機載RTK 定位精度對無人機測圖精度的影響分析

吳珍麗，彭小青，吳迪軍

（1.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430050）

如何提高無人機大比例尺地形測圖的成果精度，一直是無人機航測學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的重點之一[1]。影響無人機測圖精度主要有2個關(guān)鍵因素：一是準確相機參數(shù)的獲取；二是高精度POS數(shù)據(jù)的獲取[2-3]。

大疆精靈4 RTK無人機相機的鏡頭參數(shù)在出廠時已經(jīng)過檢校，由于搭載的是機械結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定的非量測型相機，內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)一旦發(fā)生改變就無法保證測量精度[4]，因此需定期進行相機畸變參數(shù)的檢校并及時進行更新。而在POS數(shù)據(jù)獲取過程中，在大多數(shù)情況下，RTK均能達到較高的精度，但在個別情況下，由于地球的大氣層會對電磁波的傳播產(chǎn)生路徑以及時延上的影響[5-6]，同時受到衛(wèi)星上的原子鐘、衛(wèi)星星歷等精準度的限制，電離層、對流層誤差、星歷、星鐘誤差等均會對RTK定位精度產(chǎn)生影響，其定位精度可能會出現(xiàn)較大波動，從而影響最終的測圖精度。本文在G3 銅陵長江公鐵大橋項目實施過程中發(fā)現(xiàn)，由于部分測區(qū)的大疆精靈4機載RTK定位精度較低，進而導(dǎo)致生成的航測地形圖成果精度降低。因此本文結(jié)合該項目，進一步分析了機載RTK定位精度對無人機航測精度的影響，并提出了確保測圖精度的技術(shù)方案。

1 項目概況

G3銅陵長江公鐵大橋連接長江南岸的銅陵市區(qū)和長江北岸的樅陽縣，承擔(dān)既有銅陵長江公路大橋替代橋功能（替代高速公路），同時搭載鐵路過江，在銅陵長江公路大橋上游側(cè)約700 m，主橋橋跨為113.5 m+145 m+988 m+145 m+113.5 m，大橋按照“4線鐵路+6車道高速公路”的標準建設(shè)。鐵路橋面布置2線合廬銅城際、2線城市軌道交通1號線；公路橋面布置雙向6車道京臺高速，兩側(cè)設(shè)置緊急停車帶。本次測量任務(wù)為：在當?shù)販y繪部門已收集的1∶2 000地形圖基礎(chǔ)上，針對部分地形變化較大區(qū)域進行修補測，修補測區(qū)域為線路中線左右約100 m范圍內(nèi)共6個分散的測區(qū)。

2 無人機航測數(shù)據(jù)獲取與試驗方案

該項目的數(shù)據(jù)獲取利用大疆精靈4 RTK無人機及機載的2 000 萬分辨率數(shù)碼相機，按照1∶500 比例尺成圖要求及無人機飛行相關(guān)要求設(shè)計飛行實施。飛行航高設(shè)計為100 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。航飛拍攝前，將收集到的控制點及航測范圍線導(dǎo)入衛(wèi)星影像圖中，通過衛(wèi)星影像圖確定作業(yè)范圍是否為禁飛區(qū)、限高區(qū)，大致判斷無人機起降場地、飛行高度。通過踏勘實地核查周邊高層建筑物、高壓輸電線路、河流、高山等影響安全的因素，確定無人機起降場地。本項目外業(yè)航拍歷時3 d，共計飛行30架次，累計飛行時間495 min，拍攝時間344 min，拍攝相片7 411 張。每架次拍攝的像片均確保無人機RTK 解為固定解。項目實施過程中，采用千尋CORS作為機載RTK的差分源。

在航飛作業(yè)過程中，隨時觀察并記錄機載RTK的定位精度，即遙控器上顯示的RTK實時動態(tài)精度。經(jīng)過內(nèi)業(yè)處理生成三維實景模型后，根據(jù)測定的檢查點來評定模型上對應(yīng)成果的精度，以此分析機載RTK定位精度對測圖精度的影響。所有測區(qū)均勻布設(shè)一定數(shù)量的檢查點，檢查點選取航測任務(wù)范圍內(nèi)的明顯地物點，一般選取比較清晰的公路地面標識線角點，方便后期內(nèi)業(yè)比對統(tǒng)計。使用Trimble R10 GNSS 接收機以RTK定位模式實測檢查點的坐標、高程，測量方式為雙測回平滑采集，每個測回采集30個歷元的數(shù)據(jù)，最終以2個測回共60個歷元數(shù)據(jù)的均值作為檢查點的成果。

3 機載RTK定位精度對測圖精度的影響分析

計算檢查點在三維實景模型上的坐標值與RTK實測坐標值的差值，統(tǒng)計測區(qū)1~6共40個檢查點的精度如表1 所示。表中，△X 表示檢查點在平面坐標（X）方向的坐標差值；△Y表示檢查點在平面坐標（Y）方向的坐標差值；△H 表示檢查點在高程（H）方向的差值。

表1 檢查點精度統(tǒng)計表

從表1 可以看出，測區(qū)1、測區(qū)3、測區(qū)6 的檢查點精度較高，而測區(qū)2、測區(qū)4、測區(qū)5 的檢查點精度整體較低。在項目航測中發(fā)現(xiàn)，測區(qū)1、測區(qū)3、測區(qū)6 航飛作業(yè)時機載RTK定位精度為2~3 cm，而測區(qū)2、測區(qū)4、測區(qū)5航飛作業(yè)時機載RTK定位精度為5~9 cm，反映出航測地圖的精度與機載RTK精度的正相關(guān)性。

