鄔 金,王 平，王 久，吳星華，蘇希華

(1.交通運(yùn)輸部南海航海保障中心，廣州 510235； 2.廣州海事測(cè)繪中心，廣州 510235； 3.地瀛儀器科技(上海)有限公司，上海 201612)

1 研究背景

海岸地形測(cè)繪是海事測(cè)繪的重要內(nèi)容，我國有18 000 km長的大陸海岸線和14 000 km長的島礁海岸線，需定期測(cè)繪或修測(cè)。如此巨大的工作量，無論采用常規(guī)海岸地形測(cè)繪技術(shù)，還是航空攝影測(cè)量技術(shù)，都無法實(shí)現(xiàn)全覆蓋、全要素測(cè)繪的要求[1]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)碼相機(jī)測(cè)量技術(shù)等的發(fā)展，使用無人機(jī)進(jìn)行航空攝影測(cè)量的技術(shù)已比較成熟，無人機(jī)航拍影像具有高清晰、大比例尺、小面積、高現(xiàn)勢(shì)性的優(yōu)點(diǎn)，因此采用無人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行海島礁海岸地形測(cè)量將是一個(gè)很好的嘗試，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

南海島礁遠(yuǎn)離大陸，分布零散，難以到達(dá)，所以無法利用常規(guī)測(cè)量手段實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的測(cè)繪工作；且一般的島礁地物目標(biāo)單一，難以布設(shè)控制點(diǎn)，無法獲得航空影像所需的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。

隨著北斗 CORS 系統(tǒng)在全國的建設(shè)，采用基于 CORS 基站的 POS 輔助的海島礁無控制點(diǎn)測(cè)量方法，是實(shí)現(xiàn)南海島礁測(cè)量的有效途徑之一。

目前，海島區(qū)域航空攝影作業(yè)的主要方式是常規(guī)航空攝影。然而，常規(guī)航空攝影作業(yè)成本高、周期長，受天氣及飛機(jī)場(chǎng)地等因素制約，難以滿足實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)區(qū)域地理信息數(shù)據(jù)的要求。無人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)手段具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、無需專業(yè)起降機(jī)場(chǎng)、超低空飛行、超高分辨率、天氣要求低和實(shí)施便捷、成本低等特點(diǎn)，能夠獲取高清晰、大比例尺、高現(xiàn)勢(shì)性的影像資料，已經(jīng)成為獲取遙感信息的一種重要手段。將無人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用于海岸帶及海島礁的測(cè)圖生產(chǎn)或海圖更新是其在海事測(cè)繪領(lǐng)域中應(yīng)用的拓展[2]。

近年來，隨著導(dǎo)航、電子、材料等科技的發(fā)展，POS系統(tǒng)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并在大飛機(jī)航空遙感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，取得了很好的效果。在航空攝影測(cè)量過程中不僅可以大大減少甚至省去外業(yè)地面控制點(diǎn)的布設(shè)和測(cè)量工作，而且可以簡(jiǎn)化內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作流程，改進(jìn)數(shù)據(jù)處理工藝，進(jìn)而達(dá)到提升工作效率、減少生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本的目的。近年來，隨著一些高性能MEMS POS在無人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，此類POS在無人機(jī)航測(cè)中應(yīng)用還較為鮮見，有必要開展無人機(jī)POS航測(cè)系統(tǒng)集成相關(guān)技術(shù)研究和試驗(yàn)，使小型POS系統(tǒng)在低空遙感領(lǐng)域發(fā)揮應(yīng)有的作用，為我國遠(yuǎn)海島礁測(cè)繪提供可靠的測(cè)繪技術(shù)保障。

本文結(jié)合海島礁地形，對(duì)基于POS輔助的海島礁無控制點(diǎn)航測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，分析基于POS輔助低空無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要求，并對(duì)此技術(shù)開展了測(cè)圖試驗(yàn)與精度驗(yàn)證，通過實(shí)地試驗(yàn)論證基于 CORS 基站的 POS 數(shù)據(jù)解算和基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)(Precise Point Positioning，簡(jiǎn)稱PPP)技術(shù)的 POS 數(shù)據(jù)解算2種方法來實(shí)現(xiàn)海島礁無控制測(cè)量作業(yè)的技術(shù)可行性，并分析兩者的精度指標(biāo),為今后南海島礁海岸帶地形獲取工作提供技術(shù)依據(jù)。

