基于PPK的機載雷達技術在市政測繪項目中的應用

摘 要：機載雷達技術是一種新型的測繪數據采集技術，具備數據采集效率高、覆蓋面積大、精度可靠、安全性高等特點，PPK差分定位系統可以對無人機定位觀測數據進行優化改善，顯著提高POS的定位精度，為無人機載體數據提供準確的外方位元素。本文制定了基于PPK技術的機載雷達航測技術方案，并將其應用在市政測繪項目中，最終結果表明基于PPK技術的無人機機載雷達技術方案可以有效減少測繪項目外業工作量，同時也可以滿足市政測繪大比例尺測圖成果精度要求。

關鍵詞：PPK；機載激光掃描；市政工程測量；激光點云文章編號：2095-4085（2024）06-0004-03

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷深入，市政測繪項目對測繪工作在精度、效率上的要求不斷提升。傳統的測繪方式，尤其是在城市大面積綠化地區、現狀大面積小區、城市現狀快速通道等類型的測區，早已無法滿足現實需要。近年來，機載雷達技術在軟硬件方面的快速發展給解決上述問題提供了新的思路，該技術具備全天候、實時、非接觸、效率高等特點，可以快速、準確的獲取對象空間信息［1］。可是，傳統的航測方式必須要布設相當數量的地面像片控制點，相對來說效率低，同時作業生產成本較高。怎樣有效減少地面像片控制點甚至免像控，同時又不影響或者少影響測繪成果精度的問題變成近期測繪領域研究的熱點。動態后處理差分定位技術（PPK）可以對無人機定位觀測數據進行優化改善，顯著提高POS的定位精度，為無人機載體數據提供準確的外方位元素，因此可以有效解決上述問題［2-6］。

1 機載雷達系統的構成及工作原理

1.1 機載雷達系統的組成

機載雷達系統的各部分組成及其主要功能：

（1）搭載的服務平臺：用于搭載激光雷達硬件設備有多種，可以是有人飛機、直升機、無人機、大中型熱氣球等搭載平臺，本文研究的主要載體為無人機。

（2）實時動態差分GNSS接收機：可以保證飛機沿預設計航線飛行，同時可以實現實時定位掃描儀中心投影位置。

（3）激光測距硬件設備：用于激光發射點與地面反射點的距離測定，姿態測量單元：測定掃描裝置投影中心的瞬時姿態參數，主要包括外方位角元素等參數。

（4）成像設備：CCD相機等類型的設備，主要用于獲取飛行區域地面的實時影像數據信息，后期可用于制作成正射影像圖，為后續測繪成果生產提供輔助數據。

（5）數據記錄設備及預處理系統：用于記錄機載雷達相關的原始數據，同時對原始數據進行預處理。

1.2 機載雷達系統的工作基本原理

對于測繪生產來說，機載雷達系統主要獲取地面測區的有效定位信息，然后解算出目標區域點云的空間三維坐標以及其他幾何數據。工作原理如圖1所示。

通過GNSS接收機獲取A點空間信息，點P為測量目標，通過已知點A的坐標信息計算P點相對于點A在X、Y、Z軸方向上的增量ΔX、ΔY、ΔZ，通過公式計算：

XP=XA+ΔX，YP=YA+ΔY，ZP=ZA+ΔZ

結合飛機姿態參數：

ΔX=AQcosωsinφ+QPcosκ ，

ΔY=AQsinω+QPQsinκ ，

ΔZ=AQcosωcosφ ，

QP2=AQ2+AP2-2AQAPcosθ ，

AQ=APcosθ-AQsinθ1-b2 b ，

PQ=APsinθ1-b2 ，

其中θ為∠QAP的值，b=cosωsinφcosκ+sinκcosω

可以得出：

ΔZ=dcosθ-dsinθ1-b2cosωsinφ+dsinθ1-b2cosκ ，

ΔY=dcosθ-dsinθ1-b2bsinω+dsinθ1-b2sinκ ，

ΔZ=dcosθ-dsinθ1-b2bcosωcosφ ，

最終求得目標點P的坐標值。

2 市政測繪項目應用實例

2.1 項目概況

本項目為市政快速路改造項目，選取其中立交區域為例，測區位于上海市東北部，面積約0.5km2，主要測量目標為測區現狀快速路、廠房、地面道路、植被等，測區內條件復雜，通視條件差，大部分區域人員無法到達，采用基于PPK的機載三維激光掃描技術進行測繪作業可以快速、高效、安全的采集工程所需要的測繪成果。

