PPP技術在無人機傾斜攝影測量中的應用研究

方小勤

（福建省閩西地質大隊，福建 三明 365000）

0.引言

傳統航空攝影測量通常采用機載POS數據和地面控制點聯合平差的方式進行空中三角測量。由于POS系統定位精度較低，外業仍需實測部分控制點，這就加大了野外工作量，工作效率偏低[1]。隨著差分GNSS技術廣泛應用于無人機測繪，實時動態差分（RTK）和動態后處理技術（PPK）逐漸成為主流方式，應用這兩種方法可以有效降低光束法平差對控制點的依賴，大大降低了生產成本，提高了工作效率，但仍存在著基準站與無人機之間通信距離較短等問題。

精密單點定位（PPP）技術是指利用分布全球的若干連續運行基準站的GNSS數據計算出的精密衛星軌道和衛星鐘差，對單臺GNSS接收機所采集的相位和偽距觀測值進行定位解算的技術。隨著各國導航定位系統的發展，多系統的組合定位則是提高精度的另一種思路。經研究表明：GLONASS和GPS組合精密單點定位雖在靜態條件下與GPS PPP定位精度相當，但在動態數據解算過程，GLONASS/GPS PPP則使大部分點位處理結果由于GPS PPP[2]。因此，精密單點定位對于空間點位，可以實現靜態和動態非差精密單點定位。該技術是實現全球精密實時動態定位與導航的關鍵技術，也是GNSS定位方面的前沿研究方向。

將PPP技術應用于無人機，即可實現動態條件下無人機的實時位置測量，為下一步地理信息成果生產提高精準空間控制依據，本文結合工作實踐，利用PPP技術，通過事后下載精密星歷的方式獲取無人機攝影瞬間的位置信息，實現無人機航攝在無基站情況下的精確定位。而后將精密單點定位獲取的攝站信息應用于無人機傾斜攝影測量的三維建模當中，量化評定PPP技術的定位優勢。

1.精密單點定位模型

1.1 時間與坐標系統的統一

設GPS、BDS和GLONASS三種衛星導航系統的時間基準為、和，由于三系統均采用原子時，具有相同的時間單位，但時間原點不一致，其中，GPS以UTC時1980年1月6日0時為時間原點；BDS以UTC時2006年1月1日0時為時間原點；GLONASS則采用與UTC時存在3小時時差的莫斯科協調時（UTCsu）為基準，不同時間系統的相互轉換關系如式（1）所示：

式（1）中，UTC（USNO）、UTC（NTSC）和UTC（SU）表 示GPS、BDS和GLONASS三系統協調世界時基準；n為國際原子時與UTC之間的調整參數；τr為GLOT與UTC（SC）之間1ms之內的系統偏差。

GPS、BDS和GLONASS三種衛星導航系統使用的坐標系統分別為WGS84、CGCS2000和PZ90，由定義知：與坐標系的參考橢球參數幾乎一致，對于無人機的普通飛行范圍而言，可以忽略不計。由俄羅斯MCC（Russian Mission Control Center）計算的坐標轉換七參數，可根據模型Bursa得到與間的轉換關系如式（2）所示：

1.2 非差觀測模型

對于PPP，多是依靠IGS機構提供的衛星鐘差來解決該部分誤差項，并應用雙頻接收機性能進一步消除電離層誤差。其中，PPP的載波相位觀測方程如式（3）所示：

（xi，yi，zi）為接收機天線的坐標；（xj，yj，zj）為衛星j的坐標。將式（4）進行線性化處理，得到方程式如式（6）所示：

2.無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影測量技術是近些年發展起來的一項新技術，無人機平臺上搭載多鏡頭傳感器，通過控制不同相機同時曝光時間和記錄同一時刻GNSS接收機點位信息數據[3,4]，對地面物體進行大重疊度影像攝取，獲取地面物體多角度影像和建筑物側面紋理信息。利用基于視覺的影像快速匹配技術進行特征點匹配和空中三角測量，獲取攝影瞬間影像外方位元素，恢復立體模型，建立密集點云并生成三維模型?；趦A斜攝影測量技術生產的三維模型具有影像分辨率高、地物紋理清晰、影像色調一致、生產效率高等諸多優點，同時，還可以簡單、高效自動生成數字地表模型（DSM）和正射影像圖（DOM）。

