RTK和PPK融合差分技術(shù)的無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量免像控測(cè)圖精度實(shí)證

任智龍 李風(fēng)賢 柴生亮 李偉偉

(蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué), 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,無(wú)人機(jī)性能的不斷提升,無(wú)人機(jī)在測(cè)繪行業(yè)的應(yīng)用得到了大力推廣[1-2]。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)被廣泛使用在大比例尺地形圖測(cè)繪工作中,一直以來(lái)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量以其快速高效的測(cè)圖方式得到了廣大業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可。使用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行地形圖測(cè)繪工作首先是利用無(wú)人機(jī)搭載的專業(yè)相機(jī)完成測(cè)區(qū)豎直影像或傾斜影像數(shù)據(jù)的采集,然后采用專業(yè)成圖軟件完成數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型和數(shù)字線劃圖的生產(chǎn)。傳統(tǒng)攝影測(cè)量為了在數(shù)字影像相對(duì)定向的情況下得到像點(diǎn)在空間的絕對(duì)位置,需要進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量,像控點(diǎn)坐標(biāo)是攝影測(cè)量控制加密測(cè)圖的基礎(chǔ)[3]。然而隨著免像控技術(shù)的發(fā)展,全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)輔助空中三角測(cè)量對(duì)航攝影像位置進(jìn)行糾正,可提高航空影像的像點(diǎn)精度,使得攝影測(cè)量工作在沒(méi)有像控點(diǎn)的情況下其測(cè)量精度也能滿足生產(chǎn)要求,攝影測(cè)量免像控技術(shù)極大地提高了航空影像測(cè)圖的工作效率。然而在實(shí)際生產(chǎn)中免像控技術(shù)并未大量使用,為了確保測(cè)圖精度,在無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量工作中都會(huì)進(jìn)行像控點(diǎn)的測(cè)量。本文針對(duì)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量免像控技術(shù)中的動(dòng)態(tài)后處理(post processed kinematic,PPK)技術(shù)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(real time kinematic,RTK)融合差分技術(shù)(簡(jiǎn)稱“PPK、RTK融合差分技術(shù)”),設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn),采用多種方式完成基于PPK、RTK融合差分技術(shù)的無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量免像控測(cè)圖任務(wù),以驗(yàn)證測(cè)量成果精度穩(wěn)定、可靠,能達(dá)到1∶500比例尺地形圖成圖精度要求。同時(shí)對(duì)不同影像獲取方式及影像處理方法的免像控?cái)z影測(cè)量測(cè)圖精度進(jìn)行了比較,為從事相關(guān)生產(chǎn)和研究工作的人員提供參考依據(jù)。

1 PPK、RTK融合差分技術(shù)

RTK、PPK融合差分技術(shù)：通過(guò)對(duì)RTK技術(shù)和PPK技術(shù)進(jìn)行比較,兩者各有優(yōu)缺點(diǎn),PPK技術(shù)采用的是觀測(cè)數(shù)據(jù)后期處理的模式,基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間無(wú)須建立實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸路徑,所以觀測(cè)時(shí)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間不受信號(hào)傳輸距離的限制,它的優(yōu)點(diǎn)是定位半徑大、定位精度高、操作簡(jiǎn)單、技術(shù)相對(duì)成熟。但同時(shí)PPK技術(shù)由于是后期解算,使用者無(wú)法得到實(shí)時(shí)的坐標(biāo)數(shù)據(jù),無(wú)法實(shí)時(shí)看到觀測(cè)的精度,觀測(cè)時(shí)需要保持良好的觀測(cè)條件。PPK技術(shù)與RTK技術(shù)相結(jié)合,PPK技術(shù)保證了無(wú)論何種地形都可以獲得高精度的基礎(chǔ)定位數(shù)據(jù),是對(duì)RTK觀測(cè)作業(yè)進(jìn)行及時(shí)的補(bǔ)充,兩者結(jié)合后測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取更加穩(wěn)定,數(shù)據(jù)精度更加可靠,融合差分解算后得到的定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system,POS)的位置精度更高[4-7]。

2 技術(shù)路線

本文以RTK、PPK融合差分技術(shù)為基礎(chǔ),設(shè)置兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了多種方式下的無(wú)人機(jī)免相控?cái)z影測(cè)量測(cè)圖精度及三維模型精度。第一組實(shí)驗(yàn)是基于無(wú)人機(jī)不同影像獲取方式的垂直攝影測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中分別采用了無(wú)人機(jī)定高飛行影像獲取方式和無(wú)人機(jī)仿地飛行影像獲取方式。第二組實(shí)驗(yàn)是基于不同攝影測(cè)量方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中分別采用了垂直攝影測(cè)量與傾斜攝影測(cè)量?jī)煞N攝影測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)免相控?cái)z影測(cè)量技術(shù)路線圖

