基于PPK技术的消费级无人机航测像控点布设方法优化

唐磊　张振军　杨松　施宏扬

摘要：为了保证河道地形测量成果精度，大幅减少像控点野外布设的数量以及外業工作量，采用基于PPK技术的消费级无人机对河南省淅川县丹江河大桥工程区进行低空摄影测量。共布设16个像控点，并用GNSSRTK测量各点的固定解，在地面已知点架设GNSS基准站，将其设置为与无人机机载GNSS接收机同步采集数据。制定了6种技术方案对内业数据进行处理，后期数据处理运用ContextCapture软件并将生成的DOM、DSM成果与真实测量数据进行对比研究。结果表明：除方案3计算成果不满足1：2000精度要求外，其余方案成果均满足要求。相较于完全采用像控点测量，基于PPK消费级无人机测量能够减少像控点布设，解决了在复杂地区布设像控点困难的问题，提高了野外作业效率;但野外作业完全不依靠像控点完成影像采集能否满足测图需求，还需更多试验数据分析。

关键词：河道地形测量;像控点布设;航测数据处理;消费级无人机;PPK;POS

中图法分类号：P231文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.006

随着无人机技术的飞速发展，消费级无人机以其快捷方便、成本低廉、机动灵活及功能多样化的优势成为河道地形测量数据采集的主要手段。但由于无人机携带的是非量测相机，且飞行不稳定，生成的影像畸变差较大，在后续处理中需布设较多的控制点提高精度，加大了工作量。而基于后处理差分技术（Post-ProcessingKinematic，PPK）的无人机在保证测量成果精度的同时，大大减少了像控点野外布设的数量”。本文主要研究了两种像控布设方案，即完全依靠野外像控点和仅使用PPK消费级无人机航测，并对比分析两种方案在河道地形测量中的精度。

1无人机航测PPK工作原理

GNSSPPK是一种基于载波相位测量的后处理差分定位技术，可在后处理情况下获得厘米级的平面和高程定位结果。PPK作业模式利用同步观测的1台基准站接收机和至少1台流动站接收机对卫星的载波相位进行观测;事后在计算机中利用GNSS处理软件进行线性组合，形成虚拟的载波相位观测量值，确定接收机之间达到厘米级的相对位置;最后进行坐标转换得到流动站在地方坐标系中的坐标[2]。

无人机PPK即用无人机搭载配备PPK的高精度GNSS接收机，在地面布设1台基准站接收机对卫星的载波相位进行观测，事后在专业的数据处理软件中进行处理，得到每张像片正确的位置信息。而后将获取的每张像片的外方位元素作为带权观测值参与摄影测量区域网平差，可同时获得高精度的内、外方位元素成果，实现更精确的像片定向引。

2设备选型和技术路线

研究采用大疆精灵4RTK小型无人机，该系统主要技术指标见表1。PPK系统采用中海达UBASE套装，包含UBASE无人机地面站和后处理软件2个部分，具体参数见表2。

无人机低空摄影测量的技术流程主要包括：飞行方案设计、像控点（检测点）布设及测量、航空摄影数据采集、数据处理形成成果数据（DSM成果、DOM成果点云数据及DLG等）、精度统计、成果提.交等，具体作业流程见图1。

3工程应用案例

以河南省淅川县丹江河大桥工程区无人机低空摄影测量为例，测图比例尺1：2000，测区长度约3km，宽约1km。测区地处平原，地势平坦，植被覆盖少。首先进行外业像控点的布设，采用四周均匀布设、少量内部控制的方法，共布设16个像控点。采用GNSSRTK模式以图根控制测量方法和精度现场实测像控点的三维坐标。无人机航拍时在地面已知点架设GNSS基准站，将其设置为与无人机机载GNSS接收机同步采集数据。

在无人机航测的内业数据处理环节，采用以下6种技术方案对消费级无人机航测的数据进行处理：①不采用PPK模式，采用全部16个像控点处理数据;②不采用PPK模式，选用其中的6个像控点处理数据，即xk16、xk17、xk21、xk40、xk43、xk46;③不采用PPK模式，选用其中的4个像控点处理数据，即xk16、xk21、xk40、xk46;④采用PPK模式，以免像控的形式处理数据;⑤采用PPK模式，选用其中的6个像控点处理数据，即k16、k17、xk21、xk40、xk43、xk46;⑥采用PPK模式，选用其中的4个像控点处理数据，即xk16、xk21xk40、xk46。外业像控点的具体布设方案见图2～4。

3.1外业像控点布设

航摄作业前，在测区范围内采用四周均匀布设、少量内部控制的方法，均匀布设了16个像控点，并用GNSSRTK测量每个点的固定解，测量精度满足图根点精度要求。

3.2无人机飞行设置

无人机飞行高度设置为250m，地面分辨率（GSD）为6.9cm，飞行速度7m/s，航向重叠度80%，旁向重叠度70%，共飞行5个架次，拍摄照片604张。

3.3数据处理

后期数据处理软件采用中海达UBASE后处理软件和摄影测量处理软件ContextCapture。在Con-textCapture中，根据项目需求设置相关参数，导人原始照片、POS数据、像控点坐标后，自动化处理后生成数字表面模型（DSM成果）正射影像图（DOM成果）。

其中，非PPK模式POS数据直接导入;PPK模式POS数据，首先采用中海达UBASE后处理软件转换为在地方坐标系中的坐标，再导入摄影测量处理软件中，其余数据处理过程相同。具体流程见图5。

3.4精度分析

作业人员在测区内共布设16个像控点，采用GNSSRTK共施测653个裸地面高程点。首先，在采用上述6种方案处理数据生成的正射影像图（DOM成果）中，分别提取布设的16个像控点平面坐标，与GNSSRTK成果进行对比分析，计算平面中误差。然后从生成的数字表面模型（DSM成果）中，分别提取16个像控点和653个高程检测点对应的高程值，与GNSSRTK成果对比分析，计算高程中误差。中误差统计结果见表3，高程误差分布见图6。

按照GB/T17278-2009《数字地形图产品基本要求》和GB/T15967-2008《1：5001：10001：2000地形图航空摄影测量数字化测图规范》规定，基本等高距为1m的1：2000比例尺地形图丘陵地平面位置精度中误差不得大于1.2m，高程精度中误差不得大于0.5m。由此可看出，除方案3计算成果不满足1：2000要求精度外，其余方案成果均满足要求精度。

4结论

通过分析6种方案获得的航测数据质量，可得出以下结论。

（1）全野外像控点、像控点的布设方案对成果精度的高低影响较大。目前广泛采用的四周均匀布设少量内部控制的方法能较大提高平面和高程精度。

（2）使用基于PPK技术的消费级无人机作业，能够减少像控点布设，解决了在复杂地区布设像控点困难的问题，提高了野外作业效率和成果精度。

尽管在某些应急测绘作业中，仅采取PPK无人机作业也能发挥一定作用，但若完全不依靠像控点完成的影像采集能否满足测图需求，还需更多试验数据分析。尤其是在植被覆盖丰富地带、测量高程精度较差的情况下，有必要对布设像控点进行补充测量。

参考文献：

[1]仝红菊，江峻毅，胡守超.无人机PPK技术在电力工程中的应用[J].测绘通报，2018（S1）：108-111.

[2]王利锋，王冰，杨令刚.Trimble无人机UX5HP在矿区测绘中的应用[J].测绘通报，2017（2）：155-156.

[3]李天.基于RTK技术的无人机在大比例尺地形图测绘中的精度分析[J].测绘与空间地理信息，2019，42（3）：228.

（编辑：李晓朦）