基于GNS S-P P K定位的无人机测图方法研究

许虹虹

（安徽理工大学测绘学院，安徽 淮南232001）

0.引言

摄影测量一直是地形图测绘和更新的最有效和最重要的手段，利用像片绘制地形图也是摄影测量的重要应用。与平板仪测绘地形图相比较，摄影测量的主要优点为：作业速度快、效率高；作业范围大、成本低；成图质量好、地貌表示逼真；工作自动化程度高、外业劳动强度低；成果现势性好[1]。目前，随着摄影测量技术的不断发展，使得无人机低空航空摄影测量技术已经成为获取地形数字成果的重要手段。无人机具有搭载质量轻、体积小的高分辨率相机作为传感器，可以快速获取大比例尺的航测遥感数据的特性。传统的航测作业，需事先布设大量的像控点保证数据处理的精度，为航测作业带来了极大地不便。本文采用后差分处理系统进行航测作业，整个测区仅布设几个像控点和检查点检核数据精度[2]。对数据进行处理生成该区的DEM数字产品，通过野外检核点和生成的数字产品的精度做比较，得到通过使用后差分处理系统进行大面积的航测作业，完全可以满足1∶1000及以上的项目精度要求。

1.卫星定位的技术原理

1.1 RTK工作原理

RTK（Real Time Kinematic）测量系统由GPS接收机、数据传输系统和进行动态测量的软件组成，是以载波相位观测量为基础的实时动态差分定位技术，它的工作原理为：在基准站上放置一台接收机，另外一台或者几台接收机放置在移动站上。基准站和移动站在同一时间接收相同的GPS卫星发射的信号[3,4]。基准站获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值。然后将差分改正值通过无线电数据链台及时传送给共视卫星的移动站精化GPS观测值，得到经过差分改正后移动站比较准确的实时位置从而获得具有厘米级别的定位效果。RTK测量定位技术作业速度快，劳动强度低，提高了劳动效率，并且操作简单，数据安全可靠没有误差的积累使得定位的精度高，完全可以满足一般工程测量的精度要求。随着科技的不断进步和发展其应用前景将更为广阔。

1.2 PPK工作原理

PPK技术，即动态后差分处理技术。是利用载波相位进行相位差分的卫星定位技术[5-7]。PPK相较于RTK的优势在于：由于是事后处理，所以在测量过程中不受通讯距离的影响，并且由于省去了中间无线电传输的环节，其成本相较于RTK技术还有一定优势。无人机PPK即用无人机搭载配备PPK的高精度GNSS接收机，在地面布设一台基准站接收机对卫星的载波相位进行观测，事后在专业的数据处理软件中进行处理，得到每张像片正确的位置信息，而后将获取的每张像片的外方位元素作为带权观测值参与摄影测量区域网平差，这时可以同时获得高精度的内、外方位元素成果，实现更精确的像片定向。特别是无人机飞行距离比传统人工测量距离更远，容易受到山脉、建筑的影响，所以PPK的运用已经相当成熟[8]。

图1后差分处理工作原理

PPK的作业原理（如图1所示）：一台基准站接收机和一台流动站对卫星进行同步观测，同时采集最少两个历元的观测时间，从而解算主站和移动站的基线解[9-12]，由于OTF初始化时解决了整周模糊度及其他相关问题，从而使得主站和移动站的共同观测时间减少到只需要观测两个历元。但是，需要进行数据后处理，不能进行实时定位。无需电台连接，因此不受地形限制，且作业比较简单，外业测量后在进行内业数据后处理，相比较于RTK克服了数据传输的局限，具有厘米级别的定位效果。上述PPK的基本原理中观测数据可用以下数学模型公式求得：

式中，φ为载波；λ为波长；f为载波频率；r（s）i和r（s）j分别是基准站和用户接收机到卫星的几何距离；r（s）i中的（xi，yi，zi）为基准站的三维坐标且为精确已知；r（s）j中的（xj，yj，zj）为用户接收机的三维坐标；I（s）i和I（s）j为电离层延迟；T（s）i和T（s）j为对流层延迟；δti和δtj分别为基准站接收机和用户接收机的钟差参数；N（s）i和N（s）j分别为基准站和用户接收机对卫星s观测载波相位的整周模糊度；ε和表示为观测载波相位的噪声误差。

