RTK和PPK融合差分技術的無人機攝影測量免像控測圖精度實證

任智龍 李風賢 柴生亮 李偉偉

(蘭州資源環境職業技術大學, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

隨著無人機技術的快速發展,無人機性能的不斷提升,無人機在測繪行業的應用得到了大力推廣[1-2]。無人機攝影測量技術被廣泛使用在大比例尺地形圖測繪工作中,一直以來無人機攝影測量以其快速高效的測圖方式得到了廣大業內人士的認可。使用無人機攝影測量技術進行地形圖測繪工作首先是利用無人機搭載的專業相機完成測區豎直影像或傾斜影像數據的采集,然后采用專業成圖軟件完成數字正射影像、數字高程模型和數字線劃圖的生產。傳統攝影測量為了在數字影像相對定向的情況下得到像點在空間的絕對位置,需要進行像控點測量,像控點坐標是攝影測量控制加密測圖的基礎[3]。然而隨著免像控技術的發展,全球衛星導航系統(global navigation satellite system,GNSS)輔助空中三角測量對航攝影像位置進行糾正,可提高航空影像的像點精度,使得攝影測量工作在沒有像控點的情況下其測量精度也能滿足生產要求,攝影測量免像控技術極大地提高了航空影像測圖的工作效率。然而在實際生產中免像控技術并未大量使用,為了確保測圖精度,在無人機攝影測量工作中都會進行像控點的測量。本文針對無人機攝影測量免像控技術中的動態后處理(post processed kinematic,PPK)技術和實時動態差分(real time kinematic,RTK)融合差分技術(簡稱“PPK、RTK融合差分技術”),設置對比實驗,采用多種方式完成基于PPK、RTK融合差分技術的無人機攝影測量免像控測圖任務,以驗證測量成果精度穩定、可靠,能達到1∶500比例尺地形圖成圖精度要求。同時對不同影像獲取方式及影像處理方法的免像控攝影測量測圖精度進行了比較,為從事相關生產和研究工作的人員提供參考依據。

1 PPK、RTK融合差分技術

RTK、PPK融合差分技術：通過對RTK技術和PPK技術進行比較,兩者各有優缺點,PPK技術采用的是觀測數據后期處理的模式,基準站和流動站之間無須建立實時的數據傳輸路徑,所以觀測時基準站和流動站之間不受信號傳輸距離的限制,它的優點是定位半徑大、定位精度高、操作簡單、技術相對成熟。但同時PPK技術由于是后期解算,使用者無法得到實時的坐標數據,無法實時看到觀測的精度,觀測時需要保持良好的觀測條件。PPK技術與RTK技術相結合,PPK技術保證了無論何種地形都可以獲得高精度的基礎定位數據,是對RTK觀測作業進行及時的補充,兩者結合后測量數據的獲取更加穩定,數據精度更加可靠,融合差分解算后得到的定位定姿系統(position and orientation system,POS)的位置精度更高[4-7]。

2 技術路線

本文以RTK、PPK融合差分技術為基礎,設置兩組對比實驗,驗證了多種方式下的無人機免相控攝影測量測圖精度及三維模型精度。第一組實驗是基于無人機不同影像獲取方式的垂直攝影測量對比實驗,實驗中分別采用了無人機定高飛行影像獲取方式和無人機仿地飛行影像獲取方式。第二組實驗是基于不同攝影測量方法的對比實驗,實驗中分別采用了垂直攝影測量與傾斜攝影測量兩種攝影測量方法。實驗技術路線如圖1所示。

圖1 無人機免相控攝影測量技術路線圖

3 基于無人機不同影像獲取方式的垂直攝影測量對比實驗

此實驗為驗證基于RTK、PPK融合差分技術的無人機免像控垂直攝影測量精度能夠滿足1∶500比例尺測圖精度要求。同時比較了采用無人機定高飛行和仿地飛行兩種不同影像采集方式下的攝影測量測圖精度大小。實驗以無人機影像獲取方式為單一變量,分別用無人機定高飛行和無人機仿地飛行兩種影像獲取方式進行影響采集,為保證變量的單一性,本次實驗選用了同一測區,在同一時間采用相同的數據采集設備及數據處理軟件進行了數據采集和數據處理工作。實驗技術流程如圖2所示。

圖2 實驗技術流程示意圖

實驗測區為西北地區某校園內,測區依山而建,地形陡峭,建筑物比較集中。測區高程為1 600～2 200 m,面積約為400 km2,測區最大坡度為80°。實驗選用的無人機是飛馬智能航測系統D300,相機選用的是D-OP410五鏡頭傾斜模塊,數據處理軟件采用飛馬“無人機管家”[8-9]。

