差分GNSS無人機航測技術在城鄉供水工程勘測中的應用

熊文

（江蘇萬安建筑勘察設計有限公司）

1 引言

本文將詳細介紹差分GNSS無人機航測技術在城鄉供水工程勘測中的應用。首先，將介紹差分GNSS 無人機航測技術的基本原理，包括GPS 和伽利略導航衛星系統、參考站和移動站、誤差消除方法等內容。接下來，將重點講解差分GNSS 無人機航測技術在城鄉供水工程勘測中的應用，包括航線規劃、數據采集與處理以及無人機航線設計案例分析等方面。此外，還將介紹數據建庫的相關技術，包括數據存儲與管理、數據分析與應用等方面。最后，本文將總結差分GNSS無人機航測技術在城鄉供水工程勘測中的應用效果，并展望其未來的發展前景。

2 差分GNSS 無人機航測技術的基本原理

2.1 GPS和伽利略導航衛星系統

全球定位系統（GPS）和伽利略導航衛星系統是現代衛星導航系統中最為常用的兩種技術。GPS系統由美國空軍開發，主要用于軍事領域。而伽利略導航衛星系統是歐盟和歐洲空間局合作開發的衛星導航系統，旨在為民用和商業領域提供全球定位和導航服務[1]。

GPS定位誤差公式：

式（1）中：P1和P2是衛星發射信號到達接收機的時間；T1和T2是衛星發射信號到達接收機前后的電離層延遲；C是光速。

相機標定公式：

式（2）中：s表示相機像素坐標系下的點坐標；[u,v,1]表示像素坐標系下的點坐標；K表示相機內參矩陣；R和t表示相機的外參參數；[X,Y,Z,1]表示世界坐標系下的點坐標。

這兩種衛星導航系統都采用了基于衛星信號的定位方法，其中GPS 系統采用了偽距測量和載波相位測量兩種技術，而伽利略導航衛星系統則采用了時間差測量技術。這些技術都具有高精度、高可靠性和全球覆蓋等優點，為差分GNSS 無人機航測技術提供了可靠的基礎（見表1）。

表1 相機標定數據表

2.2 參考站和移動站

在差分GNSS 無人機航測技術中，參考站和移動站是非常重要的組成部分。參考站通常安裝在已知位置，并能夠同時接收來自多顆衛星的信號。移動站則是無人機上的接收設備，用于接收來自參考站和衛星的信號，實現空間定位和測量。

在實際應用中，參考站和移動站之間的距離往往很短，它們所接收到的信號存在相同的誤差。通過對參考站和移動站所接收到的信號進行比較，就可以確定誤差的大小和方向，從而實現誤差消除[2]。

2.3 消除誤差的方法

在差分GNSS 無人機航測技術中，誤差是一個非常重要的問題。誤差來自多個方面，例如衛星發射的誤差、大氣層的影響、接收機的誤差等。為了提高空間定位和測量的精度，需要對這些誤差進行消除。

常用的誤差消除方法包括差分GPS、實時運動學（RTK）和虛擬基站網絡（VRS）等。其中，差分GPS是最為簡單和直接的誤差消除方法。它通過比較參考站和移動站所接收到的信號之間的差異，確定誤差的大小和方向，從而實現精度的提高。

而RTK則是一種高精度的差分GPS 技術，能夠實現厘米級別的精度。它在差分GPS 的基礎上，加入了相位觀測量和載波相位差分處理，從而實現更高的精度和穩定性。

VRS則是一種基于虛擬基站網絡的高精度定位技術。它采用了與RTK類似的原理，但VRS的參考站位置更為靈活，能夠自適應地根據需要進行調整和優化，從而實現更高的精度和穩定性。

以上這些誤差消除方法都能夠有效提高空間定位和測量的精度，從而為差分GNSS 無人機航測技術在城鄉供水勘測中的應用提供了有力的支持。

3 城鄉供水工程勘測中的差分GNSS無人機航測技術應用

3.1 航線規劃

航線的規劃和設計直接關系到數據采集的效率和數據的質量。因此，在進行航線規劃時，需要充分考慮勘測區域的地形、地貌、地物等因素，制定合理的航線方案，以確保數據采集的效率和質量。

對于城鄉供水工程勘測，由于涉及復雜的地形和地貌，航線規劃更為重要。在航線規劃過程中，需要考慮到勘測區域的地形和地貌情況，避開可能的障礙物，同時保證數據采集的全覆蓋和重疊度，從而確保數據的準確性和可靠性[3]。

3.2 數據采集與處理

在差分GNSS 無人機航測技術中，數據采集和處理是非常重要的一環。數據的采集和處理質量直接決定了數據的可用性和精度。因此，在進行數據采集和處理時，需要進行細致、認真地操作，以確保數據的準確性和可靠性。