2.工程实例

2.1 项目概况

此次测区为安徽某固体废物处理站及周边地区，测区范围（如图2所示），确定航测作业面积约6个平方，平均海拔650m。在Geoele Earth Pro上查看测区的地形地貌，测区整体呈现为条带状，东侧为山峰，整体建筑物较低但密集，无高大建筑物。确定测区内的最高建筑物。根据测区的地势条件、影像数据资料和任务要求，制定合理的项目任务书。具体工作流程（如图3所示）。包括：飞行器的选择、像控点（检核点）的选择和布设、测区航线的设置（包括航高、影像的重叠率、地面分辨率和多处起降位置）。

图2测区范围

图3工作流程图

2.2 航测数据采集

为保证内业处理（如空中三角测量和模型重建等）和后期模型的精度能够达到要求，在测区范围内采用经典的九点法进行像控点和检查点的布设（如图4所示）：

图4控制点和检查点分布图

本次无人机系统选择大疆六旋翼无人机M600 Pro进行航测作业，该飞行器的主要技术指标（如表1所示）：

表1无人机技术指标

本次航测作业设置航向重叠度和旁向重叠度分别为70%和65%。保证影像分辨率的情况下，设置航高为350m。一共飞行了9个架次，一共生成了27条航线，拍摄了5300余张照片。无人机开始航测作业前至少10分钟，架设好GPS-RTK接收机，设置为静态模型，保证基准站实时接收卫星信号。

外业作业完成后，对像片曝光的精准位置进行解算。中海达UVA-PPK软件（如图5所示）是一款基于桌面端的无人机后处理的RTK软件，能够提供较高的定位精度，当完成解算后照片的曝光点变成绿色后，说明有单点解变成固定解。

图5 UAV-PPK解算POS数据

2.3 生产正射影像

将采集的像片数据、PPK处理后的POS数据、像控点坐标数据和相机的参数导入到Pix4Dmapper软件中，经过初始化处理、纹理和点云后处理，生成DEM数据。数据处理过程中生成的部分空三解算（如图6所示），部分正射影像图（如图7所示）：

图6部分空三解算图

图7部分正射影像图

3.精度比较

为了检验基于正射影像生成的地形图是否满足1∶1000及以上的大比例尺测图要求，使用Global Mapper对事先布设好的21个检查点的坐标进行提 取，与实测坐标进行精度检核。

表2平面精度检核

表3高程精度检核

图8精度差值图

平面精度检查结果（如表2所示），其中平面检查最小误差0.04m，最大误差为0.19m。根据公式可以计算出平面点位中误差为0.031m。高程最小误差为0.055m，最大误差为0.258m。高程精度检查结果（如表3所示），根据公式可以计算出高程点位中误差为0.028m。两种精度的差值图（如图8所示）。根据《1∶500、1∶1000、1∶2000地形图航空摄影测量内业规范》（GB/T7930-2008），平原地区1∶500的平面中误差限差为0.3m，1∶1000的平面中误差为0.6m[13]。故此次项目证明了使用后差分处理系统可以满足平原地区1∶1000地形图测图要求。

4.结束语

本文基于无人机后差分技术，使用中海达UAV-PPK软件对数据进行解算，获取高精度的POS数据，采用Pix4Dmapper软件进行空中三角测量，生成了正射影像以及其他的数字模型产品。通过使用Global Mapper提取明显检查点的位置坐标信息和相对应的实地测量的检查点做精度分析[14-16]。可以得出以下结论：使用无人机航测作业时，采用无人机后差分处理技术，在6个平方的测区内均匀的布设9个像控点，平原地区平面精度可以满足1∶1000的测图要求，接近1∶500的测图要求，大大减少了外业布设像控点的工作量，为大面积航测作业提供了极大地便利。