四等水準(zhǔn)在無(wú)人機(jī)航測(cè)像控點(diǎn)高程測(cè)量中的應(yīng)用

張玉明 展薪 馮瑞軍

（1.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.新蔡縣國(guó)土資源局，河南 新蔡 463500）

1 引言

目前，無(wú)人機(jī)低空航測(cè)及處理系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于水利工程河道治理項(xiàng)目，結(jié)合水利工程勘察設(shè)計(jì)對(duì)高程精度要求較高的特點(diǎn)，嘗試將四等水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)用于無(wú)人機(jī)航測(cè)中，以進(jìn)一步提高像控點(diǎn)高程精度，確保航測(cè)成果質(zhì)量。本文以水利工程治理為例，詳細(xì)敘述四等水準(zhǔn)測(cè)量像控點(diǎn)的過(guò)程，通過(guò)應(yīng)用四等水準(zhǔn)測(cè)量航測(cè)像控點(diǎn)的高程，并對(duì)精度進(jìn)行評(píng)估，分析四等水準(zhǔn)測(cè)量像控點(diǎn)對(duì)輕小型無(wú)人機(jī)航測(cè)高程精度的提升。

2 四等水準(zhǔn)測(cè)量航攝像控點(diǎn)的運(yùn)用

以陸渾水庫(kù)灌區(qū)治理項(xiàng)目為例，實(shí)驗(yàn)范圍是河南省陸渾水庫(kù)某干流中心線左右兩岸各500m，海拔為100～200m，全長(zhǎng)約12km，寬1km。里程樁號(hào)0～5+100處，測(cè)量寬度為1150 m，實(shí)驗(yàn)段共分105個(gè)圖面，面積約20平方公里。

2.1 確定像控點(diǎn)數(shù)量

像控點(diǎn)的精度和數(shù)量直接影響航測(cè)數(shù)據(jù)后處理的精度，所以像控點(diǎn)的布設(shè)和選擇應(yīng)盡量規(guī)范嚴(yán)格。無(wú)人機(jī)航測(cè)采用的“積云一號(hào)”無(wú)人機(jī)自帶PPK功能，有POS數(shù)據(jù)來(lái)支持其執(zhí)行任務(wù)時(shí)的可靠性，對(duì)像控點(diǎn)的密度要求較低，對(duì)像控點(diǎn)的高程精度要求很高，需要在航帶附近布設(shè)精度較高的像控點(diǎn)。像控點(diǎn)布設(shè)按照渠道兩側(cè)成對(duì)布設(shè)，形成網(wǎng)狀（如圖1所示）。共布設(shè)像控點(diǎn)航測(cè)任務(wù)區(qū)域68個(gè)、檢查點(diǎn)11個(gè)。按照均勻布設(shè)原則，挑選其中72個(gè)點(diǎn)位聯(lián)測(cè)四等水準(zhǔn)，以確保其航測(cè)精度。確定航拍空域后，利用影像圖、電子地圖來(lái)確定像控點(diǎn)的大概位置和數(shù)量。

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)一般布設(shè)在平坦的水平路面上，點(diǎn)位所處位置不應(yīng)在斜坡或有高差的地方。在水泥路面可以做噴漆標(biāo)志，在其他地面可噴灑白灰標(biāo)志。

圖1 像控點(diǎn)布設(shè)

無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)加載了GPS-PPK模塊，可利用載波像控進(jìn)行事后差分的GPS定位技術(shù)，即為動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)，其工作原理為：利用進(jìn)行同步觀測(cè)的一臺(tái)基準(zhǔn)站接收機(jī)和至少一臺(tái)流動(dòng)站接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)量，再利用GPS處理軟件進(jìn)行線性組合，形成虛擬的載波觀測(cè)量值，確定接收機(jī)之間厘米級(jí)的相對(duì)位置，然后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到流動(dòng)站的三維坐標(biāo)。

為提高航拍模型精度，在測(cè)區(qū)內(nèi)按照500m間距網(wǎng)格布設(shè)一對(duì)，共布設(shè)68個(gè)像控點(diǎn)、11個(gè)檢查點(diǎn)。像控點(diǎn)均布設(shè)在航線主線有效區(qū)域內(nèi)。

2.3 水準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)和精度要求

根據(jù)像控點(diǎn)的網(wǎng)狀要求，四等水準(zhǔn)布設(shè)為附合路線。主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 技術(shù)指標(biāo)要求

