苍穹无人机差分再下一城
文章来源:2020/12/03

——P8+完美助攻高山地1:1000地形图

        随着近两年无人机行业的迅猛发展,以无人机测绘为中心的周边产业也不断兴起,为追求信息数据的快速获取、数据的简单处理以及减少人员的投入,采用机载GNSS辅助空中三角测量的技术已然成为无人机测绘人员的不二选择,那么我们是如何搭载差分设备并且减少像控点的呢?就让我们从无人机差分系统的作业原理开始说起吧。

        首先,什么是高精度机载GNSS接收机呢?

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图1 

        高精度机载GNSS接收机就是能安装于运动载体上和地面基准站上的GPS信号接收机同步而连续地观测GPS卫星信号,用户可通过差分后处理软件来获取航片的坐标。

        为什么装上差分系统可以大幅减少像控点呢?

由于卫星信号在传输到地面上的过程中,会受到轨道误差、时钟误差、大气影响、多路径效应等外界条件的影响,所以普通GPS系统提供的定位精度只能达到10米左右,但是采用差分技术,通过差分处理软件对摄站坐标进行误差改正可以获得每张像片的精准坐标。然后将其作为附加观测值引入摄影测量区域网平差中,从而获得物方点位和影像外方位元素,实现空中控制代替地面控制,达到稀少地面控制点完成作业的目的。

        在经历了严格的市场检验之后,苍穹公司重磅推出一款更加轻巧的差分设备——P8+

        P8+是继P8(高精度机载GNSS接收机)之后,一款专门针对航空遥感应用而设计的更轻巧、性能更高、精度更高的GNSS接收机,其规格为73*53.4*21,重量仅为104克,适用于更加轻巧的机型,如:旋翼机、电机、泡沫机、消费型无人机等等。它采用高精度GNSS OEM主板,具有5~20Hz的数据采样率,可以跟踪观测所有GNSS卫星信号,包BDS、GPS、GLONASS等。通过配套后处理软件KGO解算,可以实现厘米级动态差分定位和动态精密单点定位。

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图2 P8+(左)和P8(右)对比图

        为了验证飞机搭载苍穹P8+之后能有效减少像控点,我们以广西自治区某县的山地地区为例。

项目概况

        本次项目地点位处广西某县城,地形主要是山地,平均海拔250米。(表1)

项目地点

广西

作业时间

2016-12-06 14:25:11

航飞面积

128平方公里

平均地面分辨率

0.1m

比例尺

1:1000

坐标系统

Xian1980 3-degree   Gauss-Kruger CM 108E

地形

山地

表1 测区概况

        飞机采用一架电机进行航摄,单次作业时间可达到3小时,搭载差分模块时可大量减少野外像控点,设备安装以及飞行参数如下(图2、表2):

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 图3 (P8+)主机以及天线安装示意图

飞行参数

航摄相机

尼康 D800

航摄时间

2016年12月6日

像元大小

4.88μm

镜头焦距

34.867mm

相对航高

714m

地面分辨率

0.1m

快门速度

1/2000

ISO

400

飞行时间

4小时15分钟

拍摄像片

3290

航线数量

41

航向重叠度

百分之80

旁向重叠度

百分之40

表2 飞行参数

精度要求

        根据《CHZ 3005-2010 低空数字航空摄影规范》可知,获取成图比例尺为1:1000的数字产品,要求地面分辨率控制在8~10cm,本项目中采用地面分辨率10cm。

 

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表3 地面分辨率

 航线规划

        共设计2个架次飞行,拍摄航片3290张左右,像片航向重叠为80% ,旁向重叠为40%,旋偏角基本上小于5度。同一条航线上相邻像片的航高差均小于30米,同一航线上更大最小航高之差一般小于50米,满足成图要求。