2.2 航飛方案設計

根據測區特點及目標分布狀況，利用無人機航線規劃軟件自動化設計航線，經檢查合格后進行數據采集，采集到的點云原始數據經過數據融合及POS解算生成las格式的點云成果，然后通過點云去噪及分類處理，獲得地面點目標區域的點云成果數據，后續通過后處理軟件及坐標樁號參數得到當地獨立坐標系下的點云成果。獲取點云數據后，在測圖軟件中利用三維測圖模塊進行二維、三維模型聯動測圖，得到工程需要的DLG數據成果，整個項目測繪生產的流程如圖2所示。

根據本項目特點采用多旋翼無人機M300 RTK搭載AlphaUni20口袋激光雷達進行數據采集，多旋翼無人機參數見表1。

結合雷達參數和現場環境主要飛行參數按照相對航高80m，航帶寬度50m，飛行速度5m/s，重疊度50%來設置，以滿足工程需要，整個航線規劃根據立交特點布置，保證測區全覆蓋，具體航線設計圖見圖3。

2.3 點云數據處理及精度評定

外業測量數據采集完成之后首先進行點云數據處理，處理的步驟主要包括點云數據的后差分處理、數據融合、去噪等流程，然后將點云數據轉換為項目所在的所需要的相應坐標系，最后生成LAS格式的數據。點云數據處理主要步驟如下：

（1）POS數據后差分處理。POS數據的后差分解算處理主要是利用基站數據、機載GNSS以及IMU數據進行解算處理來獲取高精度的POS數據。高精度POS數據的解算主要包括基站數據的預處理和軌跡數據的解算兩大部分，基站數據預處理首先將基站原始數據轉換為解算所需要的相應格式，然后將無人機移動數據與預處理之后的基站數據進行聯合解算，從而得到飛機高精度定位定姿數據和航線軌跡，最終獲取相機照片的高精度外方位元素數據，為后續數據處理提供支撐。

（2）點云融合處理。聯合經過處理的POS數據、激光測角測距數據以及航測系統檢校數據對每個激光點進行運算處理，獲取激光點的空間坐標，最后得到帶有絕對坐標的點云數據。利用處理得到的高精度定位定姿數據，使用CoPre1.0軟件進行點云解算，從而得到帶有絕對坐標的點云數據。

（3）點云數據的去噪處理。點云數據的外業采集過程中，很容易受到激光反射、飛行姿態、天氣、風速等各種因素的干擾，從而會產生點云噪聲點、孤點、突變點等，因此點云數據還需進行點云去噪處理，剔除錯誤點、高程異常點等噪聲點。

（4）點云數據精度評定。外業在立交整個飛行區域選取特征明顯部位布設9個檢查點，利用RTK測出檢查點三維坐標，檢查點均勻分布于測區，點云數據處理完成后，在處理后的點云上進行精度檢驗，將機載數據與RTK測量檢查數據獨臂，具體檢查結果如表2所示。

從表2中可以看到，檢查點X方向最大較差5.3cm，Y方向最大較差5.7cm，高程最大較差5.5cm，從檢查點結果分析來看，點云數據的精度完全可以滿足工程需要，精度到達了1∶500地形圖的要求。

3 結語

本文研究了基于PPK技術的機載雷達航測技術方案，并應用在市政測繪項目中，通過具體項目的實施，結果表明該方案技術路線可行，有效地減少了外業工作量，獲得的成果滿足市政測繪大比例尺測圖成果精度要求。

（1）研究了基于PPK技術的機載雷達航測技術在市政測繪項目中的應用方案，通過優化飛行方案最終獲取了滿足項目需求的大比例尺測繪成果。

（2）解決了傳統測量方式無法直接進入城市快速路、密林、大面積民居等區域測量的問題，有效地保障了測繪人員安全，大大提高利潤工作效率，同時保證了數據精度。

（3）點云數據豐富，全面有效解決了后續因工程需要帶來的修補測問題。

基于PPK的機載雷達技術具備快速、高效、安全的優勢，受天氣影響較小，同時具備穿透茂密林木獲取地面高程數據的特點，在工程測量領域高效、高精度獲取大比例尺測繪成果的應用中具有廣闊的前景。

參考文獻：

［1］張功鋒.機載三維激光雷達技術在道路測量中的應用［J］.中國新技術新產品，2021（20）：114-116.

［2］鄒勇平.POS輔助航空攝影測量應用方法研究與誤差分析［D］西安電子科技大學，2010.

［3］張志友.免像控機載LiDAR技術在大比例尺地形測量中的應用［J］. 地礦測繪，2021，37（2）：12-15，20.

［4］胡錦榮，劉濤，李甜，等.基于PPK的機載LiDAR在大比例尺地形圖測繪中的應用［J］.城市勘測，2022（2）：115-119.

［5］賈向東.城市CORS輔助的無人機影像免像控處理方法研究［D］.中國礦業大學，2019.

［6］史豐博.傾斜攝影和機載Lidar技術在工程測量中的應用研究［J］.甘肅科技，2022，38（3）：32-34.