基于PPK技術的消費級無人機航測像控點布設方法優化

唐磊　張振軍　楊松　施宏揚

摘要：為了保證河道地形測量成果精度，大幅減少像控點野外布設的數量以及外業工作量，采用基于PPK技術的消費級無人機對河南省淅川縣丹江河大橋工程區進行低空攝影測量。共布設16個像控點，并用GNSSRTK測量各點的固定解，在地面已知點架設GNSS基準站，將其設置為與無人機機載GNSS接收機同步采集數據。制定了6種技術方案對內業數據進行處理，后期數據處理運用ContextCapture軟件并將生成的DOM、DSM成果與真實測量數據進行對比研究。結果表明：除方案3計算成果不滿足1：2000精度要求外，其余方案成果均滿足要求。相較于完全采用像控點測量，基于PPK消費級無人機測量能夠減少像控點布設，解決了在復雜地區布設像控點困難的問題，提高了野外作業效率;但野外作業完全不依靠像控點完成影像采集能否滿足測圖需求，還需更多試驗數據分析。

關鍵詞：河道地形測量;像控點布設;航測數據處理;消費級無人機;PPK;POS

中圖法分類號：P231文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.006

隨著無人機技術的飛速發展，消費級無人機以其快捷方便、成本低廉、機動靈活及功能多樣化的優勢成為河道地形測量數據采集的主要手段。但由于無人機攜帶的是非量測相機，且飛行不穩定，生成的影像畸變差較大，在后續處理中需布設較多的控制點提高精度，加大了工作量。而基于后處理差分技術（Post-ProcessingKinematic，PPK）的無人機在保證測量成果精度的同時，大大減少了像控點野外布設的數量”。本文主要研究了兩種像控布設方案，即完全依靠野外像控點和僅使用PPK消費級無人機航測，并對比分析兩種方案在河道地形測量中的精度。

1無人機航測PPK工作原理

GNSSPPK是一種基于載波相位測量的后處理差分定位技術，可在后處理情況下獲得厘米級的平面和高程定位結果。PPK作業模式利用同步觀測的1臺基準站接收機和至少1臺流動站接收機對衛星的載波相位進行觀測;事后在計算機中利用GNSS處理軟件進行線性組合，形成虛擬的載波相位觀測量值，確定接收機之間達到厘米級的相對位置;最后進行坐標轉換得到流動站在地方坐標系中的坐標[2]。

無人機PPK即用無人機搭載配備PPK的高精度GNSS接收機，在地面布設1臺基準站接收機對衛星的載波相位進行觀測，事后在專業的數據處理軟件中進行處理，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觀測值參與攝影測量區域網平差，可同時獲得高精度的內、外方位元素成果，實現更精確的像片定向引。

2設備選型和技術路線

研究采用大疆精靈4RTK小型無人機，該系統主要技術指標見表1。PPK系統采用中海達UBASE套裝，包含UBASE無人機地面站和后處理軟件2個部分，具體參數見表2。

無人機低空攝影測量的技術流程主要包括：飛行方案設計、像控點（檢測點）布設及測量、航空攝影數據采集、數據處理形成成果數據（DSM成果、DOM成果點云數據及DLG等）、精度統計、成果提.交等，具體作業流程見圖1。

3工程應用案例

以河南省淅川縣丹江河大橋工程區無人機低空攝影測量為例，測圖比例尺1：2000，測區長度約3km，寬約1km。測區地處平原，地勢平坦，植被覆蓋少。首先進行外業像控點的布設，采用四周均勻布設、少量內部控制的方法，共布設16個像控點。采用GNSSRTK模式以圖根控制測量方法和精度現場實測像控點的三維坐標。無人機航拍時在地面已知點架設GNSS基準站，將其設置為與無人機機載GNSS接收機同步采集數據。