3.實驗與分析

3.1 數據獲取

此次實驗采用六旋翼無人機搭載五鏡頭傾斜攝影云臺和天寶BD930差分模塊進行傾斜攝影測量。天線相位中心與相機中心的偏心分量為△X=0.12m、△Y=0.01m、△Z=-0.014m。航攝過程中設定航向重疊度80%，旁向重疊70%，航高110m，地面分辨率0.05m。相機檢校參數文件主要包括像主點坐標、像元、焦距、徑向畸變差等。此次飛行獲取的影像數據清晰，色調一致，航攝成果質量滿足規范要求。

3.2 POS處理

Waypoint Inertial Explore軟件是一款對集成IMU與GNSS信息的數據進行后處理的軟件，利用該軟件對基準站和移動站記錄的數據進行事后解算，獲得差分后的高精度POS數據。同時利用48h后下載的精密星歷和天寶BD930差分模塊記錄的移動站差分數據，在不依靠基準站的情況下，利用精密單點定位技術解算出較高精度的無人機飛行軌跡和相機相位中心坐標，兩種方法的部分解算結果（如表1、表2所示）：

表1 采用動態后處理技術（PPK）解算POS成果

表2 采用精密單點定位技術（PPP）解算POS成果

從軟件分析可知：采用差分后處理方式（PPK）獲得的POS數據平面解算為0.012m，高程精度為0.021m，采用精密單點定位（PPP）獲得的POS數據平面解算為0.038m，高程精度為0.064m。

3.3 三維模型建立

利用無人機影像和POS數據經GNSS輔助空中三角測量，可以有效構建地面三維點云，進一步生產出DEM、DOM和三維模型等地理信息成果。根據地物成像特點及幾何物理特征，可以直觀判讀出地物屬性，而地物特征點坐標則主要依賴于光束法平差解算結果。本文采用的Contextcapture是一款全自動實景建模軟件，自動化程度和三維模型質量都是目前相關技術的最高水準，被廣泛應用于無人機傾斜攝影測量中，使用該軟件建?；玖鞒蹋ㄈ鐖D1所示）：

圖1 三維建模流程圖

應用Contextcapture軟件完成傾斜攝影測量三維建模，截取空中三角測量及三維模型效果（如圖2、圖3所示）：

圖2 空中三角測量

圖3 三維模型構建

4.模型精度分析

為驗證精密單點定位在無人機傾斜攝影測量中構建完成三維模型的精度，我們使用GNSS接收機，采用網絡RTK模式在實驗區內實測了12個特征點，其中，點位平面測量精度優于2cm，高程測量精度由于5cm。同時，為了比較精密單點定位和差分后處理定位兩種方式的精度差異，分別應用兩組POS數據完成三維模型構建。通過Acute3D Viewer軟件可以從模型上獲取任一點的平面坐標和高程，同時，還可以量測任意兩點的距離、坡度和指定區域體積等信息。這里僅從兩種無控制點條件下建立的三維模型中量測特征點坐標，并與實測特征點坐標進行對比，結果（如表3所示）：

表3 三種測量方式坐標成果對比

PPP方式坐標分量中誤差為：

結合規范要求與比較，發現實驗區域采用動態后處理技術和精密單點定位技術獲取POS數據制作的三維模型，點位量測精度均能夠達到分米級，雖然PPP方式的量測精度略差，但完全可以滿足一般條件下的精度要求，幾乎可以取代PPK無人機定位方式。

5.結束語

本文通過研究融合BDS、GPS和GLONASS三系統的精密單點定位模型，對無人機機載端動態觀測數據進行事后處理，在不架設基準站的情況下得到了無人機飛行過程各攝站點相位中心的精確坐標，而后借助Contextcapture軟件，完成了無人機傾斜攝影測量的GNSS輔助空中三角測量和三維模型構建。實驗表明：精密單點定位所測的攝站坐標用于制作三維模型，定位量測精度可以達到分米級，與差分型無人機所測結果精度相當，基本能夠滿足保障任務需求。因此精密單點定位可以作為無人機測繪定位方式的有效補充，對提高數據獲取效率和提升定位精度具有積極作用。