CORS基站在低空無人機PPK技術處理中的應用研究

周烽松，楚彬，曾翔強

(湖南省測繪科技研究所,長沙 410007)

0 引言

隨著低空消費型無人機飛控和全球衛星導航系統(GNSS)模塊集成技術的飛速發展，有效地解決了傳統測量技術難以高效、全面獲取地形數據的困難，形成了對傳統航空攝影的有效補充.并以其快捷方便、價格低廉、機動靈活及功能多樣等優勢在工程建設、應急響應、應急處理、國土監測、資源開發、新基建等方面已成為獲取地形成果數據的重要手段，提供基準的數據支持[1-5].

現有低空無人機POS 位置數據是通過GNSS 模塊進行實時動態定位(RTK)測量獲取，而RTK技術易受地物遮擋、作業距離等因素影響造成RTK 失鎖，進而導致POS 位置數據精度較差，生成的地形影像數據畸變差較大.因此眾多學者使用動態后處理(PPK)技術來保證POS 數據精度和成果精度.文獻[6-7]在研究應用中使用PPK 校正減少了現場地面控制的時間；文獻[8]在作業區架設基站利用PPK技術，完成無人機POS 數據解算，實現了林業攝影測量中的免像控應用；文獻[9]在作業區架設基站結合PPK技術獲取高精度POS 數據輔助空三測量，完成了1∶500 比例尺的免像控測圖工作；文獻[10]為進一步降低工作負擔，提出利用單基站連續運行參考站(CORS)數據完成無人機傾斜攝影測量POS 數據的PPK技術處理，分析構建三維實景模型精度.

但是，上述研究中未詳細考慮CORS基站與作業區域之間距離變化對PPK 數據處理的精度影響.針對該問題，本文研究探討了不同距離情況下CORS單基站數據對無人機PPK 數據解算和成果數據的影響，并與無人機RTK 模式下獲取的數據及實測數據進行對比分析.

1 原理與實驗方法

1.1 實驗原理

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

圖1 CORS基站參與無人機PPK技術示意圖

在利用PPK技術獲取高精度POS 數據后，即可使用POS 輔助光束法區域網平差完成無人機影像空三處理，影像角元素、線元素和POS 數據的函數關系如下.

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

1.2 實驗流程

在實驗中，將首先使用精靈4 RTK 無人機對同一實驗區域完成RTK 模式和GPS 模式的兩次影像數據采集工作，并實地測量檢核點.同時為分析CORS基站與工作區域距離對PPK 計算的影響，本研究在實驗中選取了距實驗區域20 km、10 km 的CORS基站衛星采集數據和在實驗區域內架設與CORS基站同型號的地面基站進行衛星數據采集，并分別參與無人機GPS 模式下的PPK 解算.然后將上述三種PPK 解算結果更新于無人機GPS 模式獲取POS 數據中，進行DOM 與DSM 的數據生成.最后與RTK 模式下生成的DOM、DSM 及實測檢核點的位置坐標進行對比分析.具體技術路線如圖2 所示.

圖2 技術路線圖

2 實驗研究

2.1 數據獲取

本次實驗區域位于湖南某丘陵地區，實驗設備采用大疆精靈4 RTK 多旋翼無人機.無人機設置飛行高度為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.并在實驗區域按均勻分布的原則布設18 個檢核點[11-12]，檢核點采用CORS與全站儀結合的方法進行測量，并完成了2 000 國家大地坐標系(CGCS2000)高斯投影3°坐標轉換.實驗區域與檢核點分布如圖3 所示.

圖3 實驗區檢核點及實驗區基站位置圖

2.2 數據處理

將利用中海達無人機PPK 后處理軟件對實驗數據進行處理，對基站數據和無人機衛星觀測數據進行聯合計算；并將利用大疆智圖完成各類POS 數據讀取、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據.數據A 為RTK 模式的影像及位置數據利用大疆智圖制作DSM、DOM；數據B、C、D 分為GPS 模式獲取的數據聯合距實驗區域20 km、10 km 的CORS 站基準數據及實驗區基站數據生成的DSM、DOM.并行檢查點對四類數據進行精度檢查，四類數據的真誤差計算結果如圖4 和表1所示.

由表1 及圖4 可知，數據A 與數據D 的差值范圍較為接近，并且各方向差值小于0.1 m 的點數量也較多；數據B 的表現較差，尤其是在高程方向上；數據C 的結果介于數據A 與數據B 之間.該統計結果表明CORS基站距離在一定程度上能夠影響數據成果質量.

表1 4 種數據的檢查點點位坐標誤差統計 m

圖4 各數據誤差圖

3 分析與討論

為進一步討論四類數據在DOM、DSM 的精度，本研究對四類數據的檢查點在X、Y和高程方向進行了中誤差對比和誤差分布比較，結果如表2、圖5～6所示.

表2 四類數據的檢查點中誤差對比 m

圖5 各數據平面與高程方向誤差圖

由圖5 和圖6 對比分析可知，數據A、C、D 各點之間分布較為集中，數據B 則分布在外圍，并且數據B 的偏差范圍要大于數據A、C、D；數據偏差范圍較小的為數據A 和D，但數據A 在X方向上優于數據D，但數據D 在Y方向上優于數據A.由此說明，PPK技術在無人機數據處理上可以達到與RTK技術相當的精度水平，但在一定程度上受基站距離的影響.

圖6 各數據X 與Y 方向誤差圖

進一步由表2 可知，數據A 與數據D 在平面與高程方向上中誤差相差不大，數據C 與數據A、D 中誤差較接近；數據B 檢驗結果與其余三類數據存在較大差距，尤其在高程方向差異更大.四類數據的整體精度為A＞D＞C＞B，并且數據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，而數據B 則不能滿足標準要求.由此可以說明融合CORS 觀測數據的PPK技術可以提高無人機在GPS 模式下POS 數據的精度，并制作出符合相關規范的產品.但其表現受距離因素影響明顯，當CORS基站距工作區域較近為10 km 時，其相關成果精度能接近RTK 模式和實驗區域基站的處理結果；當CORS基站距工作區域較遠為20 km 時，其產品成果精度下降較快，尤其在高程方向表現明顯.

4 結束語

本文針對CORS基站與作業區域之間距離變化對PPK 數據處理的精度影響，結合CORS基站數據、地面基站數據、無人機數據和地面檢核數據進行驗證分析.結果表明：CORS基站處理成果在丘陵地區受距離影響明顯，CORS基站距離工作區域在10 km時，其誤差略低于工作區架設基站和無人機RTK 模式獲取的成果，可以滿足1∶1 000 比例尺測圖要求；當CORS基站距離工作區域20 km 時，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，在適當距離內可以利用CORS基站取代實地架設基站完成PPK技術處理，輔助無人機獲取高精度POS 數據，進而完成高精度產品制作，并進一步降低外業工作強度和人員負擔.