3.1 數據獲取

首先根據測區實際情況和設備性能要求對無人機飛行路線進行規劃設計。實驗共設計了無人機定高飛行和無人仿地飛行兩種飛行路線。無人機定高飛行攝影測量,無人機飛行高度為300 m,最高點的影像分辨率為2 cm,最低點的影像分辨率為4 cm,影像航向重疊度為80%,旁向重疊度為70%。航線航向外擴50 m,旁向外擴1條航線。無人機仿地飛行攝影測量航線,無人機飛行高度300 m,影像分辨率為2 cm,影像航向重疊度為80%,旁向重疊度為70%。航線航向外擴50 m,旁向外擴1條航線。

然后進行數據采集,在山頂開闊位置架設基站,通過輸入連續運行參考站(continuously operating reference stations,CORS)賬戶,實現CORS網絡接入并實現RTK模式,同時記錄靜態GNSS觀測數據。實驗采用2000國家大地坐標系,基站點采用CORS坐標。完成飛行任務并獲取影像和影像POS數據,此次定高飛行采集影像315張,仿地飛行采集影像436張。同時進行檢查點坐標測量,檢查點測量時需要保證檢查點坐標與基站點坐標在同一個坐標系,以免檢查點測量坐標的系統誤差影響實驗結果。本次實驗共設置90個檢查點,檢查點分布在測區不同的區域范圍,盡可能使測區不同的地形特征處都有所涵蓋,兩種攝影測量成果共用相同的檢查點進行精度檢核。

3.2 數據處理

準備好基站GNSS數據、飛機GNSS數據、影像數據、相機報告等測量數據之后,進行數據處理工作。主要工作包括利用RTK數據和PPK數據進行融合差分解算,得到高精度的差分POS,再利用高精度差分POS進行空中三角測量計算,完成自由網空三并檢查空三成果。

3.3 精度驗證

完成空三處理之后,將檢查點導入空三成果進行刺點工作,然后重新進行空三計算,分別計算出兩組攝影測量成果的平面誤差和高程誤差。

統計定高飛行和仿地飛行測量成果平面誤差。兩組測量成果中檢查點的橫坐標誤差ΔX和縱坐標誤差ΔY都小于10 cm,分別以ΔX為橫軸以ΔY為縱軸建立空間直角坐標系,定高飛行檢查點的平面誤差分布如圖3所示,仿地飛行各檢查點的平面誤差分布如圖4所示。計算得出定高飛行測量成果中檢查點平面中誤差。

圖3 定高飛行測量檢查點平面誤差分布

圖4 仿地飛行測量檢查點平面誤差分布

對圖3和圖4的比較可以看出，定高飛行檢查點的平面誤差分布的離散性高于仿地飛行檢查點平面誤差的分布,結合兩組數據中誤差計算結果可以得出仿地飛行平面誤差的精度高于定高飛行平面誤差的精度。

定高飛行測量和仿地飛行測量中檢查點的高程誤差分布如圖5所示。計算得出定高飛行測量成果中檢查點的高程中誤差為0.076 m,仿地飛行測量成果中檢查點的高程中誤差中誤差為0.044 m。結合圖5中檢查點的誤差分布線性可以得出仿地飛行測量高程精度高于定高飛行測量高程精度。

圖5 定高飛行測量和仿地飛行測量檢查點高程誤差分布

兩組飛行測量成果中檢查點的中誤差計算結果如表1所示。根據《數字攝影測量空中三角測量規范》中對1∶500比例尺成圖的空三精度點位中誤差的要求,平面中誤差為0.175 m,高程中誤差為0.150 m[10]。對比得出,基于兩種不同影像獲取方式的豎直攝影測量成果精度都能滿足1∶500成圖精度要求。

表1 定高飛行測量與仿地飛行測量檢查點中誤差對比表 單位：m

4 無人機垂直攝影測量與傾斜攝影測量測量精度對比實驗

此實驗為驗證基于RTK、PPK融合差分技術的無人機免像控傾斜攝影測量精度高于垂直攝影測量精度,且都能夠滿足1∶500比例尺測圖精度要求。實驗同時比較了傾斜攝影測量和垂直攝影測量三維模型建設成果。兩個實驗選取了同一個測區,采用了相同設備同一時間進行,本組實驗的測區和設備與第一組實驗的相同。為了保證變量的單一性,完成傾斜攝影測量數據獲取工作后,垂直攝影測量的影像數據選用傾斜攝影影像數據中的正射影像。

4.1 數據采集

此次實驗測區影像數據獲取采用無人機定高飛行影像獲取方式,飛機飛行高度300 m,最高點的影像分辨率為2 cm,最低點的影像分辨率為4 cm,影像航向重疊度為80%,旁向重疊度為70%。航線航向外擴50 m,旁向外擴1條航線,兩組無人機POS如圖所示。無人機搭載5鏡頭傾斜相機,共采集到5組影像,共計約1 500張像片。

