PPP技術(shù)在無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量中的應(yīng)用研究

方小勤

（福建省閩西地質(zhì)大隊(duì)，福建 三明 365000）

0.引言

傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量通常采用機(jī)載POS數(shù)據(jù)和地面控制點(diǎn)聯(lián)合平差的方式進(jìn)行空中三角測(cè)量。由于POS系統(tǒng)定位精度較低，外業(yè)仍需實(shí)測(cè)部分控制點(diǎn)，這就加大了野外工作量，工作效率偏低[1]。隨著差分GNSS技術(shù)廣泛應(yīng)用于無人機(jī)測(cè)繪，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（RTK）和動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)（PPK）逐漸成為主流方式，應(yīng)用這兩種方法可以有效降低光束法平差對(duì)控制點(diǎn)的依賴，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了工作效率，但仍存在著基準(zhǔn)站與無人機(jī)之間通信距離較短等問題。

精密單點(diǎn)定位（PPP）技術(shù)是指利用分布全球的若干連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的GNSS數(shù)據(jù)計(jì)算出的精密衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差，對(duì)單臺(tái)GNSS接收機(jī)所采集的相位和偽距觀測(cè)值進(jìn)行定位解算的技術(shù)。隨著各國導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展，多系統(tǒng)的組合定位則是提高精度的另一種思路。經(jīng)研究表明：GLONASS和GPS組合精密單點(diǎn)定位雖在靜態(tài)條件下與GPS PPP定位精度相當(dāng)，但在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)解算過程，GLONASS/GPS PPP則使大部分點(diǎn)位處理結(jié)果由于GPS PPP[2]。因此，精密單點(diǎn)定位對(duì)于空間點(diǎn)位，可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)非差精密單點(diǎn)定位。該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)全球精密實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位與導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)，也是GNSS定位方面的前沿研究方向。

將PPP技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)條件下無人機(jī)的實(shí)時(shí)位置測(cè)量，為下一步地理信息成果生產(chǎn)提高精準(zhǔn)空間控制依據(jù)，本文結(jié)合工作實(shí)踐，利用PPP技術(shù)，通過事后下載精密星歷的方式獲取無人機(jī)攝影瞬間的位置信息，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)航攝在無基站情況下的精確定位。而后將精密單點(diǎn)定位獲取的攝站信息應(yīng)用于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維建模當(dāng)中，量化評(píng)定PPP技術(shù)的定位優(yōu)勢(shì)。

1.精密單點(diǎn)定位模型

1.1 時(shí)間與坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一

設(shè)GPS、BDS和GLONASS三種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)為、和，由于三系統(tǒng)均采用原子時(shí)，具有相同的時(shí)間單位，但時(shí)間原點(diǎn)不一致，其中，GPS以UTC時(shí)1980年1月6日0時(shí)為時(shí)間原點(diǎn)；BDS以UTC時(shí)2006年1月1日0時(shí)為時(shí)間原點(diǎn)；GLONASS則采用與UTC時(shí)存在3小時(shí)時(shí)差的莫斯科協(xié)調(diào)時(shí)（UTCsu）為基準(zhǔn)，不同時(shí)間系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（1）所示：

式（1）中，UTC（USNO）、UTC（NTSC）和UTC（SU）表 示GPS、BDS和GLONASS三系統(tǒng)協(xié)調(diào)世界時(shí)基準(zhǔn)；n為國際原子時(shí)與UTC之間的調(diào)整參數(shù)；τr為GLOT與UTC（SC）之間1ms之內(nèi)的系統(tǒng)偏差。

GPS、BDS和GLONASS三種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用的坐標(biāo)系統(tǒng)分別為WGS84、CGCS2000和PZ90，由定義知：與坐標(biāo)系的參考橢球參數(shù)幾乎一致，對(duì)于無人機(jī)的普通飛行范圍而言，可以忽略不計(jì)。由俄羅斯MCC（Russian Mission Control Center）計(jì)算的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)，可根據(jù)模型Bursa得到與間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（2）所示：

1.2 非差觀測(cè)模型

對(duì)于PPP，多是依靠IGS機(jī)構(gòu)提供的衛(wèi)星鐘差來解決該部分誤差項(xiàng)，并應(yīng)用雙頻接收機(jī)性能進(jìn)一步消除電離層誤差。其中，PPP的載波相位觀測(cè)方程如式（3）所示：

（xi，yi，zi）為接收機(jī)天線的坐標(biāo)；（xj，yj，zj）為衛(wèi)星j的坐標(biāo)。將式（4）進(jìn)行線性化處理，得到方程式如式（6）所示：

2.無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，無人機(jī)平臺(tái)上搭載多鏡頭傳感器，通過控制不同相機(jī)同時(shí)曝光時(shí)間和記錄同一時(shí)刻GNSS接收機(jī)點(diǎn)位信息數(shù)據(jù)[3,4]，對(duì)地面物體進(jìn)行大重疊度影像攝取，獲取地面物體多角度影像和建筑物側(cè)面紋理信息。利用基于視覺的影像快速匹配技術(shù)進(jìn)行特征點(diǎn)匹配和空中三角測(cè)量，獲取攝影瞬間影像外方位元素，恢復(fù)立體模型，建立密集點(diǎn)云并生成三維模型。基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)生產(chǎn)的三維模型具有影像分辨率高、地物紋理清晰、影像色調(diào)一致、生產(chǎn)效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，還可以簡單、高效自動(dòng)生成數(shù)字地表模型（DSM）和正射影像圖（DOM）。

