向必銀

貴州省地礦局測繪院，貴州貴陽 550018

1 差分GNSS原理

目前機(jī)載差分GNSS工作原理為，地面上設(shè)置固定GNSS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，飛機(jī)上也搭載GNSS信號(hào)接收機(jī)，一般機(jī)載GNSS記錄頻率較高（目前多數(shù)是5～20Hz），機(jī)載GNSS記錄固定時(shí)刻衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)精確記錄相機(jī)曝光時(shí)刻時(shí)間，飛行結(jié)束后將機(jī)載GNSS信號(hào)與地面站GNSS做差分解算，解算出機(jī)載GNSS固定頻率時(shí)刻的坐標(biāo)，然后以時(shí)間為變量建立線性模型（x,y,z）=f(t)，將相機(jī)曝光時(shí)刻時(shí)間（t）作為變量輸入該模型，解算出相機(jī)曝光時(shí)刻坐標(biāo)(xt,yt,zt)，將該數(shù)值作為相片的三個(gè)線元素用于輔助空三。由此可見，相機(jī)曝光時(shí)刻坐標(biāo)是通過時(shí)間為線索內(nèi)插計(jì)算得到的，不是直接觀測值，誤差渠道較多，不利于控制，又沒有多余的觀測值來檢核，系統(tǒng)穩(wěn)健性較差，當(dāng)出現(xiàn)“丟星”現(xiàn)象時(shí)，則直接無法解算。但可以通過在飛機(jī)起飛前后，在地面上用機(jī)載GNSS標(biāo)記點(diǎn)位，然后用RTK等儀器測出該標(biāo)記點(diǎn)位坐標(biāo)，用以檢測空中飛行時(shí)機(jī)載GNSS數(shù)據(jù)的質(zhì)量.機(jī)載差分工作流程圖。

圖1 機(jī)載差分工作流程圖

2 P8機(jī)載差分設(shè)備簡介

在滿足測圖精度前提下減少像控點(diǎn)數(shù)量，本文選擇武漢蒼穹電子生產(chǎn)的輕巧型、高性能、高精度的GNSS接收機(jī)—蒼穹機(jī)載航空GNSS(P8)。它采用高精度GNSS OEM主板，具有高達(dá)20Hz的采樣頻率，可以跟蹤觀測BDS、GPS、GLONASS衛(wèi)星信號(hào)。同時(shí)可根據(jù)無人機(jī)機(jī)型及載重情況，分別搭配高性能航空陶瓷天線、高性能航空螺旋天線（僅重140g/18g），滿足各種機(jī)型航測需求。通過配套處理軟件KGO進(jìn)行解算，使之更好地實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)動(dòng)態(tài)差分定位和動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位。無人機(jī)航測通過搭載蒼穹數(shù)碼P8設(shè)備提供的高精度差分定位結(jié)果可以輔助空三加密快速生產(chǎn)4D產(chǎn)品，采用三維建模手段可以迅速生產(chǎn)出高清影像、三維地表模型等資料，使得工作決策科學(xué)、精準(zhǔn)。同時(shí)P8/KGO與空三軟件配套工作，是針對(duì)GNSS輔助空中三角測量，可以減少地面像控點(diǎn)數(shù)量，提高作業(yè)效率，降低生產(chǎn)成本。P8目前可支持多種空三軟件，同時(shí)適用于多個(gè)品牌的無人機(jī)。

3 差分GNSS系統(tǒng)在貴州山區(qū)航測應(yīng)用

2016年上半年，P8機(jī)載設(shè)備在貴州某測區(qū)進(jìn)行測試，測區(qū)21km2，設(shè)計(jì)飛行分辨率0.1m，影像899張，獲取的原始影像數(shù)據(jù)信息豐富，照片色彩基本一致。顏色飽和度逼真，反差適中，紋理清晰。差分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)過KGO差分解算，固定解率達(dá)到98.07%，數(shù)據(jù)質(zhì)量極佳。

按照全野外控制點(diǎn)無差分、少量控制點(diǎn)+輔助GNSS差分輔助空三平差結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，測試結(jié)果見表1。

表1 測試結(jié)果對(duì)比

從上表不難看出，全野外26個(gè)像控點(diǎn)布控平面精度0.251m、高程點(diǎn)位中誤差0.082m，符合測圖標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)野外控制點(diǎn)數(shù)減少到5個(gè)，有差分GNSS輔助時(shí)，其余21點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，滿足基本的像控點(diǎn)布設(shè)要求，平面點(diǎn)位中誤差0.388m，高程中誤差為0.423m，滿足規(guī)范要求。

通過參考《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》，本次測試獲得的技術(shù)結(jié)論如下：

（1）差分全野外26個(gè)控制點(diǎn)平差結(jié)果中，加密點(diǎn)位中誤差在0.2米左右，高程誤差在0.2m左右，符合國家規(guī)范要求。

（2）利用GNSS輔助空三平差，即P8設(shè)備，選取其中5個(gè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，其余21個(gè)點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，其檢核點(diǎn)按照地物點(diǎn)誤差精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，平面以及高程中誤差均在0.4m左右，滿足國家規(guī)范要求(注：高程誤差較大點(diǎn)基本是房角點(diǎn))，并且減少了80.07%的像控點(diǎn)。