4.2 數據處理

實驗將采集處理好的基站GNSS數據、飛機GNSS數據、影像數據、相機報告等數據,然后進行將RTK數據和PPK數據進行融合差分解算,得到高精度的差分POS。再利用高精度差分POS進行空中三角測量計算,完成自由網空三并檢查空三成果[11]。本次實驗共設置30個檢查點,完成檢查點坐標測量工作。

4.3 精度驗證

完成空三處理之后,將檢查點導入空三成果進行刺點工作,然后重新進行空三計算,分別計算出兩組攝影測量成果的平面誤差和高程誤差[12]。

統計垂直攝影測量和傾斜攝影測量成果平面誤差。兩組方式中檢查點的橫坐標誤差ΔX和縱坐標誤差ΔY都小于8 cm,分別以ΔX為橫軸以ΔY為縱軸建立空間直角坐標系,垂直攝影測量檢查點的平面誤差分布如圖6所示。傾斜攝影測量各檢查點的平面誤差分布如圖7所示,計算傾斜攝影測量結果中檢查點的平面誤差。對圖6和圖7的比較可以看出，垂直攝影測量檢查點的平面誤差分布的離散性高于垂直攝影測量檢查點平面誤差的分布,結合兩組數據中誤差計算結果可以得出傾斜攝影測量平面誤差的精度高于垂直攝影測量平面誤差的精度。

圖6 垂直攝影檢查點平面誤差分布

圖7 傾斜攝影檢查點平面誤差分布

統計垂直攝影測量和傾斜攝影測量成果高程誤差。垂直攝影測量中有5個檢查點的高程誤差大于10 cm,傾斜攝影測量中有1個檢查點的高程誤差大于10 cm,高程誤差值都小于16 cm,以檢查點點名為橫軸,以高程中誤差值為縱軸建立空間直角坐標系,垂直攝影測量和傾斜攝影測量檢查點的高程誤差分布如圖8所示,結合圖8中檢查點的誤差分布線性可以得出傾斜攝影測量高程精度高于垂直攝影測量高程精度。

圖8 垂直攝影測量和傾斜攝影測量檢查點高程誤差分布

兩組測量成果中檢查點的中誤差計算結果如表2所示,根據《數字攝影測量空中三角測量規范》中對1∶500比例尺成圖的空三精度點位中誤差的要求,平面中誤差為0.175 m,高程中誤差為0.150 m,測量結果與規范要求對比得出,垂直攝影測量成果精度和傾斜攝影測量成果精度都能滿足1∶500成圖精度要求[13]。

表2 垂直攝影測量與傾斜攝影測量檢查點中誤差對比表 單位：m

4.4 三維建模對比

分別利用垂直影像和傾斜影像進行測區三維模型建設,兩種方式都能完成三維模型建設,模型未有明顯漏洞,模型整體的完整性比較好[14]。選取兩組模型的局部進行比較。垂直攝影模型局部扭曲較為嚴重見圖9(a),傾斜攝影模型的線條清晰建模效果遠遠好于垂直攝影模型,見圖9(b)。垂直攝影模型在屋檐遮擋部位的失真嚴重,如圖9(c)和圖9(d)所示。

(a)局部扭曲嚴重 (b)線條清晰建模

5 結束語

本篇論文通過兩組對比實驗驗證了基于RTK、PPK融合差分技術的無人機免像控攝影測量精度,同時詳細地比較分析了攝影測量工作在數據獲取、數據處理、成果驗證等不同階段的操作流程。實驗結論如下：

(1)基于RTK、PPK融合差分技術的無人機免像控攝影測量精度可以滿足1∶500比例尺測圖精度要求。本文通過多種方式進行了測驗,每組測驗成果都滿足1∶500比例尺測圖的精度要求。

(2)在基于RTK、PPK融合差分技術的無人機免像控垂直攝影測量中,采用仿地飛行影像獲取方式的測量精度高于采用定高飛行影像獲取方式的測量精度。

(3)在基于RTK、PPK融合差分技術的無人機免像控攝影測量中,傾斜攝影測量的成果精度高于垂直攝影測量的成果精度。測量成果都能滿足1∶500比例尺測圖的精度要求。

(4)在基于RTK、PPK融合差分技術的無人機免像控攝影測量中,利用傾斜攝影測量建設的三維模型精度高于利用垂直影像測量建設的三維模型精度。利用傾斜攝影測量建設的三維模型在建模的完整性、建模細節的精細度、建模紋理的清楚度、線條的真實性等方面都高于利用垂直攝影測量建設的三維模型。