3 基于無(wú)人機(jī)不同影像獲取方式的垂直攝影測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)

此實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證基于RTK、PPK融合差分技術(shù)的無(wú)人機(jī)免像控垂直攝影測(cè)量精度能夠滿足1∶500比例尺測(cè)圖精度要求。同時(shí)比較了采用無(wú)人機(jī)定高飛行和仿地飛行兩種不同影像采集方式下的攝影測(cè)量測(cè)圖精度大小。實(shí)驗(yàn)以無(wú)人機(jī)影像獲取方式為單一變量,分別用無(wú)人機(jī)定高飛行和無(wú)人機(jī)仿地飛行兩種影像獲取方式進(jìn)行影響采集,為保證變量的單一性,本次實(shí)驗(yàn)選用了同一測(cè)區(qū),在同一時(shí)間采用相同的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理工作。實(shí)驗(yàn)技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)技術(shù)流程示意圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)為西北地區(qū)某校園內(nèi),測(cè)區(qū)依山而建,地形陡峭,建筑物比較集中。測(cè)區(qū)高程為1 600～2 200 m,面積約為400 km2,測(cè)區(qū)最大坡度為80°。實(shí)驗(yàn)選用的無(wú)人機(jī)是飛馬智能航測(cè)系統(tǒng)D300,相機(jī)選用的是D-OP410五鏡頭傾斜模塊,數(shù)據(jù)處理軟件采用飛馬“無(wú)人機(jī)管家”[8-9]。

3.1 數(shù)據(jù)獲取

首先根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況和設(shè)備性能要求對(duì)無(wú)人機(jī)飛行路線進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)定高飛行和無(wú)人仿地飛行兩種飛行路線。無(wú)人機(jī)定高飛行攝影測(cè)量,無(wú)人機(jī)飛行高度為300 m,最高點(diǎn)的影像分辨率為2 cm,最低點(diǎn)的影像分辨率為4 cm,影像航向重疊度為80%,旁向重疊度為70%。航線航向外擴(kuò)50 m,旁向外擴(kuò)1條航線。無(wú)人機(jī)仿地飛行攝影測(cè)量航線,無(wú)人機(jī)飛行高度300 m,影像分辨率為2 cm,影像航向重疊度為80%,旁向重疊度為70%。航線航向外擴(kuò)50 m,旁向外擴(kuò)1條航線。

然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,在山頂開(kāi)闊位置架設(shè)基站,通過(guò)輸入連續(xù)運(yùn)行參考站(continuously operating reference stations,CORS)賬戶,實(shí)現(xiàn)CORS網(wǎng)絡(luò)接入并實(shí)現(xiàn)RTK模式,同時(shí)記錄靜態(tài)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系,基站點(diǎn)采用CORS坐標(biāo)。完成飛行任務(wù)并獲取影像和影像POS數(shù)據(jù),此次定高飛行采集影像315張,仿地飛行采集影像436張。同時(shí)進(jìn)行檢查點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量,檢查點(diǎn)測(cè)量時(shí)需要保證檢查點(diǎn)坐標(biāo)與基站點(diǎn)坐標(biāo)在同一個(gè)坐標(biāo)系,以免檢查點(diǎn)測(cè)量坐標(biāo)的系統(tǒng)誤差影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)置90個(gè)檢查點(diǎn),檢查點(diǎn)分布在測(cè)區(qū)不同的區(qū)域范圍,盡可能使測(cè)區(qū)不同的地形特征處都有所涵蓋,兩種攝影測(cè)量成果共用相同的檢查點(diǎn)進(jìn)行精度檢核。

3.2 數(shù)據(jù)處理

準(zhǔn)備好基站GNSS數(shù)據(jù)、飛機(jī)GNSS數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、相機(jī)報(bào)告等測(cè)量數(shù)據(jù)之后,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作。主要工作包括利用RTK數(shù)據(jù)和PPK數(shù)據(jù)進(jìn)行融合差分解算,得到高精度的差分POS,再利用高精度差分POS進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算,完成自由網(wǎng)空三并檢查空三成果。

3.3 精度驗(yàn)證

完成空三處理之后,將檢查點(diǎn)導(dǎo)入空三成果進(jìn)行刺點(diǎn)工作,然后重新進(jìn)行空三計(jì)算,分別計(jì)算出兩組攝影測(cè)量成果的平面誤差和高程誤差。

統(tǒng)計(jì)定高飛行和仿地飛行測(cè)量成果平面誤差。兩組測(cè)量成果中檢查點(diǎn)的橫坐標(biāo)誤差ΔX和縱坐標(biāo)誤差ΔY都小于10 cm,分別以ΔX為橫軸以ΔY為縱軸建立空間直角坐標(biāo)系,定高飛行檢查點(diǎn)的平面誤差分布如圖3所示,仿地飛行各檢查點(diǎn)的平面誤差分布如圖4所示。計(jì)算得出定高飛行測(cè)量成果中檢查點(diǎn)平面中誤差。