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图4 测区航线规划图

影像数据快速获取

        XMosaic是苍穹数码公司自主研发的一款无人机影像快速拼接成图软件, 一键式快速拼接即可获得整个航飞测区的DOM和DSM。该测区使用XMosaic拼接3290张无人机影像,总共耗时150分钟即获得地面分辨率为0.1米的DOM。

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图5 快拼数字正射影像

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图6 地面分辨率0.1米局部正射影像

控制点布设方案

        将XMosaic快拼成图后的正射影像用看图软件打开,并做前期的像控点布设规划。依据1:1000地形图航空摄影测量外业规范,当区域网用于加密平高控制点时,可沿周边布设6个或者8个平高点;高程点宜采用全野外布点,其跨度应为2到4条基线。同时依据地面分辨率、测区地形特点、图幅分布等情况全面进行考虑,根据具体情况选择更优实施方案进行外业像控的布设,所以该测区若进行全野外像控点布控则需要至少90个像控点才可达到精度要求。

        由于本项目搭载了苍穹差分设备(P8+),可大量减少像控点的布设,综合考虑后,控制点规划如图6。

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图7 前期控制点布设规划

差分数据后处理

        差分数据后处理采用苍穹数码自主研发的后处理软件——KGO。在航飞作业时,利用一台基准站和一台移动站同步观测卫星信号,在该软件中进行基线解算,通过软件计算出每张像片的坐标值。如果航摄作业时未架设基站,我们也可以用第二种方法----PPP精密单点定位算法进行计算。

        ①动态后差分处理模块

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图8

        ②PPP精密单点定位模块

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图9

        ③动态后差分处理模块和PPP解算结果文件对比

        由下表可知,两种方法计算出来的结果,平面坐标的差值基本上保持在值0.2米左右,高程基本保持在值0.2米上下。将PPP精密单点定位解算的结果带入到空三测量中进行联合解算,平差结果仍然符合精度要求。

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表4

空三处理

        在该项目中客户使用Inpho Application模块进行数据处理。根据低空数字航空摄影测量外业规范并结合外业控制点采集作业经验可知,飞行测区128KM²,全野外控制点布设需要大约 90个左右。在本项目中实际参与空三计算的控制点为17个,即可满足项目成图的精度要求。(如图9)。

8.jpg图10 控制点分布

        根据《数字航空摄影测量 空中三角测量规范》,测区地形为山地,成图比例尺为1:1000时,控制点平面点位中误差不得大于0.4米,高程点位中误差不大于0.4米;检查点平面和高程点位中误差不得大于0.7米和0.6米,即符合规范。

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图5 《数字航空摄影测量 空中三角测量规范》

        空三测量平差结果如下,总共有17个控制点参与平差,并选择5个控制点作为检查点使用。控制点平面点平均点位中误差大约为0.2米,更大不超过0.4米;高程均方根误差为0.1米,更大不超过0.3米;检查点平面点位中误差约为0.2米,高程点位中误差约为0.2米,符合成图规范要求。

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图11 平差报告

成果展示

        ④DTM

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图12 DTM渲染图

        ⑤DOM

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图13 DOM成果图

项目总结

        按照密周边点布点常规摄影测量加密的作业模式,128平方公里的测区至少需要野外控制 90个,而搭载P8+(高精度机载GNSS接收机)后,仅采用像控点17个,减少了81%以上的像控点,大量减少了像片控制联测的工作量。

        参照《数字航空摄影测量 空中三角测量规范》,测区地形为山地,成图比例尺为1:1000时,该测区控制点平面点位中误差大约为0.2米,更大不超过0.4米;高程中误差大约为0.1米左右,更大不超过0.3米;检查点平面点位中误差约为0.2米,高程点位中误差约为0.2米,符合成图规范要求。

        综上所述,采用苍穹P8+差分设备辅助空中三角测量,仅在测区四角以及中间均匀布设平高控制点,与传统摄影测量加密需要的大量野外像控点相比,不但减少了人力物力,还大大缩短了作业工期。

 


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