水準(zhǔn)觀測(cè)要求為：視線長(zhǎng)度≤100m；前后視距差≤3m；前后視距差累積≤5m；黑紅面讀數(shù)差≤3mm；黑紅面高差之差≤5mm；視線高度要求三絲能讀數(shù)。測(cè)量范圍為帶狀不連續(xù)的地形圖，各水準(zhǔn)點(diǎn)間距較大，水準(zhǔn)路線較長(zhǎng)，做單一的附合水準(zhǔn)很難達(dá)到限差要求。水準(zhǔn)點(diǎn)位置位于灌區(qū)兩岸堤上或其附近，可利用地形便利在有大橋過(guò)河處通過(guò)水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，形成水準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)，保證水準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)的精度。單獨(dú)的四等水準(zhǔn)附合路線長(zhǎng)度不超過(guò)80km，環(huán)線周長(zhǎng)不超過(guò)100km；同級(jí)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)間距不超過(guò)30 km，山地等特殊地段可適當(dāng)放寬，但不宜大于上述指標(biāo)1.5倍，確保精度達(dá)到規(guī)范要求。水準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)與GPS網(wǎng)點(diǎn)一致，水準(zhǔn)要聯(lián)測(cè)沿灌區(qū)堤上斷面樁和水準(zhǔn)控制點(diǎn)。每隔2～4 km有一個(gè)水準(zhǔn)高程點(diǎn)，以達(dá)到低空無(wú)人機(jī)航測(cè)對(duì)高程控制點(diǎn)密度的要求。

2.4 測(cè)量數(shù)據(jù)檢查項(xiàng)及平差結(jié)果分析

水準(zhǔn)測(cè)量存在誤差，水準(zhǔn)測(cè)量的實(shí)測(cè)高差與理論值往往不符合，其差值成為水準(zhǔn)路線的閉合差。

（1） 閉合水準(zhǔn)路線：閉合水準(zhǔn)路線高差的代數(shù)和應(yīng)是零。即∑h理＝0。由于存在誤差，所以實(shí)測(cè)高差不為零，該數(shù)值即為高差閉合差fh＝∑h測(cè)。

（2） 附合水準(zhǔn)路線：附合水準(zhǔn)路線的所有測(cè)段的高差代數(shù)和，理論上應(yīng)等于起、終點(diǎn)兩個(gè)已知水準(zhǔn)點(diǎn)間的高差。即∑h理＝H終－H起。但實(shí)測(cè)高差∑h測(cè)與∑h理不相等，高差閉合差為：fh＝ ∑ h測(cè)－ ∑ h理＝ ∑ h測(cè)－（H終－ H起）[1]。

高差閉合差為fh=∑h往+∑h返。

往返測(cè)高差不符值、環(huán)線閉合差和檢測(cè)高差之差的限差：

參照測(cè)量數(shù)據(jù)，水準(zhǔn)網(wǎng)的整體大環(huán)是閉合的，先驗(yàn)證環(huán)閉合差能否達(dá)到限差要求，環(huán)閉合差不超限后，根據(jù)已有控制點(diǎn)成果，再分別檢查每段數(shù)據(jù)，直至無(wú)誤。

像控點(diǎn)高程測(cè)量數(shù)據(jù)，水準(zhǔn)網(wǎng)采用先單段平差后整體平差方法，將整體平差出的高差不符值分別平差至各段。以測(cè)段16～14為例，單段平差結(jié)果如表2所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)控制點(diǎn)高程進(jìn)行比較，水準(zhǔn)測(cè)量誤差小于規(guī)范所要求的限差≤±20，按照本段數(shù)據(jù)計(jì)算中誤差為3.16cm。水準(zhǔn)網(wǎng)狀路線小于閉合差限差。

2.5 像控點(diǎn)檢查點(diǎn)與水準(zhǔn)高程對(duì)比

航測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，得到布設(shè)作為檢查點(diǎn)的像控點(diǎn)共11個(gè)。航測(cè)高程與水準(zhǔn)高程對(duì)比如表3所示。

其中，中誤差計(jì)算：n＝11個(gè)，［VV］＝0.509m，M＝±＝0.065m，完全滿足無(wú)人機(jī)航測(cè)像控點(diǎn)≤±10cm的要求。在水利工程中，常用的大比例尺1∶500地形圖對(duì)高程限差的要求為d/3（d為基本等高距），即0.167m，航攝成果統(tǒng)計(jì)中誤差小于高程限差要求。因此，輕小型無(wú)人機(jī)航測(cè)的高程精度，除無(wú)人機(jī)自身原因外，很大程度上取決于像控點(diǎn)的高程精度。使用四等水準(zhǔn)測(cè)量像控點(diǎn)，能夠有效提高航攝成果高程精度，滿足水利工程要求。

表2 平差結(jié)果表

表3 航測(cè)高程與水準(zhǔn)高程對(duì)比表

3 結(jié)論

輕小型無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)受平穩(wěn)性、抗震性、載荷能力、續(xù)航時(shí)間、多傳感器融合技術(shù)等多種因素干擾[2]，難以有效保證航測(cè)精度，像控點(diǎn)的布設(shè)網(wǎng)形、布設(shè)密度、高程精度等因素對(duì)航攝成果的高程精度影響很大，因此通過(guò)高密度的像控點(diǎn)才能控制航測(cè)有效匹配和銜接，保證其平面精度，從而提高航測(cè)精度。本文通過(guò)實(shí)例論述利用四等水準(zhǔn)測(cè)量像控點(diǎn)，能有效提高像控點(diǎn)的高程精度，達(dá)到水利工程對(duì)測(cè)繪成果的精度要求。