機(jī)載RTK 定位精度對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)圖精度的影響分析

吳珍麗，彭小青，吳迪軍

（1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050）

如何提高無(wú)人機(jī)大比例尺地形測(cè)圖的成果精度，一直是無(wú)人機(jī)航測(cè)學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的重點(diǎn)之一[1]。影響無(wú)人機(jī)測(cè)圖精度主要有2個(gè)關(guān)鍵因素：一是準(zhǔn)確相機(jī)參數(shù)的獲??；二是高精度POS數(shù)據(jù)的獲取[2-3]。

大疆精靈4 RTK無(wú)人機(jī)相機(jī)的鏡頭參數(shù)在出廠(chǎng)時(shí)已經(jīng)過(guò)檢校，由于搭載的是機(jī)械結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定的非量測(cè)型相機(jī)，內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)一旦發(fā)生改變就無(wú)法保證測(cè)量精度[4]，因此需定期進(jìn)行相機(jī)畸變參數(shù)的檢校并及時(shí)進(jìn)行更新。而在POS數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中，在大多數(shù)情況下，RTK均能達(dá)到較高的精度，但在個(gè)別情況下，由于地球的大氣層會(huì)對(duì)電磁波的傳播產(chǎn)生路徑以及時(shí)延上的影響[5-6]，同時(shí)受到衛(wèi)星上的原子鐘、衛(wèi)星星歷等精準(zhǔn)度的限制，電離層、對(duì)流層誤差、星歷、星鐘誤差等均會(huì)對(duì)RTK定位精度產(chǎn)生影響，其定位精度可能會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，從而影響最終的測(cè)圖精度。本文在G3 銅陵長(zhǎng)江公鐵大橋項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于部分測(cè)區(qū)的大疆精靈4機(jī)載RTK定位精度較低，進(jìn)而導(dǎo)致生成的航測(cè)地形圖成果精度降低。因此本文結(jié)合該項(xiàng)目，進(jìn)一步分析了機(jī)載RTK定位精度對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)精度的影響，并提出了確保測(cè)圖精度的技術(shù)方案。

1 項(xiàng)目概況

G3銅陵長(zhǎng)江公鐵大橋連接長(zhǎng)江南岸的銅陵市區(qū)和長(zhǎng)江北岸的樅陽(yáng)縣，承擔(dān)既有銅陵長(zhǎng)江公路大橋替代橋功能（替代高速公路），同時(shí)搭載鐵路過(guò)江，在銅陵長(zhǎng)江公路大橋上游側(cè)約700 m，主橋橋跨為113.5 m+145 m+988 m+145 m+113.5 m，大橋按照“4線(xiàn)鐵路+6車(chē)道高速公路”的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。鐵路橋面布置2線(xiàn)合廬銅城際、2線(xiàn)城市軌道交通1號(hào)線(xiàn)；公路橋面布置雙向6車(chē)道京臺(tái)高速，兩側(cè)設(shè)置緊急停車(chē)帶。本次測(cè)量任務(wù)為：在當(dāng)?shù)販y(cè)繪部門(mén)已收集的1∶2 000地形圖基礎(chǔ)上，針對(duì)部分地形變化較大區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)測(cè)，修補(bǔ)測(cè)區(qū)域?yàn)榫€(xiàn)路中線(xiàn)左右約100 m范圍內(nèi)共6個(gè)分散的測(cè)區(qū)。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)獲取與試驗(yàn)方案

該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)獲取利用大疆精靈4 RTK無(wú)人機(jī)及機(jī)載的2 000 萬(wàn)分辨率數(shù)碼相機(jī)，按照1∶500 比例尺成圖要求及無(wú)人機(jī)飛行相關(guān)要求設(shè)計(jì)飛行實(shí)施。飛行航高設(shè)計(jì)為100 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。航飛拍攝前，將收集到的控制點(diǎn)及航測(cè)范圍線(xiàn)導(dǎo)入衛(wèi)星影像圖中，通過(guò)衛(wèi)星影像圖確定作業(yè)范圍是否為禁飛區(qū)、限高區(qū)，大致判斷無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地、飛行高度。通過(guò)踏勘實(shí)地核查周邊高層建筑物、高壓輸電線(xiàn)路、河流、高山等影響安全的因素，確定無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地。本項(xiàng)目外業(yè)航拍歷時(shí)3 d，共計(jì)飛行30架次，累計(jì)飛行時(shí)間495 min，拍攝時(shí)間344 min，拍攝相片7 411 張。每架次拍攝的像片均確保無(wú)人機(jī)RTK 解為固定解。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，采用千尋CORS作為機(jī)載RTK的差分源。