3.實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 數(shù)據(jù)獲取

此次實(shí)驗(yàn)采用六旋翼無人機(jī)搭載五鏡頭傾斜攝影云臺(tái)和天寶BD930差分模塊進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量。天線相位中心與相機(jī)中心的偏心分量為△X=0.12m、△Y=0.01m、△Z=-0.014m。航攝過程中設(shè)定航向重疊度80%，旁向重疊70%，航高110m，地面分辨率0.05m。相機(jī)檢校參數(shù)文件主要包括像主點(diǎn)坐標(biāo)、像元、焦距、徑向畸變差等。此次飛行獲取的影像數(shù)據(jù)清晰，色調(diào)一致，航攝成果質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

3.2 POS處理

Waypoint Inertial Explore軟件是一款對(duì)集成IMU與GNSS信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理的軟件，利用該軟件對(duì)基準(zhǔn)站和移動(dòng)站記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行事后解算，獲得差分后的高精度POS數(shù)據(jù)。同時(shí)利用48h后下載的精密星歷和天寶BD930差分模塊記錄的移動(dòng)站差分?jǐn)?shù)據(jù)，在不依靠基準(zhǔn)站的情況下，利用精密單點(diǎn)定位技術(shù)解算出較高精度的無人機(jī)飛行軌跡和相機(jī)相位中心坐標(biāo)，兩種方法的部分解算結(jié)果（如表1、表2所示）：

表1 采用動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)（PPK）解算POS成果

表2 采用精密單點(diǎn)定位技術(shù)（PPP）解算POS成果

從軟件分析可知：采用差分后處理方式（PPK）獲得的POS數(shù)據(jù)平面解算為0.012m，高程精度為0.021m，采用精密單點(diǎn)定位（PPP）獲得的POS數(shù)據(jù)平面解算為0.038m，高程精度為0.064m。

3.3 三維模型建立

利用無人機(jī)影像和POS數(shù)據(jù)經(jīng)GNSS輔助空中三角測(cè)量，可以有效構(gòu)建地面三維點(diǎn)云，進(jìn)一步生產(chǎn)出DEM、DOM和三維模型等地理信息成果。根據(jù)地物成像特點(diǎn)及幾何物理特征，可以直觀判讀出地物屬性，而地物特征點(diǎn)坐標(biāo)則主要依賴于光束法平差解算結(jié)果。本文采用的Contextcapture是一款全自動(dòng)實(shí)景建模軟件，自動(dòng)化程度和三維模型質(zhì)量都是目前相關(guān)技術(shù)的最高水準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量中，使用該軟件建模基本流程（如圖1所示）：

圖1 三維建模流程圖

應(yīng)用Contextcapture軟件完成傾斜攝影測(cè)量三維建模，截取空中三角測(cè)量及三維模型效果（如圖2、圖3所示）：

圖2 空中三角測(cè)量

圖3 三維模型構(gòu)建

4.模型精度分析

為驗(yàn)證精密單點(diǎn)定位在無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量中構(gòu)建完成三維模型的精度，我們使用GNSS接收機(jī)，采用網(wǎng)絡(luò)RTK模式在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)實(shí)測(cè)了12個(gè)特征點(diǎn)，其中，點(diǎn)位平面測(cè)量精度優(yōu)于2cm，高程測(cè)量精度由于5cm。同時(shí)，為了比較精密單點(diǎn)定位和差分后處理定位兩種方式的精度差異，分別應(yīng)用兩組POS數(shù)據(jù)完成三維模型構(gòu)建。通過Acute3D Viewer軟件可以從模型上獲取任一點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，同時(shí)，還可以量測(cè)任意兩點(diǎn)的距離、坡度和指定區(qū)域體積等信息。這里僅從兩種無控制點(diǎn)條件下建立的三維模型中量測(cè)特征點(diǎn)坐標(biāo)，并與實(shí)測(cè)特征點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果（如表3所示）：

表3 三種測(cè)量方式坐標(biāo)成果對(duì)比

PPP方式坐標(biāo)分量中誤差為：

結(jié)合規(guī)范要求與比較，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)區(qū)域采用動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)和精密單點(diǎn)定位技術(shù)獲取POS數(shù)據(jù)制作的三維模型，點(diǎn)位量測(cè)精度均能夠達(dá)到分米級(jí)，雖然PPP方式的量測(cè)精度略差，但完全可以滿足一般條件下的精度要求，幾乎可以取代PPK無人機(jī)定位方式。

5.結(jié)束語

本文通過研究融合BDS、GPS和GLONASS三系統(tǒng)的精密單點(diǎn)定位模型，對(duì)無人機(jī)機(jī)載端動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理，在不架設(shè)基準(zhǔn)站的情況下得到了無人機(jī)飛行過程各攝站點(diǎn)相位中心的精確坐標(biāo)，而后借助Contextcapture軟件，完成了無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的GNSS輔助空中三角測(cè)量和三維模型構(gòu)建。實(shí)驗(yàn)表明：精密單點(diǎn)定位所測(cè)的攝站坐標(biāo)用于制作三維模型，定位量測(cè)精度可以達(dá)到分米級(jí)，與差分型無人機(jī)所測(cè)結(jié)果精度相當(dāng)，基本能夠滿足保障任務(wù)需求。因此精密單點(diǎn)定位可以作為無人機(jī)測(cè)繪定位方式的有效補(bǔ)充，對(duì)提高數(shù)據(jù)獲取效率和提升定位精度具有積極作用。