PPK輔助無人機攝影測量的精度分析

張緒棋　楊久東

摘? 要：文章以貴州修文縣的航攝項目為例，通過PPK技術輔助無人機攝影測量對測區進行了航空攝影測量，對PPK差分后獲得的POS數據進行了精度分析，并使用PIX4D軟件結合POS數據進行了成圖處理，通過DOM和DSM模型提取了檢查點的坐標與高程并與真值進行對比。討論了當使用較少的像控點時，PPK輔助無人機地圖是否能夠滿足大比例尺測圖的要求。

關鍵詞：PPK事后差分;無人機測圖;大比例尺;GNSS

中圖分類號：P258? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）29-0073-03

Abstract： In this paper， taking the aerial photography project in Xiuwen County， Guizhou Province as an example， the aerial photogrammetry is carried out using PPK technology to assist UAV photogrammetry， and the accuracy of POS data obtained by PPK difference is analyzed. Using PIX4D software combined with POS data to map processing， through DOM and DSM model， this paper extracts the coordinates and elevation of the checkpoint and compares them with the true value. The paper also talks about whether the PPK aided UAV map can meet the requirements of large-scale mapping when fewer image control points are used.

Keywords： PPK post difference; UAV mapping; large scale; GNSS

引言

傳統的攝影測量需要布設大量的像控點，通過解析空中三角形來解算六個外方位元素[1]。GNSS通過差分可以在無人機測圖時提供攝影測量中心曝光時刻的三個空間位置信息，進而達到減少外業像控點的目的。無人機攝影測量中常用的定位技術包括實時動態差分（RTK）和事后動態差分（PPK），兩種差分方式原理不同但精度基本一致，由于無人機測圖中POS數據的實時采集幾乎沒有實際意義[2]，PPK技術在無人機測圖中的優勢逐漸顯現，PPK輔助無人機攝影測量的測圖方式也變得越來越常見，PPK技術將會逐漸成為無人機測圖領域的主要定位技術。

1 PPK在無人機測圖中的優勢

PPK是GNSS的一種差分方式，又被稱為事后動態差分技術，PPK技術通過OTF初始化快速確定整周模糊度，通過基站和流動站同時觀測多個歷元，并通過事后的基線解算獲得厘米級精度的三位空間位置信息。與RTK不同，PPK技術不需要基站和流動站之間的實時數據鏈通信，因此PPK相對于RTK作業距離顯著增加[3]，PPK技術在無人機攝影測量中的應用很好的彌補了RTK技術距離短以及RTK數據鏈易斷裂的不足，PPK已經成為航測中更穩定高效的定位技術。

2 PPK輔助無人機測圖

2.1 PPK輔助無人機測圖原理

無人機測圖是一種將相片上的像點坐標轉化為真實地理坐標的過程，通過航攝中心、像點以及其對應的物點三者共線來建立構像方程[4]，通過一定的平移旋轉將像平面坐標系上的圖像點轉換為物方坐標系中的對應地物點。

傳統的攝影測量通過布設大量的野外控制點通過解析空中三角形的方式來解算六個外方位元素。GNSS在無人機領域的應用使無人機通過搭載GNSS接收機可以獲得較高精度的時間信息與對應的無人機航線信息，即無人機在某時刻的位置信息，從而獲得航攝中心對應時刻的空間位置信息，結合相機的曝光時間文件，最終得到相機在拍攝照片時的航攝中心的（XS、YS、ZS）。GNSS輔助無人機測圖通過提供高精度的（XS、YS、ZS）大大的增加了無人機測圖的數據冗余，從而大量的減少了外野像控點的數量。