在無人機航測的內業數據處理環節，采用以下6種技術方案對消費級無人機航測的數據進行處理：①不采用PPK模式，采用全部16個像控點處理數據;②不采用PPK模式，選用其中的6個像控點處理數據，即xk16、xk17、xk21、xk40、xk43、xk46;③不采用PPK模式，選用其中的4個像控點處理數據，即xk16、xk21、xk40、xk46;④采用PPK模式，以免像控的形式處理數據;⑤采用PPK模式，選用其中的6個像控點處理數據，即k16、k17、xk21、xk40、xk43、xk46;⑥采用PPK模式，選用其中的4個像控點處理數據，即xk16、xk21xk40、xk46。外業像控點的具體布設方案見圖2～4。

3.1外業像控點布設

航攝作業前，在測區范圍內采用四周均勻布設、少量內部控制的方法，均勻布設了16個像控點，并用GNSSRTK測量每個點的固定解，測量精度滿足圖根點精度要求。

3.2無人機飛行設置

無人機飛行高度設置為250m，地面分辨率（GSD）為6.9cm，飛行速度7m/s，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，共飛行5個架次，拍攝照片604張。

3.3數據處理

后期數據處理軟件采用中海達UBASE后處理軟件和攝影測量處理軟件ContextCapture。在Con-textCapture中，根據項目需求設置相關參數，導人原始照片、POS數據、像控點坐標后，自動化處理后生成數字表面模型（DSM成果）正射影像圖（DOM成果）。

其中，非PPK模式POS數據直接導入;PPK模式POS數據，首先采用中海達UBASE后處理軟件轉換為在地方坐標系中的坐標，再導入攝影測量處理軟件中，其余數據處理過程相同。具體流程見圖5。

3.4精度分析

作業人員在測區內共布設16個像控點，采用GNSSRTK共施測653個裸地面高程點。首先，在采用上述6種方案處理數據生成的正射影像圖（DOM成果）中，分別提取布設的16個像控點平面坐標，與GNSSRTK成果進行對比分析，計算平面中誤差。然后從生成的數字表面模型（DSM成果）中，分別提取16個像控點和653個高程檢測點對應的高程值，與GNSSRTK成果對比分析，計算高程中誤差。中誤差統計結果見表3，高程誤差分布見圖6。

按照GB/T17278-2009《數字地形圖產品基本要求》和GB/T15967-2008《1：5001：10001：2000地形圖航空攝影測量數字化測圖規范》規定，基本等高距為1m的1：2000比例尺地形圖丘陵地平面位置精度中誤差不得大于1.2m，高程精度中誤差不得大于0.5m。由此可看出，除方案3計算成果不滿足1：2000要求精度外，其余方案成果均滿足要求精度。

4結論

通過分析6種方案獲得的航測數據質量，可得出以下結論。

（1）全野外像控點、像控點的布設方案對成果精度的高低影響較大。目前廣泛采用的四周均勻布設少量內部控制的方法能較大提高平面和高程精度。

（2）使用基于PPK技術的消費級無人機作業，能夠減少像控點布設，解決了在復雜地區布設像控點困難的問題，提高了野外作業效率和成果精度。

盡管在某些應急測繪作業中，僅采取PPK無人機作業也能發揮一定作用，但若完全不依靠像控點完成的影像采集能否滿足測圖需求，還需更多試驗數據分析。尤其是在植被覆蓋豐富地帶、測量高程精度較差的情況下，有必要對布設像控點進行補充測量。

參考文獻：

[1]仝紅菊，江峻毅，胡守超.無人機PPK技術在電力工程中的應用[J].測繪通報，2018（S1）：108-111.

[2]王利鋒，王冰，楊令剛.Trimble無人機UX5HP在礦區測繪中的應用[J].測繪通報，2017（2）：155-156.

[3]李天.基于RTK技術的無人機在大比例尺地形圖測繪中的精度分析[J].測繪與空間地理信息，2019，42（3）：228.

（編輯：李曉朦）