2 POS輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)

本次試驗(yàn)集成了一款高精度MEMS POS系統(tǒng)用于輔助無人機(jī)航空攝影測(cè)量，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(或少)地面控制點(diǎn)，甚至無需空中三角測(cè)量工序，即可直接定向測(cè)圖，從而大大縮短作業(yè)周期、提高生產(chǎn)效率、降低成本。由于該技術(shù)因其自身具備的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于各類航空攝影測(cè)量成圖項(xiàng)目。在實(shí)際生產(chǎn)中具體應(yīng)用此技術(shù)時(shí)一般采用2種方法，即直接定向法(Direct Georeferencing，簡(jiǎn)稱DG)和集成傳感器定向法(Integrated Sensor Orientation，簡(jiǎn)稱ISO)[3]。

POS數(shù)據(jù)解算主要采用基于CORS基站后處理差分技術(shù)和基于精密單點(diǎn)定位(PPP)技術(shù)。

對(duì)于基于后處理差分技術(shù)，當(dāng)攝區(qū)離基準(zhǔn)站較近時(shí)(推薦<20 km，建議最遠(yuǎn)不超過70 km)，這種方法的定位精度可達(dá)到2～5 cm；但當(dāng)站間距增加至200 km時(shí)，定位精度將顯著下降。差分GNSS的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，因此被廣泛應(yīng)用在基于DGNSS技術(shù)的POS輔助航空攝影測(cè)量中。其不足之處在于作業(yè)時(shí)至少需要一臺(tái)接收機(jī)置于基站上進(jìn)行同步連續(xù)觀測(cè)。對(duì)于人煙稀少、偏遠(yuǎn)的荒漠、戈壁區(qū)域，建設(shè)基站存在很大的困難。如果基站遠(yuǎn)離攝區(qū)，其基站的作用也相對(duì)降低[4]。

近些年來，PPP技術(shù)逐漸成熟。在該定位模式下，航攝時(shí)無需在地面布設(shè)基準(zhǔn)站，節(jié)省大量的人力和物力，并且簡(jiǎn)化外業(yè)航測(cè)流程。由此可見，精密單點(diǎn)定位技術(shù)將在航空攝影測(cè)量工作中發(fā)揮重要作用。

早在2011年，Trimble 公司推出了一種新型的實(shí)時(shí)差分?jǐn)U展技術(shù)(Real-Time eXtended)，這種實(shí)時(shí)定位服務(wù)不依賴基準(zhǔn)站就能提供厘米級(jí)定位精度。相比其他在線提供 PPP服務(wù)的系統(tǒng)，Trimble RTX可實(shí)現(xiàn)全星座支持，以此提升了載波相位模糊度求解及其收斂能力[5-6]。

3 基于POS輔助低空無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要求

根據(jù)目前國內(nèi)無人機(jī)調(diào)研來看，對(duì)于海島礁地形條件，固定翼不太適合。對(duì)于島上或陸地起飛情況，推薦采用油電混合動(dòng)力方式垂直起降固定翼無人機(jī)。對(duì)于小面積島礁，則建議采用電動(dòng)多旋翼無人機(jī)。

垂直起降固定翼無人機(jī)結(jié)合了固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，即借用了多旋翼無人機(jī)能夠不依賴起降場(chǎng)地，可在多種環(huán)境中起降的優(yōu)點(diǎn)，又吸納了固定翼無人機(jī)的長航時(shí)、大載荷和較高巡航高度的優(yōu)勢(shì)。因此，垂直起降固定翼無人機(jī)可以發(fā)揮極大的外場(chǎng)作業(yè)效率。對(duì)于遠(yuǎn)離陸地、陸地面積小的南海島礁來說，采用垂直起降固定翼無人機(jī)十分必要。

對(duì)于船載起飛情況，為安全起見，推薦采用純電動(dòng)垂直起降固定翼無人機(jī)或多旋翼電動(dòng)無人機(jī)[7]。

機(jī)載GNSS接收機(jī)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)多星多頻測(cè)量型GNSS接收機(jī)，搭載MEMS POS系統(tǒng)，其姿態(tài)精度：側(cè)滾角和俯仰角不應(yīng)>0.03°，航偏角不應(yīng)>0.08°。同時(shí)應(yīng)搭載高清數(shù)碼相機(jī)，像素應(yīng)在2 000萬以上[8]。

目前無人機(jī)航拍搭載高清相機(jī)能夠獲取0.05～0.2 m分辨率的航空影像，甚至更高，可以滿足1∶500～1∶5 000比例尺地形圖測(cè)繪要求。成果形式、質(zhì)量、格式等應(yīng)符合地形圖規(guī)范要求，以便與海圖編繪系統(tǒng)兼容[1,9]。