圖3 定高飛行測(cè)量檢查點(diǎn)平面誤差分布

圖4 仿地飛行測(cè)量檢查點(diǎn)平面誤差分布

對(duì)圖3和圖4的比較可以看出，定高飛行檢查點(diǎn)的平面誤差分布的離散性高于仿地飛行檢查點(diǎn)平面誤差的分布,結(jié)合兩組數(shù)據(jù)中誤差計(jì)算結(jié)果可以得出仿地飛行平面誤差的精度高于定高飛行平面誤差的精度。

定高飛行測(cè)量和仿地飛行測(cè)量中檢查點(diǎn)的高程誤差分布如圖5所示。計(jì)算得出定高飛行測(cè)量成果中檢查點(diǎn)的高程中誤差為0.076 m,仿地飛行測(cè)量成果中檢查點(diǎn)的高程中誤差中誤差為0.044 m。結(jié)合圖5中檢查點(diǎn)的誤差分布線性可以得出仿地飛行測(cè)量高程精度高于定高飛行測(cè)量高程精度。

圖5 定高飛行測(cè)量和仿地飛行測(cè)量檢查點(diǎn)高程誤差分布

兩組飛行測(cè)量成果中檢查點(diǎn)的中誤差計(jì)算結(jié)果如表1所示。根據(jù)《數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》中對(duì)1∶500比例尺成圖的空三精度點(diǎn)位中誤差的要求,平面中誤差為0.175 m,高程中誤差為0.150 m[10]。對(duì)比得出,基于兩種不同影像獲取方式的豎直攝影測(cè)量成果精度都能滿足1∶500成圖精度要求。

表1 定高飛行測(cè)量與仿地飛行測(cè)量檢查點(diǎn)中誤差對(duì)比表 單位：m

4 無(wú)人機(jī)垂直攝影測(cè)量與傾斜攝影測(cè)量測(cè)量精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

此實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證基于RTK、PPK融合差分技術(shù)的無(wú)人機(jī)免像控傾斜攝影測(cè)量精度高于垂直攝影測(cè)量精度,且都能夠滿足1∶500比例尺測(cè)圖精度要求。實(shí)驗(yàn)同時(shí)比較了傾斜攝影測(cè)量和垂直攝影測(cè)量三維模型建設(shè)成果。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)選取了同一個(gè)測(cè)區(qū),采用了相同設(shè)備同一時(shí)間進(jìn)行,本組實(shí)驗(yàn)的測(cè)區(qū)和設(shè)備與第一組實(shí)驗(yàn)的相同。為了保證變量的單一性,完成傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)獲取工作后,垂直攝影測(cè)量的影像數(shù)據(jù)選用傾斜攝影影像數(shù)據(jù)中的正射影像。

4.1 數(shù)據(jù)采集

此次實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)影像數(shù)據(jù)獲取采用無(wú)人機(jī)定高飛行影像獲取方式,飛機(jī)飛行高度300 m,最高點(diǎn)的影像分辨率為2 cm,最低點(diǎn)的影像分辨率為4 cm,影像航向重疊度為80%,旁向重疊度為70%。航線航向外擴(kuò)50 m,旁向外擴(kuò)1條航線,兩組無(wú)人機(jī)POS如圖所示。無(wú)人機(jī)搭載5鏡頭傾斜相機(jī),共采集到5組影像,共計(jì)約1 500張像片。

4.2 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)將采集處理好的基站GNSS數(shù)據(jù)、飛機(jī)GNSS數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、相機(jī)報(bào)告等數(shù)據(jù),然后進(jìn)行將RTK數(shù)據(jù)和PPK數(shù)據(jù)進(jìn)行融合差分解算,得到高精度的差分POS。再利用高精度差分POS進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算,完成自由網(wǎng)空三并檢查空三成果[11]。本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)置30個(gè)檢查點(diǎn),完成檢查點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量工作。

4.3 精度驗(yàn)證

完成空三處理之后,將檢查點(diǎn)導(dǎo)入空三成果進(jìn)行刺點(diǎn)工作,然后重新進(jìn)行空三計(jì)算,分別計(jì)算出兩組攝影測(cè)量成果的平面誤差和高程誤差[12]。

