差分GPS數(shù)據(jù)對無人機(jī)空三精度影響的探討

劉竹均 王 義

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610083)

1 概述

無人機(jī)航空攝影具有靈活性強(qiáng)，現(xiàn)勢性高，響應(yīng)快速，受天氣條件、空域管制影響較小等特點(diǎn)。近年來，該技術(shù)在高速鐵路航空攝影大比例制圖、搶險(xiǎn)應(yīng)急制圖、大比例工點(diǎn)制圖等項(xiàng)目中發(fā)揮了重要的作用。無人機(jī)航攝系統(tǒng)搭載的多為非量測相機(jī)，致使其所航攝影像基線短、像幅小、畸變大，往往需要野外布設(shè)大量的地面控制點(diǎn)進(jìn)行空三加密，極大地制約了無人機(jī)技術(shù)在大比例制圖中的生產(chǎn)效率。

差分GPS輔助空中三角測量：利用與航攝儀相連接的機(jī)載GPS接收機(jī)和設(shè)在地面上的一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)同步觀測[1]，采用GPS載波相位測量差分定位技術(shù)，獲取航攝儀曝光時(shí)刻攝站的三維坐標(biāo)。將差分后的攝站三維坐標(biāo)作為觀測值，引入?yún)^(qū)域網(wǎng)進(jìn)行空三加密，可輔助確定像片方位元素[2]。王紅蓮[3]、鄭亮本[4]等對差分GPS輔助無人機(jī)空中三角測量技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)和探討，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用差分GPS輔助無人機(jī)影像空三，能在保證精度的前提下減少控制點(diǎn)布設(shè)數(shù)量。以往的差分GPS輔助空三技術(shù)是將GPS數(shù)據(jù)用于自動(dòng)連接點(diǎn)的提取和相對定向，其目的是增強(qiáng)區(qū)域網(wǎng)的內(nèi)部連接精度。以下研究將高精度的像主點(diǎn)差分GPS數(shù)據(jù)與外業(yè)控制點(diǎn)共同作為區(qū)域網(wǎng)平差的輸入值，輔助區(qū)域網(wǎng)無外控區(qū)域的絕對定向，以提升整網(wǎng)的空三加密精度。以此為出發(fā)點(diǎn)，探索加入和不加入像主點(diǎn)差分GPS數(shù)據(jù)對無人機(jī)影像空三加密精度的影響。

2 項(xiàng)目情況介紹

以某高鐵一個(gè)測區(qū)為試驗(yàn)區(qū)，該試驗(yàn)區(qū)位于丘陵地帶，高程為600～700 m，地形等級為Ⅱ級[5]。試驗(yàn)區(qū)長度約為10 km，寬度約為6 km(長方形)，共布設(shè)16條航線，無人機(jī)航高約500 m，共拍攝無人機(jī)影像999張，布設(shè)地面控制點(diǎn)73個(gè)；航攝儀參數(shù)見表1。

表1 航攝儀參數(shù)

采用YS-D1無人機(jī)差分GPS系統(tǒng)獲取無人機(jī)航飛影像的像主點(diǎn)差分GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)。YS-D1是一套完整的高精度機(jī)載差分系統(tǒng)，可在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下采集數(shù)據(jù)并精確解算。其精度技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 YS-D1差分系統(tǒng)的精度技術(shù)指標(biāo)

3 無人機(jī)空三加密流程

采用inpho Match-AT和Pix4DMapper軟件相結(jié)合的方式，進(jìn)行無人機(jī)影像的數(shù)據(jù)處理和空三加密數(shù)據(jù)處理。inpho Match-AT是一款主流的空三加密軟件，具有較高的自動(dòng)化處理能力，能夠自動(dòng)匹配大量、高精度的連接點(diǎn)，減少人工參與，提高工作效率。然而無人機(jī)原始影像畸變較大，且飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，IMU精度較低，原始的無人機(jī)數(shù)據(jù)無法直接為inpho所用。因此，需要對無人機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理工作。Pix4DMapper是當(dāng)今市場領(lǐng)先的集全自動(dòng)、快速、高精度為一體的無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理軟件，可自動(dòng)、批量化地處理無人機(jī)原始影像數(shù)據(jù)，解算相機(jī)的畸變參數(shù)，生成畸變改正后的影像。無人機(jī)影像空三加密技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 無人機(jī)影像空三加密流程