為了進一步分析測區(qū)2、測區(qū)4、測區(qū)5 精度較差的原因是否與機載RTK 的定位精度較差有關(guān)，以測區(qū)4 為實驗測區(qū)，使用Trimble R10 GNSS 接收機自建單基站的方式執(zhí)行航飛并實測檢查點的坐標、高程。該測區(qū)外業(yè)航飛作業(yè)時機載RTK 顯示的實時定位精度均為2~3 cm。統(tǒng)計的7 個檢查點的精度如表2所示。

表2 測區(qū)4試驗精度統(tǒng)計表（自建單基站RTK）

從表2 可以看出，在參與精度統(tǒng)計的7 個檢查點中：X坐標偏差絕對值最大為0.033 m，最小為0.020 m，平均值為0.025 m；Y坐標偏差絕對值最大為0.031 m，最小為0.006 m，平均值為0.016 m；X坐標中誤差為0.025 m，Y坐標中誤差為0.018 m，平面點位中誤差為0.031 m。高程偏差絕對值最大為0.065 m，最小為0.006 m，平均值為0.025 m，高程中誤差為0.032 m。顯然，表2中測區(qū)4的檢查點精度結(jié)果優(yōu)于表1中測區(qū)4 的精度，說明機載RTK 定位精度會對航測地形圖成果的精度產(chǎn)生顯著影響。

當千尋CORS 系統(tǒng)較穩(wěn)定，機載RTK 的定位精度為2~3 cm 時，再次以千尋CORS 為差分源對測區(qū)4 執(zhí)行航飛作業(yè)，此時機載RTK的定位精度與上述自建單基站的方式進行航飛作業(yè)時精度相當。統(tǒng)計的7 個檢查點的精度。在參與精度統(tǒng)計的7個檢查點中：X坐標偏差絕對值最大為0.037 m，最小為0.001 m，平均值為0.020 m；Y坐標偏差絕對值最大為0.035 m，最小為0.003 m，平均值為0.019 m ；X坐標中誤差為0.023 m，Y坐標中誤差為0.022 m，平面點位中誤差為0.031 m。高程偏差絕對值最大為0.054 m，最小為0.006 m，平均值為0.023 m；高程中誤差值為0.028 m。以上精度結(jié)果與表2的相當，均優(yōu)于表1中測區(qū)4的檢查點精度。結(jié)果表明：機載RTK定位精度對生成的航測成果精度具有顯著影響。

綜上所述，當航飛作業(yè)過程中機載RTK的定位精度為5~9 cm時，獲取的航測成果的精度較低；當機載RTK的定位精度為2~3 cm時，獲取的航測成果的精度較高，航測成果的精度與機載RTK的定位精度表現(xiàn)出較強的正相關(guān)性。

4 機載RTK定位精度差異分析

無論是連接千尋CORS 方式作業(yè)，亦或通過自建單基站的方式作業(yè)，其本質(zhì)均為通過建立載波相位差分方程求解整周模糊度，進而解算機載RTK 實時位置。根據(jù)載波相位雙差方程聯(lián)立求解，雙差綜合誤差可簡化為：

式中， ?2Ο 為軌道偏差殘余； ?2Ι 為電離層延遲殘余；?2Τ 為對流層延遲殘余；μ與站間距離有關(guān)，當距離較短時，這3 項可以忽略不計，但在中長距離動態(tài)定位中，這3項誤差占據(jù)了主導(dǎo)地位，使得定位精度迅速下降[7]。本文實驗中的CORS為采用VRS技術(shù)的大型網(wǎng)絡(luò)參考站系統(tǒng)，基準站間距一般長達40~80 km，容易受電離層、對流層殘差的影響，比較常見的表現(xiàn)是：在不同緯度地區(qū)、同一天不同時間段、西部山區(qū)不同海拔高度使用時均存在差異。在電離層活躍的時段及地區(qū)，RTK定位精度將顯著降低。而自建單基站系統(tǒng)是一種簡便快捷的作業(yè)方式，可為大疆精靈4RTK 提供差分源。考慮到自建單基站系統(tǒng)作業(yè)距離一般不超過2 km，幾乎可以忽略電離層、對流層延遲殘差的影響，精度相對更穩(wěn)定、可靠。因此，在執(zhí)行航測飛行任務(wù)時，當機載RTK精度較差時可選擇自建單基站方式進行作業(yè)。實際航飛作業(yè)過程中，應(yīng)隨時監(jiān)控機載RTK 的定位精度。當RTK 定位精度較低時，應(yīng)選擇合適的定位模式和有利的作業(yè)時間進行航測外業(yè)，以提高RTK定位精度和測圖精度。

5 結(jié) 論

本文基于大疆精靈4 RTK無人機，結(jié)合實際航測項目詳細分析了機載RTK 定位精度對測圖精度的影響。結(jié)果表明機載RTK定位精度對測圖精度的影響顯著，因此在執(zhí)行航測飛行任務(wù)時應(yīng)觀察并記錄機載RTK 定位精度。當機載CORS RTK 精度較差時，可通過自建單基站方式進行作業(yè)，單基站的作業(yè)距離控制在2 km以內(nèi)，以降低電離層、對流層影響對定位結(jié)果的不利影響，進而確保地形圖的精度；當無自建單基站條件或自建單基站方式作業(yè)精度仍然較差時（RTK定位精度不宜低于3 cm），應(yīng)選擇RTK 定位精度較好的時段進行作業(yè)，以保證航測成果的精度。本文的研究成果可為無人機免像控作業(yè)規(guī)范規(guī)程的制定提供參考。