針對(duì)GNSS輔助空中三角測量，P8/KGO與空三軟件配套形成了一套無人機(jī)高精度定位解決方案，它可以減少地面像控點(diǎn)數(shù)量80%以上，大幅提高作業(yè)效率，降低生產(chǎn)成本。由此得出，差分?jǐn)?shù)據(jù)在保證輸出成果精度達(dá)標(biāo)前提下能減少空三對(duì)像控點(diǎn)數(shù)量上的依賴。

4 差分GNSS系統(tǒng)+構(gòu)架航線優(yōu)化航線設(shè)計(jì)

如果在航線兩端布設(shè)構(gòu)架航線，精度會(huì)進(jìn)一步提高。為了驗(yàn)證構(gòu)架航線對(duì)無人機(jī)差分GNSS輔助空三能在1∶1000大比例尺地形測繪中對(duì)提高精度有幫助，本文選擇如下測區(qū)測試。

測試區(qū)位于貴州某縣，測區(qū)面積約27km2，影像1421張，航向重疊80%，旁向重疊51%,地面分辨率0.1m，航攝時(shí)間于2016年下半年，搭載佳能5D Mark Ⅲ相機(jī)和蒼穹P8設(shè)備，地面基站為P8配套設(shè)備，共20條航帶其中構(gòu)架航線2條，航帶東西向長約5.5km，測區(qū)南北寬5km，無人機(jī)航跡見圖2。

圖2 無人飛行器航跡圖

數(shù)據(jù)處理方面，GNSS定位解算采用蒼穹公司高精度GNSS差分后處理軟件KGO；空三軟件使用inpho7.0數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，支持無人機(jī)影像相機(jī)自檢校及高精度GPS輔助空三解算；精度檢查采用航天遠(yuǎn)景MapMatrix4.1軟件。

4.1 像控布點(diǎn)及空三加密

采用inpho7.0軟件，結(jié)合P8差分設(shè)備和構(gòu)架航線構(gòu)成強(qiáng)度較高的像點(diǎn)網(wǎng)，本次測試中，僅在測區(qū)四角布設(shè)了4個(gè)平高地面控制點(diǎn)。

4.2 精度驗(yàn)證

MapMatrix軟件 在導(dǎo)入inpho7.0軟件加密成果后，自動(dòng)構(gòu)建立體模型，在立體環(huán)境下人工讀取檢查點(diǎn)三維坐標(biāo)，并與對(duì)應(yīng)的7個(gè)野外實(shí)測檢查點(diǎn)對(duì)比。檢查點(diǎn)誤差見表2。

表2 檢查點(diǎn)誤差單位（m）

從上表可知，檢查點(diǎn)的平面位置中誤差為0.163m、高程中誤差為0.097m。7個(gè)檢查點(diǎn)的平面位置誤差均小于0.25m，高程誤差均小于0.15m。平差結(jié)果明顯好于我國現(xiàn)行數(shù)字航空攝影測量規(guī)范對(duì)1∶1000地形測圖航測內(nèi)業(yè)加密檢查點(diǎn)的平面位置中誤差≤0.50m、高程中誤差≤0.28m的要求。

（1）在27km2測區(qū)，使用差分GNSS設(shè)備空三采用“構(gòu)架航線+測區(qū)四角平高控制點(diǎn)”的控制方案，區(qū)域四角4個(gè)平高控制點(diǎn)進(jìn)行加密，加密結(jié)果利用檢查點(diǎn)檢查后完全滿足平地1∶1000地形測圖航測加密的精度要求。

（2）如果采用常規(guī)密周邊布點(diǎn)光束法區(qū)域網(wǎng)平差加密方法，測試區(qū)要達(dá)到1∶1000地形測圖規(guī)范要求，區(qū)域網(wǎng)周邊需要每隔4條基線布設(shè)1個(gè)平高地面控制點(diǎn)、區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部需要每隔4條基線布設(shè)1個(gè)高程地面控制點(diǎn)，約需設(shè)置80個(gè)平面控制點(diǎn)和390個(gè)高程控制點(diǎn)，而采用差分GNSS+構(gòu)架航線輔助空三技術(shù)后，僅需要區(qū)域四角4個(gè)平高地面控制點(diǎn)，與密周邊布點(diǎn)的光束法區(qū)域網(wǎng)平差相比，GNSS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差的平面控制點(diǎn)減少了95.0%、高程控制點(diǎn)減少了99.0%。

（3）差分GNSS輔助無人機(jī)空三能夠在滿足1∶1000地形測圖精度的條件下，減少工作量，縮短了工作周期，降低了生產(chǎn)成本，其推廣應(yīng)用價(jià)值是十分巨大的。

5 結(jié)語

GNSS輔助空三可以大量減少地面控制點(diǎn),而且?guī)У孛婵刂频腉NSS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差精度能夠滿足1∶1000地形圖生產(chǎn)。無論平地區(qū)域還是丘陵地、 山地區(qū)域,采用GNSS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差,精度達(dá)能到自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差的精度。

GNSS輔助空三已經(jīng)成為一種極為實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的攝影測量加密方法,其在測繪生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)逐漸改變了航空攝影測量一貫遵循的“航空攝影—外業(yè)控制聯(lián)測—內(nèi)業(yè)測圖”的長周期作業(yè)模式。它在縮短航測成圖周期、節(jié)省外業(yè)控制工作量、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面已經(jīng)創(chuàng)造出了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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