GodWork-AT解算GPS辅助空中三角测量数据测试分析

方 伟 汤江龙 陈大凯

（东华理工大学测绘工程学院 江西南昌 330013）

1 引言

在过去的几年里，全球无人机技术发展迅猛，相较于传统航摄与卫星遥感，测绘无人机拥有快捷高效、操作简易、精确度高等优势，能够在不同地面和复杂气象条件下进行航测，无人机可在云下飞行，弥补了卫星光学遥感受云层遮挡无法获取影像的缺陷，可在多云的天气条件下开展工作[1]，能广泛的应用于智慧城市建设、灾害紧急治理、国土监测等领域。

传统无人机航测不足之处:①采用非量测相机作为传感器，镜头畸变差大，多达几十甚至上百个像素的畸变差；②飞行航线维持不稳定，所拍摄的航摄影像相对于常规航空摄影像片旋偏角大、航线弯曲度大、影像重叠度不规则等[2]。

按照传统的航摄加密要求，布设像控点时会因为无人机航摄本身的问题导致野外像控点数量大幅增加。理论上，采用GPS辅助空中三角测量解算的方法，可以减少外业测量的工作量和提升工作成效，并且在常规航空摄影测量中已被广泛应用，但是对于小型低空航摄平台和非量测小相幅相机的组合，GPS辅助空三的精度情况及技术规范目前还不完善。本文目的在于探究无人机和小相幅单反相机作为航摄仪条件下，使用安设的动态GPS接收机获取的摄站坐标来替代地面控制点进行摄影测量加密的方法，以实现少量地面控制点的低空摄影测量大比例尺地形测图。

2 Godwork介绍及GPS辅助空三加密概述

2.1 GodWork介绍

GodWork是一个针对无人飞机像幅小、姿态不稳定、重叠度大、非专业相机等特征的航测数据自动处理系统。

2.2 GPS辅助空三加密概述

GPS辅助空中三角测量是利用安装于飞机上与航摄仪相连接的和设在地面上一个或多个基准站上的至少两台信号接收机同步而连续地观测卫星信号、同时获取航空摄影瞬间航摄仪快门开启脉冲，通过载波相位测量差分定位技术的离线数据后处理获取航摄仪曝光时刻摄站的三维坐标，然后将其视为附加值引入摄影测量区域网平差中，经采用统一的数学模型和算法以整体确定物方点位和像片方位元素并对其质量进行评定的理论、技术和方法[3]。

3 实验数据

试验区相对高差达50米左右，地势比较平缓，属于平原地带。本次实验共有506张影像图，面积为3平方公里，航向重叠80%左右，旁向重叠55%左右，地面分辨率0.05m，共11条航带。航拍的时间总共为65min，在航拍的途中没有出现GPS信号中断的现象，此次航拍中双相机同步曝光的精度在3ms以内。航摄技术参数如表1。试验区选取明显特征点作为像控点和检验点，无人机航线图如图1。为了使航拍图片控制点和检查点的精度得到保证，其坐标采用GPS实时差分技术获取。

表1 航摄技术参数表

图1 无人机航线图

4 GodWork解算GPS辅助空三数据的关键技术

4.1 采集航摄影像

本文主要探究的是在无人机安置小相幅单反相机作为航拍仪条件下，GPS辅助空三的精度与控制点分布和个数的关系。实验实施主要内容包括：①无人机航飞，采集航摄影像；②控制点测量；③GPS差分后处理；④GPS辅助空中三角测量。在航摄中关键技术为航摄平台传感器集成和同步、多模GPS差分后处理以及GPS辅助空中三角测量。实验使用兼容GPS/GLONASS/北斗的多模GPS接收机，观测到卫星个数很大程度上增加，正常情况下可以达到20颗，即使在飞行器大幅倾斜是也有七八颗卫星，保证了连续高精度定位，GPS/GLONASS/北斗的组合定位技术则是其中的关键。在我国北斗导航卫星系统建设完成后，也可直接将多模系统转换为北斗系统，有利于数据安全和提升我国北斗产业发展。

4.2 GPS差分后处理

使用际上空间Caravel PP软件处理差分GPS数据包括以下四个步骤：①新建工程；②添加GPS基站和GPS流动站数据，并输入准确基站坐标、天线高；③使用Caravel PP软件的默认配置，进行动态差分定位；④输出相机曝光时刻的经纬度和椭球高，使用际上空间坐标转换工具转换至目标坐标系坐标，并利用大地水准面数据进行精化，将GPS椭球高经大地水准面拟合至1985国家高程基准。

4.3 GPS辅助空中三角测量

使用GodWrok天工无人机摄影测量软件，首先按照传统无人机处理方案采用全控制的作业方法获得空三加密精度，其次采用GPS辅助少量控制点控制并逐步增加控制点的方法进行测试。

5 成果分析

5.1 GPS差分后处理结果分析

无人机航迹如图1所示，航迹均呈现绿色，表明差分载波相位解算过程中，整周模糊度保持不变，定位精度小于5cm。点击菜单->显示->绘图，分别绘制东向标准差、北向标准差和椭球高标准差，分别如图2所示，其中东向和北向标准差在无人机开始飞行后迅速收敛，在航带内均小于2cm，椭球高标准差收敛后小于3.5cm。

图2 差分GPS东向、北向和高程定位标准差

5.2 GPS辅助空中三角测量处理结果分析

为了验证GodWork解算GPS辅助空三的精度以及实用性，本测区共506张影像，共布设控制点86个。分别按照常规全控制点空三、部分控制点空三、部分控制点+差分GPS空三的原则进行分析计算，并逐步增加部分控制点的数目。将加密完的空三成果导入MapMatrix4.1中，运用点精度检查工具对每个像控点进行精度检查，自动计算出每个点的残差值，最后计算平面和高程中误差，比较结果如表2。

表2 GPS辅助空中三角测量结果

6 结论

通过实验结果中可以分析得出在相同控制点数目时有差分GPS辅助的测量结果比没有差分GPS辅助的测量结果误差更小，精度更高；在差分GPS辅助的情形下控制点数目越多测量结果误差越小，精度越高。通过实验探究可以得到在GPS辅助平差条件下，高程精度会有明显提高；在有GPS辅助平差条件下，可以减少外业控制点个数。所以应用小像幅无人机影像，使用GPS辅助的空中三角测量技术，可以缩减至少70%的外业控制点。

在与实验区相似的平原地区使用GPS辅助空中三角测量技术可以很大程度上减少地面控制点数量，其测图成果符合低空摄影测量大比例尺地形测图规范要求，也为小范围的测绘应急保障提供了便利。

参考文献：

[1]朱京海，徐光，刘家斌.无人机遥感系统在环境保护领域中的应用研究[J].环境保护与循环经济，2011，31(09):45-48.

[2]任志明，李永树，何敬，等.基于姿态数据的无人机影像自动刺点功能研究[J].测绘通报，2011(4):44-46.

[3]赵俊羽，贵仁义，米鸿燕.GPS辅助空中三角测量在大比例尺航空摄影测量中的实验研究[J].2010(2):25-26.