基于PPK的机载雷达技术在市政测绘项目中的应用

摘 要：机载雷达技术是一种新型的测绘数据采集技术，具备数据采集效率高、覆盖面积大、精度可靠、安全性高等特点，PPK差分定位系统可以对无人机定位观测数据进行优化改善，显著提高POS的定位精度，为无人机载体数据提供准确的外方位元素。本文制定了基于PPK技术的机载雷达航测技术方案，并将其应用在市政测绘项目中，最终结果表明基于PPK技术的无人机机载雷达技术方案可以有效减少测绘项目外业工作量，同时也可以满足市政测绘大比例尺测图成果精度要求。

关键词：PPK；机载激光扫描；市政工程测量；激光点云文章编号：2095-4085（2024）06-0004-03

0 引言

随着我国城市化进程的不断深入，市政测绘项目对测绘工作在精度、效率上的要求不断提升。传统的测绘方式，尤其是在城市大面积绿化地区、现状大面积小区、城市现状快速通道等类型的测区，早已无法满足现实需要。近年来，机载雷达技术在软硬件方面的快速发展给解决上述问题提供了新的思路，该技术具备全天候、实时、非接触、效率高等特点，可以快速、准确的获取对象空间信息［1］。可是，传统的航测方式必须要布设相当数量的地面像片控制点，相对来说效率低，同时作业生产成本较高。怎样有效减少地面像片控制点甚至免像控，同时又不影响或者少影响测绘成果精度的问题变成近期测绘领域研究的热点。动态后处理差分定位技术（PPK）可以对无人机定位观测数据进行优化改善，显著提高POS的定位精度，为无人机载体数据提供准确的外方位元素，因此可以有效解决上述问题［2-6］。

1 机载雷达系统的构成及工作原理

1.1 机载雷达系统的组成

机载雷达系统的各部分组成及其主要功能：

（1）搭载的服务平台：用于搭载激光雷达硬件设备有多种，可以是有人飞机、直升机、无人机、大中型热气球等搭载平台，本文研究的主要载体为无人机。

（2）实时动态差分GNSS接收机：可以保证飞机沿预设计航线飞行，同时可以实现实时定位扫描仪中心投影位置。

（3）激光测距硬件设备：用于激光发射点与地面反射点的距离测定，姿态测量单元：测定扫描装置投影中心的瞬时姿态参数，主要包括外方位角元素等参数。

（4）成像设备：CCD相机等类型的设备，主要用于获取飞行区域地面的实时影像数据信息，后期可用于制作成正射影像图，为后续测绘成果生产提供辅助数据。

（5）数据记录设备及预处理系统：用于记录机载雷达相关的原始数据，同时对原始数据进行预处理。

1.2 机载雷达系统的工作基本原理

对于测绘生产来说，机载雷达系统主要获取地面测区的有效定位信息，然后解算出目标区域点云的空间三维坐标以及其他几何数据。工作原理如图1所示。

通过GNSS接收机获取A点空间信息，点P为测量目标，通过已知点A的坐标信息计算P点相对于点A在X、Y、Z轴方向上的增量ΔX、ΔY、ΔZ，通过公式计算：

XP=XA+ΔX，YP=YA+ΔY，ZP=ZA+ΔZ

结合飞机姿态参数：

ΔX=AQcosωsinφ+QPcosκ ，

ΔY=AQsinω+QPQsinκ ，

ΔZ=AQcosωcosφ ，

QP2=AQ2+AP2-2AQAPcosθ ，

AQ=APcosθ-AQsinθ1-b2 b ，

PQ=APsinθ1-b2 ，

其中θ为∠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 ，

最终求得目标点P的坐标值。

2 市政测绘项目应用实例

2.1 项目概况

本项目为市政快速路改造项目，选取其中立交区域为例，测区位于上海市东北部，面积约0.5km2，主要测量目标为测区现状快速路、厂房、地面道路、植被等，测区内条件复杂，通视条件差，大部分区域人员无法到达，采用基于PPK的机载三维激光扫描技术进行测绘作业可以快速、高效、安全的采集工程所需要的测绘成果。

2.2 航飞方案设计

根据测区特点及目标分布状况，利用无人机航线规划软件自动化设计航线，经检查合格后进行数据采集，采集到的点云原始数据经过数据融合及POS解算生成las格式的点云成果，然后通过点云去噪及分类处理，获得地面点目标区域的点云成果数据，后续通过后处理软件及坐标桩号参数得到当地独立坐标系下的点云成果。获取点云数据后，在测图软件中利用三维测图模块进行二维、三维模型联动测图，得到工程需要的DLG数据成果，整个项目测绘生产的流程如图2所示。