3.1 Pix4DMapper無人機(jī)影像預(yù)處理

采用Pix4DMapper軟件進(jìn)行無人機(jī)影像的預(yù)處理，一般要經(jīng)過以下幾個(gè)流程。

(1)GPS數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

GPS數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84坐標(biāo)(B，L)和大地高系統(tǒng)(H)，而高速鐵路航測制圖的坐標(biāo)系一般為獨(dú)立分帶的工程坐標(biāo)系和正常高系統(tǒng)。因此，空三加密使用的像主點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)應(yīng)首先進(jìn)行坐標(biāo)和高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換處理，并將其經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為成圖所要求的工程坐標(biāo)系統(tǒng)。

(2)測區(qū)工程建立

導(dǎo)入無人機(jī)原始影像和差分GPS數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可自動(dòng)識別航攝儀相機(jī)參數(shù)。

(3)區(qū)域網(wǎng)相對定向

利用差分GPS數(shù)據(jù)匹配像點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)相對定向。

(4)成果輸出

輸出畸變改正后的影像，并導(dǎo)出外方位元素(包含線元素和角元素)。

3.2 inpho Match-AT無人機(jī)影像空三加密

利用inpho Match-AT軟件進(jìn)行無人機(jī)影像的空三加密，一般要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟。

(1)測區(qū)工程建立

包括相機(jī)文件的設(shè)定、畸變改正后的無人機(jī)影像和外方位元素的導(dǎo)入、航線的創(chuàng)建編輯、控制點(diǎn)導(dǎo)入等。

(2)創(chuàng)建影像金字塔

建立金字塔影像可以提升像點(diǎn)匹配、平差計(jì)算等運(yùn)算速度。金字塔影像也被用于影像瀏覽和漫游，對于經(jīng)過Pix4DMapper畸變改正后的影像，影像格式為*.jpg(自帶金字塔則無需建立金字塔影像)。

(3)自動(dòng)提取連接點(diǎn)

利用Pix4D-Mapper輸出的精度更高的外方位元素，使用inphoMatch-AT模塊自動(dòng)提取連接點(diǎn)，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)相對定向。

(4)外業(yè)控制點(diǎn)量測

根據(jù)刺點(diǎn)示意圖，量測控制點(diǎn)。

(5)區(qū)域網(wǎng)平差

根據(jù)量測的控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，采用“外控點(diǎn)坐標(biāo)單獨(dú)平差”(下稱“不帶差分GPS平差”)和“加入差分GPS坐標(biāo)與外控點(diǎn)坐標(biāo)聯(lián)合平差”(下稱“帶差分GPS平差”)兩種平差方法，來分析差分GPS數(shù)據(jù)對區(qū)域網(wǎng)絕對定向和空三加密精度的影響；

(6)輸出空三加密成果。

4 試驗(yàn)方案及精度統(tǒng)計(jì)

4.1 試驗(yàn)布點(diǎn)方案

設(shè)計(jì)了6種布點(diǎn)試驗(yàn)方案(如圖2所示)。其中，沒有參與區(qū)域網(wǎng)平差的外控點(diǎn)將被當(dāng)作檢查點(diǎn)用以評定空三加密精度，各布點(diǎn)方案使用的定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)數(shù)，如表3所示。

全測區(qū)6種布點(diǎn)試驗(yàn)方案如下。

(1)五點(diǎn)法：全測區(qū)共布設(shè)五個(gè)平高控制點(diǎn)，分別布設(shè)在測區(qū)的四角和中間位置。

(2)六點(diǎn)法：全測區(qū)沿測區(qū)周邊共布設(shè)六個(gè)平高控制點(diǎn)。

(3)八點(diǎn)法：全測區(qū)沿測區(qū)周邊共布設(shè)八個(gè)平高控制點(diǎn)。

(4)雙五點(diǎn)法：全測區(qū)沿測區(qū)周邊共布設(shè)六個(gè)平高控制點(diǎn)，測區(qū)中央布設(shè)四個(gè)平高控制點(diǎn)，控制點(diǎn)呈梅花狀分布。

(5)九點(diǎn)法：全測區(qū)均勻布設(shè)九個(gè)平高控制點(diǎn)。

(6)十三點(diǎn)法：全測區(qū)共布設(shè)十三個(gè)平高控制點(diǎn)，控制點(diǎn)呈梅花狀分布。

表3 各種布點(diǎn)試驗(yàn)方案對應(yīng)的定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)數(shù)

圖2 無人機(jī)影像布點(diǎn)方案示意(△為控制點(diǎn)，其余為檢查點(diǎn))