4 海島礁航測(cè)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

本次試驗(yàn)航攝區(qū)域選在舢板洲上，位于廣州市南沙東南 113°34′20″E—113°37′20″E，22°42′00″N—22°45′00″N范圍內(nèi)，面積約0.2 km2，岸線長0.45 km。島上有燈塔、鐘樓、碼頭、國旗等，具有海島礁代表性地形特點(diǎn)。

4.2 航線設(shè)計(jì)

測(cè)區(qū)飛行設(shè)計(jì)高度約為200 m，根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)高程，實(shí)際獲取影像的地面采樣間隔(GSD)優(yōu)于2.5 cm，符合設(shè)計(jì)需求。

利用mdCockpit地面站軟件進(jìn)行航線設(shè)計(jì)和自動(dòng)生成航線。其中航高200 m，航飛2架次。地面采樣為3 cm GSD，航向重疊度80%，旁向重疊度60%，地面安全高度20 m。由于測(cè)區(qū)面積小，海水面積大，采用大旁向重疊才能取得足夠影像用于空三加密計(jì)算。

4.3 POS輔助的無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)

本次試驗(yàn)采用microdrones md4-1000電動(dòng)四旋翼無人機(jī)平臺(tái)，集成APX-15 POS定姿定位系統(tǒng)與索尼黑卡Rx1R2高分辨率數(shù)碼相機(jī)集成的 POS相機(jī)進(jìn)行無人機(jī)航測(cè)試驗(yàn)。其中 POS定姿定位系統(tǒng)指標(biāo)見表1。

表1 APX-15 POS定姿定位系統(tǒng)指標(biāo)Table 1 Speification of APX-15 POS system

5 POS數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目采用Applanix的POSPac UAV軟件對(duì)機(jī)載POS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。POS數(shù)據(jù)主要由IMU(APX-15L)和GNSS以及衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)組成，其中POS后處理數(shù)據(jù)頻率為200 Hz。

5.1 基于CORS站后差分技術(shù)的POS數(shù)據(jù)解算

利用POSPac UAV軟件對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)架設(shè)的基站GNSS數(shù)據(jù)，采用后處理差分POS緊耦合算法分別進(jìn)行正向和逆向雙向解算，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合估算得到最優(yōu)軌跡。

為便于精度評(píng)估，對(duì)該數(shù)據(jù)采用地面基站數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理差分,定位精度為：平面中誤差2 cm，最大2.8 cm；高程中誤差3.5 cm，最大4.6 cm。

5.2 基于PP-RTX 技術(shù)的POS數(shù)據(jù)解算

由于傳統(tǒng)的PPP算法需等待大約兩周才能獲取到精密星歷和鐘差文件，且精度相對(duì)較低。所以本次試驗(yàn)決定采用PP-RTX技術(shù)，利用POSPac UAV軟件進(jìn)行POS數(shù)據(jù)處理。

“雖然馬上就要離開工作生活了三年的這片熱土，離開朝夕相處的學(xué)生、同事和朋友們了，但我的生命中已有了與二二二團(tuán)不可分割的聯(lián)系，今后無論身在何處，我將永遠(yuǎn)翹望、牽掛這里的一切?！痹處熗跷木暌酪离y舍之情溢于言表?！?/p>

同時(shí)對(duì)該數(shù)據(jù)采用PP-RTX算法進(jìn)行定位的誤差分析。分析結(jié)果表明平面中誤差為2 cm，最大為3.9 cm；高程中誤差為3.8 cm，最大為6.1 cm。

5.3 試驗(yàn)成果

本次試驗(yàn)分別利用Pix4D和Inpho軟件，采用ISO無控制點(diǎn)和引入單個(gè)控制點(diǎn)2種情況分別進(jìn)行空三處理。

本次試驗(yàn)共布設(shè)13個(gè)檢查點(diǎn)，基于ISO進(jìn)行POS輔助航測(cè)技術(shù)精度驗(yàn)證，均勻分布在精度驗(yàn)證區(qū)周圍。

按規(guī)范限差要求，1∶1 000成圖比例尺檢查點(diǎn)平面中限差≤±0.5 m，高程限差≥±0.28 m。檢查點(diǎn)實(shí)測(cè)成果均滿足這一精度指標(biāo)，說明本文POS輔助航空攝影方案符合要求。

