高精度GPS辅助无人机少控制点空三加密研究

摘要: 文中针对采用无人机影像进行3D( DEM、DOM、DLG) 产品制作需要地面控制点数量多、外业工作量大的问题，提出采用在无人机上加装高精度GPS 设备，精确获取无人机航摄摄站坐标，再进行GPS 辅助空三加密的方法，并针对该方法进行了试验验证，试验结果表明，采用这种方式能够大大减少控制点，满足不同用途下空三加密精度的需求。

关键词:无人机; GPS; 空三加密; 少控制点

无人机因具有使用成本低、机动灵活、载荷多样性、用途广泛、操作简单等优点，在现代测绘行业中发挥着越来越多的作用，采用无人机获取影像数据已经成为目前获取影像数据的重要途径之一^[1-3]。无人机影像像幅小、像片数量多、基高比小，其自驾仪设备记录的POS 数据精度较低，在后期数据处理中，需要的地面控制点数量较多，外业工作量大，制作的成果高程精度不足，这严重制约着无人机在实际生产中的应用。目前，无人机获取的影像主要用于数字正射影像生产，极少用于数字高程模型制作以及数字线划图的生产。

随着计算机技术的迅速发展以及高精度GPS 的小型化、普及化，采用无人机进行少量地面控制点空三加密的实现提供了可能。在无人机上装载高精度GPS 设备，获取传感器拍摄时精确的瞬时位置，从而部分摆脱无人机摄影测量对地面控制点的依赖，大大缩短外业布点时间和减少外业布点困难，提高空三加密效率及精度，有效提高测绘成果的现势性。

1 技术流程

采用高精度GPS 辅助无人机少控制点空三加密的技术流程如下:

首先，在无人机上加装高精度GPS 设备，测量GPS 偏心分量; 再采用改造后的无人机进行航空摄影并获取无人机影像数据、影像拍摄时刻数据以及GPS 流动观测数据，在无人机航摄的同时架设地面基准站，获取GPS 静态观测数据; 通过GPS 解算获取精确的摄站坐标; 接着进行地面控制点布设及测量; 最后进行GPS 辅助空三加密，采用不同的地面控制点布设方案来进行数据后处理，检验不同方案下空三加密的精度，如图1 所示。

图1 技术流程

2 关键技术

2. 1 载波相位差分技术

载波相位差分技术又称为RTK ( Real Time Kinematic)技术。它是建立在实时处理两个测站的载波相位的基础上的，能够实时提供观测点的三维坐标，可以实现实时三维定位且精度可达厘米级^[4-5]。

它定位的基本思想是: 以数据链为传输纽带，基准站将获得的载波相位值以及其三维坐标实时地传送给用户站，然后用户把接收到的来自基准站的载波相位以及来自GPS 卫星的载波相位作为相位差分观测值，然后对这些数据进行实时处理，求得用户站实时的位置信息。

2. 2 GPS 辅助空中三角测量

GPS 辅助空中三角测量的基本思想是: 利用安置于飞行器上以及架设在地面上N( N≥1) 个基准站上不少于两台的GPS 接收机同时对GPS 卫星进行观测以获取连续的GPS 卫星数据，然后，利用载波相位测量差分定位技术对获取的卫星数据进行处理，从而得到待定点的X，Y，Z 坐标。最后，在保证数学模型以及算法一致的前提下，将得到的空间位置信息作为附加值，对摄影测量区域网进行带有附加值的平差计算，确定点位信息并对其进行精度评定^[6-8]。

目前，GPS 辅助空中三角测量的常见的地面控制布设方案主要有两种，如图2 所示。

图2 常见的两种地面控制方案

在传统的空中三角测量地面控制点布设方案中，往往根据精度需要，会在区域网中布设大量的控制点，这就增加了野外作业的工作量，同时也会对作业效率产生一定的影响。除此之外，对于一些地形比较复杂且形成的区域网面积比较大的地区而言，就需要大量布设控制点。相比较而言，GPS 辅助空中三角测量的这两种常见方案明显减少了地面控制点的数量，从而缩短了成图周期，提高了工作效率，同时，对于那些地形复杂且施测比较困难的地区，航测外业实施的可能性也随之增加。

