圖

進(jìn)一步由表2 可知，數(shù)據(jù)A 與數(shù)據(jù)D 在平面與高程方向上中誤差相差不大，數(shù)據(jù)C 與數(shù)據(jù)A、D 中誤差較接近；數(shù)據(jù)B 檢驗(yàn)結(jié)果與其余三類數(shù)據(jù)存在較大差距，尤其在高程方向差異更大.四類數(shù)據(jù)的整體精度為A＞D＞C＞B，并且數(shù)據(jù)A、C、D 的平面與高程中誤差都小于10 cm，說明其成果都能滿足1∶1 000 比例尺的測繪成果制作，而數(shù)據(jù)B 則不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.由此可以說明融合CORS 觀測數(shù)據(jù)的PPK技術(shù)可以提高無人機(jī)在GPS 模式下POS 數(shù)據(jù)的精度，并制作出符合相關(guān)規(guī)范的產(chǎn)品.但其表現(xiàn)受距離因素影響明顯，當(dāng)CORS基站距工作區(qū)域較近為10 km 時(shí)，其相關(guān)成果精度能接近RTK 模式和實(shí)驗(yàn)區(qū)域基站的處理結(jié)果；當(dāng)CORS基站距工作區(qū)域較遠(yuǎn)為20 km 時(shí)，其產(chǎn)品成果精度下降較快，尤其在高程方向表現(xiàn)明顯.

4 結(jié)束語

本文針對(duì)CORS基站與作業(yè)區(qū)域之間距離變化對(duì)PPK 數(shù)據(jù)處理的精度影響，結(jié)合CORS基站數(shù)據(jù)、地面基站數(shù)據(jù)、無人機(jī)數(shù)據(jù)和地面檢核數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證分析.結(jié)果表明：CORS基站處理成果在丘陵地區(qū)受距離影響明顯，CORS基站距離工作區(qū)域在10 km時(shí)，其誤差略低于工作區(qū)架設(shè)基站和無人機(jī)RTK 模式獲取的成果，可以滿足1∶1 000 比例尺測圖要求；當(dāng)CORS基站距離工作區(qū)域20 km 時(shí)，其解算精度降低，平面與高程誤差均大于0.1 m，使得成果不能支持大比例尺測圖工作.因此，在適當(dāng)距離內(nèi)可以利用CORS基站取代實(shí)地架設(shè)基站完成PPK技術(shù)處理，輔助無人機(jī)獲取高精度POS 數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成高精度產(chǎn)品制作，并進(jìn)一步降低外業(yè)工作強(qiáng)度和人員負(fù)擔(dān).