在航飛作業(yè)過(guò)程中，隨時(shí)觀察并記錄機(jī)載RTK的定位精度，即遙控器上顯示的RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精度。經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)處理生成三維實(shí)景模型后，根據(jù)測(cè)定的檢查點(diǎn)來(lái)評(píng)定模型上對(duì)應(yīng)成果的精度，以此分析機(jī)載RTK定位精度對(duì)測(cè)圖精度的影響。所有測(cè)區(qū)均勻布設(shè)一定數(shù)量的檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)選取航測(cè)任務(wù)范圍內(nèi)的明顯地物點(diǎn)，一般選取比較清晰的公路地面標(biāo)識(shí)線(xiàn)角點(diǎn)，方便后期內(nèi)業(yè)比對(duì)統(tǒng)計(jì)。使用Trimble R10 GNSS 接收機(jī)以RTK定位模式實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)、高程，測(cè)量方式為雙測(cè)回平滑采集，每個(gè)測(cè)回采集30個(gè)歷元的數(shù)據(jù)，最終以2個(gè)測(cè)回共60個(gè)歷元數(shù)據(jù)的均值作為檢查點(diǎn)的成果。

3 機(jī)載RTK定位精度對(duì)測(cè)圖精度的影響分析

計(jì)算檢查點(diǎn)在三維實(shí)景模型上的坐標(biāo)值與RTK實(shí)測(cè)坐標(biāo)值的差值，統(tǒng)計(jì)測(cè)區(qū)1~6共40個(gè)檢查點(diǎn)的精度如表1 所示。表中，△X 表示檢查點(diǎn)在平面坐標(biāo)（X）方向的坐標(biāo)差值；△Y表示檢查點(diǎn)在平面坐標(biāo)（Y）方向的坐標(biāo)差值；△H 表示檢查點(diǎn)在高程（H）方向的差值。

表1 檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表

從表1 可以看出，測(cè)區(qū)1、測(cè)區(qū)3、測(cè)區(qū)6 的檢查點(diǎn)精度較高，而測(cè)區(qū)2、測(cè)區(qū)4、測(cè)區(qū)5 的檢查點(diǎn)精度整體較低。在項(xiàng)目航測(cè)中發(fā)現(xiàn)，測(cè)區(qū)1、測(cè)區(qū)3、測(cè)區(qū)6 航飛作業(yè)時(shí)機(jī)載RTK定位精度為2~3 cm，而測(cè)區(qū)2、測(cè)區(qū)4、測(cè)區(qū)5航飛作業(yè)時(shí)機(jī)載RTK定位精度為5~9 cm，反映出航測(cè)地圖的精度與機(jī)載RTK精度的正相關(guān)性。

為了進(jìn)一步分析測(cè)區(qū)2、測(cè)區(qū)4、測(cè)區(qū)5 精度較差的原因是否與機(jī)載RTK 的定位精度較差有關(guān)，以測(cè)區(qū)4 為實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)，使用Trimble R10 GNSS 接收機(jī)自建單基站的方式執(zhí)行航飛并實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)、高程。該測(cè)區(qū)外業(yè)航飛作業(yè)時(shí)機(jī)載RTK 顯示的實(shí)時(shí)定位精度均為2~3 cm。統(tǒng)計(jì)的7 個(gè)檢查點(diǎn)的精度如表2所示。

表2 測(cè)區(qū)4試驗(yàn)精度統(tǒng)計(jì)表（自建單基站RTK）

從表2 可以看出，在參與精度統(tǒng)計(jì)的7 個(gè)檢查點(diǎn)中：X坐標(biāo)偏差絕對(duì)值最大為0.033 m，最小為0.020 m，平均值為0.025 m；Y坐標(biāo)偏差絕對(duì)值最大為0.031 m，最小為0.006 m，平均值為0.016 m；X坐標(biāo)中誤差為0.025 m，Y坐標(biāo)中誤差為0.018 m，平面點(diǎn)位中誤差為0.031 m。高程偏差絕對(duì)值最大為0.065 m，最小為0.006 m，平均值為0.025 m，高程中誤差為0.032 m。顯然，表2中測(cè)區(qū)4的檢查點(diǎn)精度結(jié)果優(yōu)于表1中測(cè)區(qū)4 的精度，說(shuō)明機(jī)載RTK 定位精度會(huì)對(duì)航測(cè)地形圖成果的精度產(chǎn)生顯著影響。

