無人機PPK技術在鐵路車站改造中的應用

宋益橋 郭 剛 陳紅兵

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

1 概述

近年來，輕小型消費級無人機日漸普及，無人機遙感技術日也漸成熟，相較于傳統測量方式，輕小型無人機攝影測量具有成本低、機動性強、效率高等優勢[1-2]。已有許多學者開展相關研究及應用，楊帆等利用無人機攝影測量技術獲取礦山三維模型，為礦區治理提供數據支持[3]；藺建強等利用無人機攝影測量獲取高精度的校園三維模型[4]；王棟等將無人機攝影測量技術應用于大范圍地質選線和不良地質識別等方面[5]。

若項目位于地形復雜、無CORS網絡信號、遮擋物多的區域，Real Time Kinematic(RTK)工作模式下的無人機作業將會受限。王明棟等利用PPK無人機攝影測量技術對某跨高速鐵路區域進行航測，其平面中誤差為2.5 cm，高程中誤差為3.1 cm[6]。不難看出，PPK作為一種事后動態差分解算的高精度定位方式，結合無人機攝影測量生產三維模型、數字正射影像等測繪產品，對于復雜地形的勘察任務具有較好的適應性[7]。

2 技術原理與方法

2.1 PPK技術原理

PPK是一種利用載波相位事后差分的厘米級全球衛星導航定位技術。其測量原理與RTK即實時差分定位技術相似，都是通過OTF初始化快速確定整周模糊度。因此，只需基站和移動站同時觀測兩個歷元以上，解算基線集再進行差分，即可獲取厘米級相對定位精度。兩者不同之處在于，RTK利用電臺對基站和移動站之間進行數據傳輸，可實現實時差分改正；而PPK在作業時無需基站和移動站之間有數據鏈，只需事后進行差分。其作業半徑理論上可以達到50 km以上，其作業原理示意見圖1。在基站和移動站的通訊造成信號不穩定的情況下，PPK是一種重要的定位測量方式[8-9]。

圖1 PPK無人機作業原理示意

2.2 PPK輔助無人機攝影測量原理

傳統的航空攝影測量中，需要大量的野外像控點參與空中三角形解算來確定外方位元素，然而，在山區林地布置像控點非常困難。通過PPK技術，集成GNSS模塊的無人機可以獲得相機在拍攝瞬間像主點中心的空間位置，精度可達到厘米級，由此可減少大量的野外地面控制點的布設[10]。另外，基于PPK的各種優勢，可實現一基站多測區，不受數據鏈中斷而影響作業。

2.3 PPK無人機攝影測量作業流程

PPK無人機航測流程大體上與傳統航測一致，一般分為3個步驟：飛前準備，航拍作業，數據處理與成圖。飛前準備包括航線規劃以及像控點布設；PPK無人機航拍作業過程中，無需基站和移動站之間有數據鏈，各自在同一時間段獨自觀測星歷即可；數據處理與成圖階段利用PPK解算的POS數據結合野外像控點進行空三解算，最后輸出4D產品及三維模型，4D產品包括：數字正射影像(DOM)、數字高程模型(DEM)、數字線劃地圖(DLG)和數字柵格地圖(DRG)[11-12]。其中，航高、像片重疊度以及像控點布設是航測流程中的關鍵技術。PPK無人機作業流程見圖2。

圖2 PPK無人機航測作業流程

(1)相對航高設置

航攝高度是無人機攝影測量的關鍵參數，決定了像片地面分辨率(GSD)的大小。相對航高由航攝相機的各項參數和航攝任務所需的地面分辨率所決定，其計算公式為

(1)

式中，H為相對航高；f為相機鏡頭焦距；GSD為地面分辨率；a為像元尺寸。

(2)像片重疊度設置

像片重疊度是指飛機沿航線攝影時，相鄰像片之間的重疊程度，一般以像片重疊部分的長度與像幅長度之比的百分數表示，相鄰航線之間所保持的影像重疊程度稱為旁向重疊度。根據GB/T 7931—2008《1∶500 、1∶1 000 、1∶2 000地形圖航空攝影測量外業規范》，航向重疊度為60%～80%，最少為53%；旁向重疊度為15%～60%，最少為8%。當在建筑區域密集的區域，這樣的旁向重疊度顯然不夠，無法進行三維重建，應當適當提升像片重疊度，航向和旁向建議≥70%，但也需要考慮作業效率，不宜將重疊度設置過大[13]。

