四等水準(zhǔn)在無人機航測像控點高程測量中的應(yīng)用

張玉明 展薪 馮瑞軍

（1.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.新蔡縣國土資源局，河南 新蔡 463500）

1 引言

目前，無人機低空航測及處理系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于水利工程河道治理項目，結(jié)合水利工程勘察設(shè)計對高程精度要求較高的特點，嘗試將四等水準(zhǔn)測量應(yīng)用于無人機航測中，以進一步提高像控點高程精度，確保航測成果質(zhì)量。本文以水利工程治理為例，詳細(xì)敘述四等水準(zhǔn)測量像控點的過程，通過應(yīng)用四等水準(zhǔn)測量航測像控點的高程，并對精度進行評估，分析四等水準(zhǔn)測量像控點對輕小型無人機航測高程精度的提升。

2 四等水準(zhǔn)測量航攝像控點的運用

以陸渾水庫灌區(qū)治理項目為例，實驗范圍是河南省陸渾水庫某干流中心線左右兩岸各500m，海拔為100～200m，全長約12km，寬1km。里程樁號0～5+100處，測量寬度為1150 m，實驗段共分105個圖面，面積約20平方公里。

2.1 確定像控點數(shù)量

像控點的精度和數(shù)量直接影響航測數(shù)據(jù)后處理的精度，所以像控點的布設(shè)和選擇應(yīng)盡量規(guī)范嚴(yán)格。無人機航測采用的“積云一號”無人機自帶PPK功能，有POS數(shù)據(jù)來支持其執(zhí)行任務(wù)時的可靠性，對像控點的密度要求較低，對像控點的高程精度要求很高，需要在航帶附近布設(shè)精度較高的像控點。像控點布設(shè)按照渠道兩側(cè)成對布設(shè)，形成網(wǎng)狀（如圖1所示）。共布設(shè)像控點航測任務(wù)區(qū)域68個、檢查點11個。按照均勻布設(shè)原則，挑選其中72個點位聯(lián)測四等水準(zhǔn)，以確保其航測精度。確定航拍空域后，利用影像圖、電子地圖來確定像控點的大概位置和數(shù)量。

2.2 像控點布設(shè)

像控點一般布設(shè)在平坦的水平路面上，點位所處位置不應(yīng)在斜坡或有高差的地方。在水泥路面可以做噴漆標(biāo)志，在其他地面可噴灑白灰標(biāo)志。

圖1 像控點布設(shè)

無人機航測系統(tǒng)加載了GPS-PPK模塊，可利用載波像控進行事后差分的GPS定位技術(shù)，即為動態(tài)后處理技術(shù)，其工作原理為：利用進行同步觀測的一臺基準(zhǔn)站接收機和至少一臺流動站接收機對衛(wèi)星的載波相位觀測量，再利用GPS處理軟件進行線性組合，形成虛擬的載波觀測量值，確定接收機之間厘米級的相對位置，然后進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到流動站的三維坐標(biāo)。

為提高航拍模型精度，在測區(qū)內(nèi)按照500m間距網(wǎng)格布設(shè)一對，共布設(shè)68個像控點、11個檢查點。像控點均布設(shè)在航線主線有效區(qū)域內(nèi)。

2.3 水準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)和精度要求

根據(jù)像控點的網(wǎng)狀要求，四等水準(zhǔn)布設(shè)為附合路線。主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 技術(shù)指標(biāo)要求