3 试验

3. 1 试验数据

以位于白银市靖远县吴家川开发区的长约7 km宽约4. 5 km 的面状区域为试验区域，该区域地形以丘陵地为主，海拔1 480 ～ 1 650 m，面积约30 km²。采用改造后的无人机进行了航空摄影，共飞行1 架次，获取地面分辨率为0. 1 m 的航摄影像成果772张。地面控制点布设按照四角平高控制点加构架航线方案进行，共布设控制点及检查点24 个，每个设计点位均测双点，共测量控制点及检查点49 个。

3. 2 空三加密方案

在空三加密平差过程中按照无控制点、一个控制点、对角控制点、四角控制点、稀疏控制点等多种控制点方案进行了平差，验证了不同控制点方案下的空三加密精度情况，如图3 所示。

图3 空三加密控制点方案

表1 空三加密精度检测表/m

3. 3 空三加密精度

空三加密实验均使用了大量的多余控制点进行精度验证。

( 1) 无控方案采用了49 个检查点;

( 2) 1 个控制点方案采用了1 个控制点及48 个检查点;

( 3) 对角控制点方案1 采用了2 个控制点及47个检查点;

( 4) 对角控制点方案2 采用了2 个控制点及47个检查点;

( 5) 四角控制点方案采用了4 个控制点及45 个检查点;

( 6) 稀疏控制点方案采用了12 个控制点及37个检查点。

3. 4 控制点布设方案探讨

根据以上不同控制点方案的空三加密精度以及不同用途下所需要的精度，可得出以下几条应用意见。

( 1) 在《国家航空应急能力建设》中提出: “影像分辨率0. 2 ～ 0. 5 m 时，灾情专题影像图精度优于7. 5 m; 影像分辨率优于0. 2 m 时，灾情专题影像图精度优于4 m; 全域灾害发生区数字高程模型( DEM) 产品制作精度优于15 m，灾害发生区重点区域数字高程模型( DEM) 精度优于5 m。”

在应急测绘保障中可以采用无控制点作业方案。

( 2) 在GB /T23236 - 2009《数字航空摄影测量空中三角测量规范》中规定成图比例尺为1: 1 000丘陵地绝对定向检查点平面位置中误差限差为0. 5m，高程中误差限差为0. 4 m。1: 5 000、1: 10 000 丘陵地绝对定向检查点高程中误差限差为1. 0 m。

在大比例尺数字高程模型、数字线划图制作项目中，需按照稀疏控制点方案进行地面控制的布点;在1: 5 000、1: 10 000 基础测绘数据更新中，可按照四角控制点方案进行地面控制点布点。

( 3) 在1 个控制点与两种对角控制点作业方案中，检查点平面位置中误差与高程中误差基本一致。

在大比例尺数字正射影像制作项目中，如果测区四角地形为山地、沙漠、森林、水域等复杂区域，不适合布设地面控制点时，可不布设地面控制点，可在测区内任意区域进行布点。

3. 5 地面控制点布设效率分析

基于实验区域采用改造前的无人机航摄系统进行1: 1 000 数字正射影像制作及数字线划图生产，进行数字正射影像制作需要按照航向7 条基线，旁向间隔5 ～ 6 条航线进行地面控制点布设; 进行数字线划图生产需要按照航向2 条基线，旁向航线上下均布设地面控制点。布设情况如表2 所示。

表2 地面控制点布设统计表

从上表中可以看出，搭载高精度GPS 设备后，利用无人机进行项目生产节省的外业工作量在85%以上，大大提高了工作效率，节省了成本。

4 结论

高精度GPS 辅助无人机少控制点空三加密研究表明在无人机上加装高精度GPS 设备能够达到减少地面控制点，提升作业效率的目的。采取不同的航摄设计以及地面控制点布设方案，可以满足应急测绘保障、大比例尺地形图制作以及基础测绘更新等应用领域的需要，大大拓展了无人机的应用范围。

来源：《矿山测量》2018第3期

作者：王立阳，康学凯

  转载于勘测联合网

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