2.2 PPK輔助無人機測圖流程

PPK輔助無人機測圖包括三個階段準備階段、航拍階段與成圖階段。

準備階段根據測區與測圖的要求完成航線的規劃與控制點的布設，最常見的像控點布置方案包括航帶網法和區域網點法，在保證測圖精度的前提下，外業像控越少越好[5]。

在航拍階段，PPK不需要基準站與流動站之間具有實時的數據鏈通訊，因此PPK輔助無人機測圖中基準站與測區距離在50km范圍內即可，但PPK的測量精度會受基準站與無人機距離的影響，因此為保證基準站信號質量，要求基準站與測區距離盡量小[6]。在起飛前還需要將設備進行初始化，一般初始化時間為8-10min，在航飛時應按照航線規劃要求進行，保證飛機正常工作[7]。

數據的處理與成圖階段是通過PPK事后差分獲取本次航攝的POS數據，通過無人機成圖軟件對獲得的相片結合相控文件以及POS數據進行制圖，獲得4D產品，并對成圖精度進行分析。

3 案例介紹

實驗以貴州修文縣航攝項目為例，測區長6公里寬約2.5公里，總計15平方公里;測區地形為平地與丘陵相結合，以平地為主，地勢起伏不大，適宜無人機測量。

測圖比例尺為1：2000，無人機飛行高度為1200米，航向重疊不小于60%，旁向重疊不小于30%，在測區內布設6個像控點，44個檢查點，基站距離測區中心5.5公里。采用六點法布設像控點，檢查點均勻分布于測區內。

POS數據經GGPOS軟件通過PPK差分獲得，并結合POS數據、相片以及控制點文件對本次試飛通過PIX4D軟件進行成圖處理獲得DOM與DSM產品。

4 精度分析

4.1 POS數據精度

POS數據的精度直接取決于PPK定位的精度，通過事后差分并對差分結果進行分析，分別獲得東方向標準差、北方向標準差、橢球高標準差與時間的變化曲線，圖1-3分別反映了三者與GPS周秒的關系。

通過上面的變化曲線可以發現，由于初始化的原因，東方向標準差、北方向標準差與橢球高標準差在3986-4700周秒間波動范圍都比較大，但在之后的飛行過程中精度較高，東方向與北方向標準差在0.6-1cm之間，而橢球高標準差在之后的飛行中在1-2.5cm之間。

圖4、5為此次航飛的橢球高度與PDOP位置精度因子與GPS周秒之間的變化情況。

在3986-4700周秒之間飛機沒有起飛，因此驗證了在該時間段精度較低是由于初始化造成的，而無人機到達指定航高的時間范圍為5200-7200周秒之間，結合PDOP位置精度在該時間段的精度因子小于2，因此本次航飛所獲取的POS數據具有較高的精度。

4.2 成圖精度分析

以檢查點的實測值作為真值，通過制圖獲得的DOM影像提取檢查點的坐標作為量測值，通過對比實測值與量測值并做差，得到平面坐標的ΔX、ΔY、ΔS，部分數據如表1所示。

5 結束語

實驗展示了PPK輔助無人機測圖的一般作業流程，突出了PPK技術在無人機測圖領域的優勢， PPK技術不需要保持基準站與流動站之間實時的數據鏈，使得無人機測圖范圍變大;對PPK生成POS數據質量的分析，總結出經過初始化后PPK能為攝影測量提供厘米級的平面位置精度與2-3厘米高程精度的POS數據;通過對成圖精度分析，利用PPK輔助無人機在1：2000測圖比例尺在測區內布設少量的像控點的情況下，對平面及丘陵地區的測量能夠滿足平面與高程的測圖精度要求，PPK輔助無人機測圖在使用較少像控點的情況下能夠滿足大比例尺成圖的要求。

參考文獻：

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[2]吳定邦.淺談無人機航空攝影測量技術在水利工程中的應用[J].江西水利科技，2016，42（1）：57-61.

[3]李哲，高立，喬輝.GPSPPK技術在測量外業中的應用探討[J].測繪與空間地理信息，2012（5）：120-121.

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[5]梁超.GPSPPK技術在測量外業中的應用探討[J].建筑工程技術與設計，2015（26）：176.

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