根据本项目特点采用多旋翼无人机M300 RTK搭载AlphaUni20口袋激光雷达进行数据采集，多旋翼无人机参数见表1。

结合雷达参数和现场环境主要飞行参数按照相对航高80m，航带宽度50m，飞行速度5m/s，重叠度50%来设置，以满足工程需要，整个航线规划根据立交特点布置，保证测区全覆盖，具体航线设计图见图3。

2.3 点云数据处理及精度评定

外业测量数据采集完成之后首先进行点云数据处理，处理的步骤主要包括点云数据的后差分处理、数据融合、去噪等流程，然后将点云数据转换为项目所在的所需要的相应坐标系，最后生成LAS格式的数据。点云数据处理主要步骤如下：

（1）POS数据后差分处理。POS数据的后差分解算处理主要是利用基站数据、机载GNSS以及IMU数据进行解算处理来获取高精度的POS数据。高精度POS数据的解算主要包括基站数据的预处理和轨迹数据的解算两大部分，基站数据预处理首先将基站原始数据转换为解算所需要的相应格式，然后将无人机移动数据与预处理之后的基站数据进行联合解算，从而得到飞机高精度定位定姿数据和航线轨迹，最终获取相机照片的高精度外方位元素数据，为后续数据处理提供支撑。

（2）点云融合处理。联合经过处理的POS数据、激光测角测距数据以及航测系统检校数据对每个激光点进行运算处理，获取激光点的空间坐标，最后得到带有绝对坐标的点云数据。利用处理得到的高精度定位定姿数据，使用CoPre1.0软件进行点云解算，从而得到带有绝对坐标的点云数据。

（3）点云数据的去噪处理。点云数据的外业采集过程中，很容易受到激光反射、飞行姿态、天气、风速等各种因素的干扰，从而会产生点云噪声点、孤点、突变点等，因此点云数据还需进行点云去噪处理，剔除错误点、高程异常点等噪声点。

（4）点云数据精度评定。外业在立交整个飞行区域选取特征明显部位布设9个检查点，利用RTK测出检查点三维坐标，检查点均匀分布于测区，点云数据处理完成后，在处理后的点云上进行精度检验，将机载数据与RTK测量检查数据独臂，具体检查结果如表2所示。

从表2中可以看到，检查点X方向最大较差5.3cm，Y方向最大较差5.7cm，高程最大较差5.5cm，从检查点结果分析来看，点云数据的精度完全可以满足工程需要，精度到达了1∶500地形图的要求。

3 结语

本文研究了基于PPK技术的机载雷达航测技术方案，并应用在市政测绘项目中，通过具体项目的实施，结果表明该方案技术路线可行，有效地减少了外业工作量，获得的成果满足市政测绘大比例尺测图成果精度要求。

（1）研究了基于PPK技术的机载雷达航测技术在市政测绘项目中的应用方案，通过优化飞行方案最终获取了满足项目需求的大比例尺测绘成果。

（2）解决了传统测量方式无法直接进入城市快速路、密林、大面积民居等区域测量的问题，有效地保障了测绘人员安全，大大提高利润工作效率，同时保证了数据精度。

（3）点云数据丰富，全面有效解决了后续因工程需要带来的修补测问题。

基于PPK的机载雷达技术具备快速、高效、安全的优势，受天气影响较小，同时具备穿透茂密林木获取地面高程数据的特点，在工程测量领域高效、高精度获取大比例尺测绘成果的应用中具有广阔的前景。

参考文献：

［1］张功锋.机载三维激光雷达技术在道路测量中的应用［J］.中国新技术新产品，2021（20）：114-116.

［2］邹勇平.POS辅助航空摄影测量应用方法研究与误差分析［D］西安电子科技大学，2010.

［3］张志友.免像控机载LiDAR技术在大比例尺地形测量中的应用［J］. 地矿测绘，2021，37（2）：12-15，20.

［4］胡锦荣，刘涛，李甜，等.基于PPK的机载LiDAR在大比例尺地形图测绘中的应用［J］.城市勘测，2022（2）：115-119.

［5］贾向东.城市CORS辅助的无人机影像免像控处理方法研究［D］.中国矿业大学，2019.

［6］史丰博.倾斜摄影和机载Lidar技术在工程测量中的应用研究［J］.甘肃科技，2022，38（3）：32-34.