對于城鄉供水工程勘測，數據采集和處理的重點是對水源、水質等方面的數據進行采集和處理。差分GNSS 無人機航測技術可以實現對水源、水質等方面的數據的全面、高效、精確地采集和處理，為城鄉供水工程的規劃和設計提供了重要數據支持。

3.3 無人機航線設計案例分析

以某市水源地勘測為例，本文設計了一組差分GNSS無人機航測方案，具體方案如下：

1）航線規劃

針對該水源地的地形和地貌情況，本文采用了飛行高度60m、重疊度80%、航向間距70m、航線間距200m的航線方案。

2）數據采集與處理

本文采用了國際通用的無人機航測數據采集和處理流程。數據采集使用了無人機搭載的相機采集航拍影像數據，并配合差分GNSS 技術獲取影像的空間坐標和高程信息。在采集數據時，需要根據實際勘測需求和采集環境進行相應的參數設置和調整，如航拍高度、重疊度、速度等。

完成數據采集后，需要對采集的影像進行后處理，以獲得高精度的地理信息數據。數據處理流程主要包括以下幾個步驟。

①基礎數據處理：對航拍影像進行去畸變、校正、裁剪等基礎處理，以獲得準確的影像坐標和高程信息。

②數據匹配：通過影像匹配算法，將不同影像之間的共同特征點進行匹配，以獲得影像之間的相對位置關系。

③數字表面模型（DSM）生成：基于影像匹配結果，生成DSM，獲得地面表面高程信息。

④正射影像生成：利用DSM和相應的衛星數據進行正射校正，獲得無重疊的正射影像。

⑤特征提取和分類：對正射影像進行特征提取和分類，以獲取更豐富的地物信息。

3）無人機航線設計案例分析

以某市某水廠供水管網為例，采用差分GNSS無人機航測技術進行勘測。首先，根據勘測范圍和航拍參數，設計了一條合適的航線，航線總長約為15km，飛行高度為150m，重疊度為70%。

在采集數據過程中，采用了RTK 差分GPS 技術，確保數據的高精度和實時性。在數據處理過程中，利用Pix4D Mapper Pro 軟件進行數據處理和分析，獲得了高精度的地理信息數據和地形模型。

通過數據處理和分析，獲得了水廠供水管網的精確地理信息和地形模型，為后續的設計、施工和運營提供了有力的支持和保障。同時，差分GNSS 無人機航測技術具有快速高效、低成本、高精度等優點，可以廣泛應用于城鄉供水工程勘測和設計中[4]。

4 數據建庫

4.1 數據存儲與管理

無人機航測技術所采集的數據量龐大，因此需要進行有效地存儲和管理。一般采用云存儲技術，將數據上傳至云端存儲服務器，便于多人協同工作和數據共享。同時，在數據存儲時需要注意數據的備份，以防止數據丟失或損壞。數據備份一般采用數據鏡像或者數據同步的方式，保證數據的完整性和可靠性。

4.2 數據分析與應用

無人機航測技術采集到的數據可以用于城鄉供水工程的規劃、設計和施工等多個方面。其中，數據處理和分析是數據應用的重要環節。

4.2.1 數據處理

數據處理包括數據預處理、數據配準和數據去噪等步驟。數據預處理主要是對原始數據進行篩選和過濾，保留有用的數據，同時去除掉一些誤差數據，以提高數據的質量和準確性。數據配準是將采集到的多個圖像進行配準，使得圖像之間具有相同的坐標系，從而進行后續的數據分析和處理。數據去噪主要是對采集到的數據進行濾波處理，去除一些干擾數據，以提高數據的清晰度和可靠性。

4.2.2 數據分析

數據分析包括特征提取、三維建模和數據分析等步驟。特征提取是根據城鄉供水工程的勘測需求，提取出相應的特征信息，例如地形高程、水系分布等。三維建模是將采集到的多個圖像進行三維建模，生成真實的三維模型，以便進行后續的工程規劃和設計。數據分析主要是對采集到的數據進行統計分析，例如水文分析、地形分析和水資源評價等。

5 結語

本文主要介紹了差分GNSS無人機航測技術在城鄉供水工程勘測中的應用，涵蓋了基本原理、航線規劃、數據采集與處理以及數據建庫等方面。通過采用該技術，可以實現高精度、高效率、低成本地勘測，提高勘測精度和可靠性，為城鄉供水工程的規劃設計和施工提供了有力的支持。隨著無人機技術的不斷發展和應用的廣泛推廣，差分GNSS 無人機航測技術在城鄉供水工程勘測中的應用將越來越普遍。在未來的發展中，我們還需要進一步完善數據采集、處理和建庫等方面的技術，提高無人機航測數據的質量和可靠性，以更好地服務于城鄉供水工程勘測的需要。