(3)像控點布設

像控點是攝影測量控制加密和測圖的基礎，決定了成果精度。具有PPK功能的無人機布設像控點數量較傳統單點定位無人機減少80%以上。消費級PPK無人機在小區域(<1 km2)測圖時，一般采用四周邊均勻布設平高點、四角布設成點組，加少量內部控制點的布設方案[14-15]，像控點布設見圖3。

圖3 像控點布設示意

3 實驗案例分析

3.1 研究區域概況

實驗數據選取于四川省某縣火車站改建前期勘測項目，測區總面積1.37 km2，測區位于山地丘陵過渡地帶，地形復雜，附近CORS信號弱，傳統人工測量無法跨越鐵路，且效率低；無人機RTK作業也難以開展。因此，決定采用無人機PPK作業方式，以期制作出高精度的三維模型，為站線改建提供高精度且直觀的地理信息基礎數據。

3.2 PPK無人機作業及數據處理

實驗區域面積為0.34 km2，坐標系采用2000國家大地坐標系(CGCS2000)，高斯3°帶投影，高程基準選用1985國家高程基準，選取其中某一架次數據，采用DJI Phantom 4 RTK多旋翼無人機，設計GSD 為3 cm，相對航高設置為100 m，像控點采用四周邊均勻布設平高點、四角布設成點組，加少量內部控制點的布設方案，共布設13個平高點。利用PPK作業模式對該區域進行航拍測量，共獲取258張照片。為探究基站和移動站之間的基線長度與成圖精度的關系，在無人機航測作業時，距測區分別為1.76 km(S1組)，7.04 km(S2組)和12.75 km(S3組)的地方架設3組基準站。分別將S1、S2及S33組基站的數據與移動站經PPK后差分解算，得到3組POS數據。將這3組POS數據和航拍照片導入PhotoScan軟件，再結合像控點進行空三加密，再將空三解算后的結果導入到ContextCapture，得到了地面分辨率為2.7 cm的3組三維模型[16-17]。

3.3 精度分析

為驗證其測量精度，在測區共布設20個檢查點，檢查點選擇在墻角，路標等明顯地物上。在設有明顯地物的區域，采用油漆涂畫L形標志。在保證同一坐標系統的前提下，分別用RTK實測與三維模型數據做對比，誤差統計折線見圖4。

圖4 誤差統計分布

中誤差計算公式為

(2)

式中，m為中誤差；n為檢查點個數；Δi為各方向RTK實測坐標與三維模型量測坐標差值。各實驗組檢查點中誤差坐標見表1。

表1 檢查點中誤差統計 m

由表1可以看出，PPK模式下，無人機航測的平面精度和高程精度均滿足GB/T 79330—2008《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖航空攝影測量內業規范》規定的1：500的航測精度要求。同時，也可以發現，PPK模式無人機航測精度與移動站和基站之間的基線長度關系密切。從圖4可以看出，成圖精度隨著基線的增長而降低，特別是當基線長度大于10 km時，誤差顯著增長。從PPK解算結果可以看出，S1、S2、S3組的固定解比例分別為94.62%、91.54%和82.62%，基線最長的S3組的固定解比例明顯小于S1、S2組，從而影響成圖精度。同時，也可以看出，PPK模式無人機航測的平面精度總體優于高程精度。

4 結論

PPK無人機航測在地面分辨率優于3 cm，布設一定數量像控點的條件下，平面中誤差可達到0.03 m，高程中誤差在0.05 m的精度水平。總體來看，平面精度優于高程精度。并且，隨著基站與移動站基線的增長，PPK無人機航測的精度會有一定的下降，當基線從1.76 km增至7.04 km，平面中誤差變化不大，高程中誤差從0.047 m增加至0.061 m；當基線增加至12.75 km，平面中誤差Y方向增加至0.045 m，X方向增加至0.054 m，高程中誤差增加至0.113 m。