當(dāng)千尋CORS 系統(tǒng)較穩(wěn)定，機(jī)載RTK 的定位精度為2~3 cm 時(shí)，再次以千尋CORS 為差分源對(duì)測(cè)區(qū)4 執(zhí)行航飛作業(yè)，此時(shí)機(jī)載RTK的定位精度與上述自建單基站的方式進(jìn)行航飛作業(yè)時(shí)精度相當(dāng)。統(tǒng)計(jì)的7 個(gè)檢查點(diǎn)的精度。在參與精度統(tǒng)計(jì)的7個(gè)檢查點(diǎn)中：X坐標(biāo)偏差絕對(duì)值最大為0.037 m，最小為0.001 m，平均值為0.020 m；Y坐標(biāo)偏差絕對(duì)值最大為0.035 m，最小為0.003 m，平均值為0.019 m ；X坐標(biāo)中誤差為0.023 m，Y坐標(biāo)中誤差為0.022 m，平面點(diǎn)位中誤差為0.031 m。高程偏差絕對(duì)值最大為0.054 m，最小為0.006 m，平均值為0.023 m；高程中誤差值為0.028 m。以上精度結(jié)果與表2的相當(dāng)，均優(yōu)于表1中測(cè)區(qū)4的檢查點(diǎn)精度。結(jié)果表明：機(jī)載RTK定位精度對(duì)生成的航測(cè)成果精度具有顯著影響。

綜上所述，當(dāng)航飛作業(yè)過(guò)程中機(jī)載RTK的定位精度為5~9 cm時(shí)，獲取的航測(cè)成果的精度較低；當(dāng)機(jī)載RTK的定位精度為2~3 cm時(shí)，獲取的航測(cè)成果的精度較高，航測(cè)成果的精度與機(jī)載RTK的定位精度表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性。

4 機(jī)載RTK定位精度差異分析

無(wú)論是連接千尋CORS 方式作業(yè)，亦或通過(guò)自建單基站的方式作業(yè)，其本質(zhì)均為通過(guò)建立載波相位差分方程求解整周模糊度，進(jìn)而解算機(jī)載RTK 實(shí)時(shí)位置。根據(jù)載波相位雙差方程聯(lián)立求解，雙差綜合誤差可簡(jiǎn)化為：

式中， ?2Ο 為軌道偏差殘余； ?2Ι 為電離層延遲殘余；?2Τ 為對(duì)流層延遲殘余；μ與站間距離有關(guān)，當(dāng)距離較短時(shí)，這3 項(xiàng)可以忽略不計(jì)，但在中長(zhǎng)距離動(dòng)態(tài)定位中，這3項(xiàng)誤差占據(jù)了主導(dǎo)地位，使得定位精度迅速下降[7]。本文實(shí)驗(yàn)中的CORS為采用VRS技術(shù)的大型網(wǎng)絡(luò)參考站系統(tǒng)，基準(zhǔn)站間距一般長(zhǎng)達(dá)40~80 km，容易受電離層、對(duì)流層殘差的影響，比較常見(jiàn)的表現(xiàn)是：在不同緯度地區(qū)、同一天不同時(shí)間段、西部山區(qū)不同海拔高度使用時(shí)均存在差異。在電離層活躍的時(shí)段及地區(qū)，RTK定位精度將顯著降低。而自建單基站系統(tǒng)是一種簡(jiǎn)便快捷的作業(yè)方式，可為大疆精靈4RTK 提供差分源?？紤]到自建單基站系統(tǒng)作業(yè)距離一般不超過(guò)2 km，幾乎可以忽略電離層、對(duì)流層延遲殘差的影響，精度相對(duì)更穩(wěn)定、可靠。因此，在執(zhí)行航測(cè)飛行任務(wù)時(shí)，當(dāng)機(jī)載RTK精度較差時(shí)可選擇自建單基站方式進(jìn)行作業(yè)。實(shí)際航飛作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)監(jiān)控機(jī)載RTK 的定位精度。當(dāng)RTK 定位精度較低時(shí)，應(yīng)選擇合適的定位模式和有利的作業(yè)時(shí)間進(jìn)行航測(cè)外業(yè)，以提高RTK定位精度和測(cè)圖精度。

5 結(jié) 論

本文基于大疆精靈4 RTK無(wú)人機(jī)，結(jié)合實(shí)際航測(cè)項(xiàng)目詳細(xì)分析了機(jī)載RTK 定位精度對(duì)測(cè)圖精度的影響。結(jié)果表明機(jī)載RTK定位精度對(duì)測(cè)圖精度的影響顯著，因此在執(zhí)行航測(cè)飛行任務(wù)時(shí)應(yīng)觀察并記錄機(jī)載RTK 定位精度。當(dāng)機(jī)載CORS RTK 精度較差時(shí)，可通過(guò)自建單基站方式進(jìn)行作業(yè)，單基站的作業(yè)距離控制在2 km以?xún)?nèi)，以降低電離層、對(duì)流層影響對(duì)定位結(jié)果的不利影響，進(jìn)而確保地形圖的精度；當(dāng)無(wú)自建單基站條件或自建單基站方式作業(yè)精度仍然較差時(shí)（RTK定位精度不宜低于3 cm），應(yīng)選擇RTK 定位精度較好的時(shí)段進(jìn)行作業(yè)，以保證航測(cè)成果的精度。本文的研究成果可為無(wú)人機(jī)免像控作業(yè)規(guī)范規(guī)程的制定提供參考。