PPP技术在无人机倾斜摄影测量中的应用研究

方小勤

（福建省闽西地质大队，福建 三明 365000）

0.引言

传统航空摄影测量通常采用机载POS数据和地面控制点联合平差的方式进行空中三角测量。由于POS系统定位精度较低，外业仍需实测部分控制点，这就加大了野外工作量，工作效率偏低[1]。随着差分GNSS技术广泛应用于无人机测绘，实时动态差分（RTK）和动态后处理技术（PPK）逐渐成为主流方式，应用这两种方法可以有效降低光束法平差对控制点的依赖，大大降低了生产成本，提高了工作效率，但仍存在着基准站与无人机之间通信距离较短等问题。

精密单点定位（PPP）技术是指利用分布全球的若干连续运行基准站的GNSS数据计算出的精密卫星轨道和卫星钟差，对单台GNSS接收机所采集的相位和伪距观测值进行定位解算的技术。随着各国导航定位系统的发展，多系统的组合定位则是提高精度的另一种思路。经研究表明：GLONASS和GPS组合精密单点定位虽在静态条件下与GPS PPP定位精度相当，但在动态数据解算过程，GLONASS/GPS PPP则使大部分点位处理结果由于GPS PPP[2]。因此，精密单点定位对于空间点位，可以实现静态和动态非差精密单点定位。该技术是实现全球精密实时动态定位与导航的关键技术，也是GNSS定位方面的前沿研究方向。

将PPP技术应用于无人机，即可实现动态条件下无人机的实时位置测量，为下一步地理信息成果生产提高精准空间控制依据，本文结合工作实践，利用PPP技术，通过事后下载精密星历的方式获取无人机摄影瞬间的位置信息，实现无人机航摄在无基站情况下的精确定位。而后将精密单点定位获取的摄站信息应用于无人机倾斜摄影测量的三维建模当中，量化评定PPP技术的定位优势。

1.精密单点定位模型

1.1 时间与坐标系统的统一

设GPS、BDS和GLONASS三种卫星导航系统的时间基准为、和，由于三系统均采用原子时，具有相同的时间单位，但时间原点不一致，其中，GPS以UTC时1980年1月6日0时为时间原点；BDS以UTC时2006年1月1日0时为时间原点；GLONASS则采用与UTC时存在3小时时差的莫斯科协调时（UTCsu）为基准，不同时间系统的相互转换关系如式（1）所示：

式（1）中，UTC（USNO）、UTC（NTSC）和UTC（SU）表 示GPS、BDS和GLONASS三系统协调世界时基准；n为国际原子时与UTC之间的调整参数；τr为GLOT与UTC（SC）之间1ms之内的系统偏差。

GPS、BDS和GLONASS三种卫星导航系统使用的坐标系统分别为WGS84、CGCS2000和PZ90，由定义知：与坐标系的参考椭球参数几乎一致，对于无人机的普通飞行范围而言，可以忽略不计。由俄罗斯MCC（Russian Mission Control Center）计算的坐标转换七参数，可根据模型Bursa得到与间的转换关系如式（2）所示：

1.2 非差观测模型

对于PPP，多是依靠IGS机构提供的卫星钟差来解决该部分误差项，并应用双频接收机性能进一步消除电离层误差。其中，PPP的载波相位观测方程如式（3）所示：

（xi，yi，zi）为接收机天线的坐标；（xj，yj，zj）为卫星j的坐标。将式（4）进行线性化处理，得到方程式如式（6）所示：

2.无人机倾斜摄影测量

无人机倾斜摄影测量技术是近些年发展起来的一项新技术，无人机平台上搭载多镜头传感器，通过控制不同相机同时曝光时间和记录同一时刻GNSS接收机点位信息数据[3,4]，对地面物体进行大重叠度影像摄取，获取地面物体多角度影像和建筑物侧面纹理信息。利用基于视觉的影像快速匹配技术进行特征点匹配和空中三角测量，获取摄影瞬间影像外方位元素，恢复立体模型，建立密集点云并生成三维模型。基于倾斜摄影测量技术生产的三维模型具有影像分辨率高、地物纹理清晰、影像色调一致、生产效率高等诸多优点，同时，还可以简单、高效自动生成数字地表模型（DSM）和正射影像图（DOM）。