4.2 空三加密精度統(tǒng)計(jì)及結(jié)果分析

通過統(tǒng)計(jì)6種布點(diǎn)試驗(yàn)方案并采用兩種區(qū)域網(wǎng)平差的方式(不帶差分GPS和帶差分GPS)，來分析像主點(diǎn)差分GPS數(shù)據(jù)對無人機(jī)影像空三加密精度的提升效果，空三加密質(zhì)量的評定以檢查點(diǎn)點(diǎn)位和高程中誤差為依據(jù)。中誤差的計(jì)算公式為[5]

(1)

(2)

其中，檢查點(diǎn)坐標(biāo)誤差Δi(i=X，Y，Z)為檢查點(diǎn)的空三加密解算坐標(biāo)與其外業(yè)實(shí)際測量坐標(biāo)的較差，實(shí)際精度是由n個(gè)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)誤差Δi分別按照式(1)、式(2)計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

表4 無人機(jī)影像空三加密檢查點(diǎn)精度評定結(jié)果統(tǒng)計(jì) m

圖3 無人機(jī)空三加密檢查點(diǎn)精度評定(單位：m)

由表4和圖3可以看出：

(1)在本試驗(yàn)區(qū)域，加入像主點(diǎn)差分GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，對區(qū)域網(wǎng)的高程精度有較大的提升，提升幅度達(dá)到0.2～0.3 m，說明較高精度的像主點(diǎn)差分GPS數(shù)據(jù)對區(qū)域網(wǎng)高程數(shù)據(jù)的絕對定向解算起到了良好的輔助作用，能夠在沒有控制點(diǎn)的區(qū)域輔助定向，提升區(qū)域網(wǎng)的高程精度；另一方面，是否加入像主點(diǎn)差分GPS數(shù)據(jù)對像點(diǎn)的平面精度影響不大。

以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，加入和不加入差分GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差均能滿足《TB 10050—2010鐵路工程攝影測量規(guī)范》Ⅱ級地形1∶1 000空三加密點(diǎn)點(diǎn)位中誤差不大于0.91 m的精度要求，但只有采用加入差分GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差的方法才能滿足規(guī)范中空三加密點(diǎn)高程中誤差不大于0.5 m的精度要求[5]。

(2)在加入差分GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差的結(jié)果中，各方案的像點(diǎn)平面精度均可達(dá)到0.4 m左右，差異不大；高程方面，除全測區(qū)八點(diǎn)法和全測區(qū)雙五點(diǎn)法外，其他四種布點(diǎn)試驗(yàn)方案的精度相差不大，檢查點(diǎn)高程中誤差均在0.7m左右。在加入差分GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差的方法中，六種方案像點(diǎn)平面精度幾乎一致，沒有太大的提升；高程方面，五點(diǎn)法的高程精度較其他五種布點(diǎn)試驗(yàn)方案稍顯遜色，但其高程精度也能達(dá)到0.45 m左右。

以上計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在進(jìn)行無人機(jī)影像空三加密的過程中，布點(diǎn)方案對空三加密精度的影響遠(yuǎn)小于航飛過程加入像主點(diǎn)差分GPS數(shù)據(jù)對空三加密精度的影響。

5 結(jié)論

采用Pix4DMapper軟件對無人機(jī)影像進(jìn)行預(yù)處理，采用inpho Match-AT軟件進(jìn)行無人機(jī)影像空三加密的數(shù)據(jù)處理。研究了加入像主點(diǎn)差分GPS數(shù)據(jù)和不同外控點(diǎn)布設(shè)方案對無人機(jī)影像空三加密精度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，加入像主點(diǎn)差分GPS坐標(biāo)和外控點(diǎn)坐標(biāo)聯(lián)合進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差較不加入差分GPS數(shù)據(jù)平差，區(qū)域網(wǎng)高程精度可以提升0.2～0.3 m，且能滿足《TB 10050—2010鐵路工程攝影測量規(guī)范》Ⅱ級地形1∶1 000空三加密點(diǎn)點(diǎn)位中誤差不大于0.91 m，高程中誤差不大于0.5 m的空三精度要求；而在加入差分GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行無人機(jī)影像空三加密的基礎(chǔ)上，外業(yè)控制點(diǎn)的布設(shè)方案對空三加密精度的影響較小。

在高山、密林區(qū)域，外業(yè)布設(shè)控制點(diǎn)困難程度較高，可供選擇的刺點(diǎn)地物也相對較少，若能使用差分GPS坐標(biāo)聯(lián)合外業(yè)控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差的空三加密方法，可適量減少區(qū)域網(wǎng)刺點(diǎn)困難區(qū)域的外控點(diǎn)數(shù)量，在區(qū)域網(wǎng)的四周邊界使用全測區(qū)六點(diǎn)法、八點(diǎn)法布設(shè)控制點(diǎn)，即可保證空三加密精度。