水準(zhǔn)觀測要求為：視線長度≤100m；前后視距差≤3m；前后視距差累積≤5m；黑紅面讀數(shù)差≤3mm；黑紅面高差之差≤5mm；視線高度要求三絲能讀數(shù)。測量范圍為帶狀不連續(xù)的地形圖，各水準(zhǔn)點間距較大，水準(zhǔn)路線較長，做單一的附合水準(zhǔn)很難達(dá)到限差要求。水準(zhǔn)點位置位于灌區(qū)兩岸堤上或其附近，可利用地形便利在有大橋過河處通過水準(zhǔn)聯(lián)測，形成水準(zhǔn)節(jié)點網(wǎng)，保證水準(zhǔn)網(wǎng)點的精度。單獨的四等水準(zhǔn)附合路線長度不超過80km，環(huán)線周長不超過100km；同級網(wǎng)中節(jié)點間距不超過30 km，山地等特殊地段可適當(dāng)放寬，但不宜大于上述指標(biāo)1.5倍，確保精度達(dá)到規(guī)范要求。水準(zhǔn)點的布設(shè)與GPS網(wǎng)點一致，水準(zhǔn)要聯(lián)測沿灌區(qū)堤上斷面樁和水準(zhǔn)控制點。每隔2～4 km有一個水準(zhǔn)高程點，以達(dá)到低空無人機航測對高程控制點密度的要求。

2.4 測量數(shù)據(jù)檢查項及平差結(jié)果分析

水準(zhǔn)測量存在誤差，水準(zhǔn)測量的實測高差與理論值往往不符合，其差值成為水準(zhǔn)路線的閉合差。

（1） 閉合水準(zhǔn)路線：閉合水準(zhǔn)路線高差的代數(shù)和應(yīng)是零。即∑h理＝0。由于存在誤差，所以實測高差不為零，該數(shù)值即為高差閉合差fh＝∑h測。

（2） 附合水準(zhǔn)路線：附合水準(zhǔn)路線的所有測段的高差代數(shù)和，理論上應(yīng)等于起、終點兩個已知水準(zhǔn)點間的高差。即∑h理＝H終－H起。但實測高差∑h測與∑h理不相等，高差閉合差為：fh＝ ∑ h測－ ∑ h理＝ ∑ h測－（H終－ H起）[1]。

高差閉合差為fh=∑h往+∑h返。

往返測高差不符值、環(huán)線閉合差和檢測高差之差的限差：

參照測量數(shù)據(jù)，水準(zhǔn)網(wǎng)的整體大環(huán)是閉合的，先驗證環(huán)閉合差能否達(dá)到限差要求，環(huán)閉合差不超限后，根據(jù)已有控制點成果，再分別檢查每段數(shù)據(jù)，直至無誤。

像控點高程測量數(shù)據(jù)，水準(zhǔn)網(wǎng)采用先單段平差后整體平差方法，將整體平差出的高差不符值分別平差至各段。以測段16～14為例，單段平差結(jié)果如表2所示。

經(jīng)過對控制點高程進行比較，水準(zhǔn)測量誤差小于規(guī)范所要求的限差≤±20，按照本段數(shù)據(jù)計算中誤差為3.16cm。水準(zhǔn)網(wǎng)狀路線小于閉合差限差。

2.5 像控點檢查點與水準(zhǔn)高程對比

航測數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，得到布設(shè)作為檢查點的像控點共11個。航測高程與水準(zhǔn)高程對比如表3所示。

其中，中誤差計算：n＝11個，［VV］＝0.509m，M＝±＝0.065m，完全滿足無人機航測像控點≤±10cm的要求。在水利工程中，常用的大比例尺1∶500地形圖對高程限差的要求為d/3（d為基本等高距），即0.167m，航攝成果統(tǒng)計中誤差小于高程限差要求。因此，輕小型無人機航測的高程精度，除無人機自身原因外，很大程度上取決于像控點的高程精度。使用四等水準(zhǔn)測量像控點，能夠有效提高航攝成果高程精度，滿足水利工程要求。

表2 平差結(jié)果表

表3 航測高程與水準(zhǔn)高程對比表

3 結(jié)論

輕小型無人機航測系統(tǒng)受平穩(wěn)性、抗震性、載荷能力、續(xù)航時間、多傳感器融合技術(shù)等多種因素干擾[2]，難以有效保證航測精度，像控點的布設(shè)網(wǎng)形、布設(shè)密度、高程精度等因素對航攝成果的高程精度影響很大，因此通過高密度的像控點才能控制航測有效匹配和銜接，保證其平面精度，從而提高航測精度。本文通過實例論述利用四等水準(zhǔn)測量像控點，能有效提高像控點的高程精度，達(dá)到水利工程對測繪成果的精度要求。