3.实验与分析

3.1 数据获取

此次实验采用六旋翼无人机搭载五镜头倾斜摄影云台和天宝BD930差分模块进行倾斜摄影测量。天线相位中心与相机中心的偏心分量为△X=0.12m、△Y=0.01m、△Z=-0.014m。航摄过程中设定航向重叠度80%，旁向重叠70%，航高110m，地面分辨率0.05m。相机检校参数文件主要包括像主点坐标、像元、焦距、径向畸变差等。此次飞行获取的影像数据清晰，色调一致，航摄成果质量满足规范要求。

3.2 POS处理

Waypoint Inertial Explore软件是一款对集成IMU与GNSS信息的数据进行后处理的软件，利用该软件对基准站和移动站记录的数据进行事后解算，获得差分后的高精度POS数据。同时利用48h后下载的精密星历和天宝BD930差分模块记录的移动站差分数据，在不依靠基准站的情况下，利用精密单点定位技术解算出较高精度的无人机飞行轨迹和相机相位中心坐标，两种方法的部分解算结果（如表1、表2所示）：

表1 采用动态后处理技术（PPK）解算POS成果

表2 采用精密单点定位技术（PPP）解算POS成果

从软件分析可知：采用差分后处理方式（PPK）获得的POS数据平面解算为0.012m，高程精度为0.021m，采用精密单点定位（PPP）获得的POS数据平面解算为0.038m，高程精度为0.064m。

3.3 三维模型建立

利用无人机影像和POS数据经GNSS辅助空中三角测量，可以有效构建地面三维点云，进一步生产出DEM、DOM和三维模型等地理信息成果。根据地物成像特点及几何物理特征，可以直观判读出地物属性，而地物特征点坐标则主要依赖于光束法平差解算结果。本文采用的Contextcapture是一款全自动实景建模软件，自动化程度和三维模型质量都是目前相关技术的最高水准，被广泛应用于无人机倾斜摄影测量中，使用该软件建模基本流程（如图1所示）：

图1 三维建模流程图

应用Contextcapture软件完成倾斜摄影测量三维建模，截取空中三角测量及三维模型效果（如图2、图3所示）：

图2 空中三角测量

图3 三维模型构建

4.模型精度分析

为验证精密单点定位在无人机倾斜摄影测量中构建完成三维模型的精度，我们使用GNSS接收机，采用网络RTK模式在实验区内实测了12个特征点，其中，点位平面测量精度优于2cm，高程测量精度由于5cm。同时，为了比较精密单点定位和差分后处理定位两种方式的精度差异，分别应用两组POS数据完成三维模型构建。通过Acute3D Viewer软件可以从模型上获取任一点的平面坐标和高程，同时，还可以量测任意两点的距离、坡度和指定区域体积等信息。这里仅从两种无控制点条件下建立的三维模型中量测特征点坐标，并与实测特征点坐标进行对比，结果（如表3所示）：

表3 三种测量方式坐标成果对比

PPP方式坐标分量中误差为：

结合规范要求与比较，发现实验区域采用动态后处理技术和精密单点定位技术获取POS数据制作的三维模型，点位量测精度均能够达到分米级，虽然PPP方式的量测精度略差，但完全可以满足一般条件下的精度要求，几乎可以取代PPK无人机定位方式。

5.结束语

本文通过研究融合BDS、GPS和GLONASS三系统的精密单点定位模型，对无人机机载端动态观测数据进行事后处理，在不架设基准站的情况下得到了无人机飞行过程各摄站点相位中心的精确坐标，而后借助Contextcapture软件，完成了无人机倾斜摄影测量的GNSS辅助空中三角测量和三维模型构建。实验表明：精密单点定位所测的摄站坐标用于制作三维模型，定位量测精度可以达到分米级，与差分型无人机所测结果精度相当，基本能够满足保障任务需求。因此精密单点定位可以作为无人机测绘定位方式的有效补充，对提高数据获取效率和提升定位精度具有积极作用。