統(tǒng)計(jì)垂直攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量成果平面誤差。兩組方式中檢查點(diǎn)的橫坐標(biāo)誤差ΔX和縱坐標(biāo)誤差ΔY都小于8 cm,分別以ΔX為橫軸以ΔY為縱軸建立空間直角坐標(biāo)系,垂直攝影測(cè)量檢查點(diǎn)的平面誤差分布如圖6所示。傾斜攝影測(cè)量各檢查點(diǎn)的平面誤差分布如圖7所示,計(jì)算傾斜攝影測(cè)量結(jié)果中檢查點(diǎn)的平面誤差。對(duì)圖6和圖7的比較可以看出，垂直攝影測(cè)量檢查點(diǎn)的平面誤差分布的離散性高于垂直攝影測(cè)量檢查點(diǎn)平面誤差的分布,結(jié)合兩組數(shù)據(jù)中誤差計(jì)算結(jié)果可以得出傾斜攝影測(cè)量平面誤差的精度高于垂直攝影測(cè)量平面誤差的精度。

圖6 垂直攝影檢查點(diǎn)平面誤差分布

圖7 傾斜攝影檢查點(diǎn)平面誤差分布

統(tǒng)計(jì)垂直攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量成果高程誤差。垂直攝影測(cè)量中有5個(gè)檢查點(diǎn)的高程誤差大于10 cm,傾斜攝影測(cè)量中有1個(gè)檢查點(diǎn)的高程誤差大于10 cm,高程誤差值都小于16 cm,以檢查點(diǎn)點(diǎn)名為橫軸,以高程中誤差值為縱軸建立空間直角坐標(biāo)系,垂直攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量檢查點(diǎn)的高程誤差分布如圖8所示,結(jié)合圖8中檢查點(diǎn)的誤差分布線性可以得出傾斜攝影測(cè)量高程精度高于垂直攝影測(cè)量高程精度。

圖8 垂直攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量檢查點(diǎn)高程誤差分布

兩組測(cè)量成果中檢查點(diǎn)的中誤差計(jì)算結(jié)果如表2所示,根據(jù)《數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》中對(duì)1∶500比例尺成圖的空三精度點(diǎn)位中誤差的要求,平面中誤差為0.175 m,高程中誤差為0.150 m,測(cè)量結(jié)果與規(guī)范要求對(duì)比得出,垂直攝影測(cè)量成果精度和傾斜攝影測(cè)量成果精度都能滿足1∶500成圖精度要求[13]。

表2 垂直攝影測(cè)量與傾斜攝影測(cè)量檢查點(diǎn)中誤差對(duì)比表 單位：m

4.4 三維建模對(duì)比

分別利用垂直影像和傾斜影像進(jìn)行測(cè)區(qū)三維模型建設(shè),兩種方式都能完成三維模型建設(shè),模型未有明顯漏洞,模型整體的完整性比較好[14]。選取兩組模型的局部進(jìn)行比較。垂直攝影模型局部扭曲較為嚴(yán)重見(jiàn)圖9(a),傾斜攝影模型的線條清晰建模效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于垂直攝影模型,見(jiàn)圖9(b)。垂直攝影模型在屋檐遮擋部位的失真嚴(yán)重,如圖9(c)和圖9(d)所示。

(a)局部扭曲嚴(yán)重 (b)線條清晰建模

5 結(jié)束語(yǔ)

本篇論文通過(guò)兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于RTK、PPK融合差分技術(shù)的無(wú)人機(jī)免像控?cái)z影測(cè)量精度,同時(shí)詳細(xì)地比較分析了攝影測(cè)量工作在數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、成果驗(yàn)證等不同階段的操作流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

(1)基于RTK、PPK融合差分技術(shù)的無(wú)人機(jī)免像控?cái)z影測(cè)量精度可以滿足1∶500比例尺測(cè)圖精度要求。本文通過(guò)多種方式進(jìn)行了測(cè)驗(yàn),每組測(cè)驗(yàn)成果都滿足1∶500比例尺測(cè)圖的精度要求。

(2)在基于RTK、PPK融合差分技術(shù)的無(wú)人機(jī)免像控垂直攝影測(cè)量中,采用仿地飛行影像獲取方式的測(cè)量精度高于采用定高飛行影像獲取方式的測(cè)量精度。

(3)在基于RTK、PPK融合差分技術(shù)的無(wú)人機(jī)免像控?cái)z影測(cè)量中,傾斜攝影測(cè)量的成果精度高于垂直攝影測(cè)量的成果精度。測(cè)量成果都能滿足1∶500比例尺測(cè)圖的精度要求。

(4)在基于RTK、PPK融合差分技術(shù)的無(wú)人機(jī)免像控?cái)z影測(cè)量中,利用傾斜攝影測(cè)量建設(shè)的三維模型精度高于利用垂直影像測(cè)量建設(shè)的三維模型精度。利用傾斜攝影測(cè)量建設(shè)的三維模型在建模的完整性、建模細(xì)節(jié)的精細(xì)度、建模紋理的清楚度、線條的真實(shí)性等方面都高于利用垂直攝影測(cè)量建設(shè)的三維模型。