5.3.1 無控制點(diǎn)ISO精度對(duì)比

表2給出利用測(cè)區(qū)內(nèi)基站進(jìn)行后處理差分與利用PP-RTX技術(shù)進(jìn)行POS數(shù)據(jù)處理，在無控制點(diǎn)情況下進(jìn)行ISO空三解算，從DOM成果中分別提取與檢查點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，進(jìn)行精度對(duì)比。

表2 無控POS輔助航空攝影ISO精度對(duì)比Table 2 Comparison of ISO precision of POS-aided photogrammetry without GCP

在無控制點(diǎn)情況下，對(duì)于POS輔助空三上述2種解算方案，后處理差分處理方案的精度要優(yōu)于PP-RTX方案。按相關(guān)規(guī)范檢查點(diǎn)精度要求，后處理差分和PP-RTX方案均可滿足1∶2 000測(cè)圖要求。

5.3.2 引入1個(gè)控制點(diǎn)ISO精度對(duì)比

表3給出了利用測(cè)區(qū)內(nèi)基站進(jìn)行后處理差分與利用PP-RTX技術(shù)進(jìn)行POS數(shù)據(jù)處理，在引入1個(gè)控制點(diǎn)情況下進(jìn)行ISO空三解算，從DOM成果中分別提取與檢查點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行精度對(duì)比。

表3 POS輔助空三(ISO，1個(gè)控制點(diǎn))測(cè)量精度對(duì)比Table 3 Comparison of survey accuracy of POS-aided aerotriangulation (ISO, 1 control point)

在引入1個(gè)控制點(diǎn)情況下，上述2種解算方案精度明顯提高。其中PP-RTX方案在條件理想情況下可滿足1∶500測(cè)圖要求。

5.3.3 海島測(cè)量成果

本次試驗(yàn)限于條件，航飛時(shí)間基本在試驗(yàn)地點(diǎn)高潮位期間，采用200 m航高2個(gè)架次，400 m一個(gè)架次，共飛行3個(gè)架次，獲取268張影像。

本文采用上述基于ISO PPP無控制點(diǎn)方案，生成一系列測(cè)區(qū)成果圖，見圖1[10]。

圖1 測(cè)區(qū)成果[10]Fig.1 Results of test area[10]

本次試驗(yàn)區(qū)域島礁面積太小，航測(cè)時(shí)拍攝的影像大多落在海面上，影像間連接性太差，需要一些人工干預(yù)處理來生成DOM。建議進(jìn)一步開展對(duì)于海島周邊水域空三加密(這些像片無法用于正確匹配連接點(diǎn))對(duì)精度影響問題、剔除海面配準(zhǔn)錯(cuò)誤的連接點(diǎn)等方面進(jìn)行研究[11]。

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié) 論

對(duì)于特殊困難地形條件(如海島礁、帶狀)， 基于POS輔助航測(cè)應(yīng)用，可利用高精度POS數(shù)據(jù)約束空三解算，大大減少連接點(diǎn)數(shù)量，減少航帶數(shù)量，旁向重疊率可低于40%，大大提高作業(yè)效率。

本文通過基于POS輔助的海島礁無控制點(diǎn)無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)研究與試驗(yàn)結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

(1)基于PPP的定位技術(shù)與后處理差分精度的POS解算精度相當(dāng)。這表明對(duì)于布測(cè)地面基站困難的海島礁測(cè)量項(xiàng)目，在無法設(shè)置地面GNSS基站的情況下，可采用PPP技術(shù)，通過POS輔助空三，可省掉地面基站的布設(shè)、觀測(cè)和計(jì)算工作。能夠滿足1∶2 000海島測(cè)量規(guī)范要求。

(2)當(dāng)CORS網(wǎng)中GNSS基站距離攝區(qū)在70 km范圍內(nèi)，建議采用基于后處理差分技術(shù)的POS輔助航測(cè)ISO解算方法，定位精度高。

(3)基于MEMS POS輔助無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)具有性價(jià)比高、機(jī)動(dòng)性好、作業(yè)效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)。

6.2 建 議

對(duì)于船載無人機(jī)起降作業(yè)方式，建議采用船上具有飛行甲板的船只，確保無人機(jī)起降安全。

建議海島礁岸線地形測(cè)量采用基于POS系統(tǒng)的免像控點(diǎn)無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)和ISO方案，按1∶2 000海島測(cè)量規(guī)范要求進(jìn)行施測(cè)。

本次試驗(yàn)采用的POS航向精度為0.08°，采用DG直接定向法航測(cè)難以滿足1∶2 000 海島測(cè)圖精度要求，建議進(jìn)一步開展在較低航高下(如<100 m)的相關(guān)精度驗(yàn)證。