基于RTK和P P K技術(shù)的無人機航空攝影測量精度分析

余 力 王 晨 劉洪飛 賈偉潔

（1.河南省資源環(huán)境調(diào)查一院，河南 鄭州 450000；2.河南省自然資源監(jiān)測院，河南 鄭州 450000；3.河南測繪職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000；4.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083）

0.引言

近年來，無人機航空攝影測量技術(shù)由于造價低、效率高、效益好等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于多種測繪地理信息項目，極大地減輕了測繪工作者的外業(yè)工作量和強度，獲得的測量成果精度也能滿足大比例尺測圖對于精度的要求。但是，由于地形、測量環(huán)境等的限制，有的測量區(qū)域（如，高山、河流、危險等）在進行無人機航空攝影測量時，像控點布設(shè)的數(shù)量少或者像控點布設(shè)得不均勻，不能滿足要求，這樣會直接導(dǎo)致測量成果的精度降低。如果不能很好地解決此問題，則無人機航空攝影測量的應(yīng)用將大打折扣。

RTK（Real-time kinematic）技術(shù)是一種基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的實時定位技術(shù)，而PPK（Post Processed Kinematic）技術(shù)是一種基于GNSS的動態(tài)后處理定位技術(shù)，這兩種測量技術(shù)近年來發(fā)展比較迅速，在常規(guī)測量作業(yè)中發(fā)揮著重要作用，顯著地提高了測繪作業(yè)效率。如果在無人機作業(yè)中引進RTK和PPK技術(shù)，則能很好地解決因像控點布設(shè)數(shù)量少或者分布不均勻等導(dǎo)致的測量精度低的問題[1-5]。

1.兩種不同的無人機航空攝影測量模式

無人機攝影測量平臺無論是搭載RTK測量設(shè)備還是搭載PPK測量設(shè)備，都是通過不同的測量模式來獲取攝站的實時坐標，作為區(qū)域網(wǎng)平差中的附加非航空攝影測量觀測值，以空中控制取代地面控制的方法進行區(qū)域網(wǎng)平差，進而獲得地面點的三維坐標。其根本上都是利用了GPS輔助空中三角測量的基本原理[2-4]。

1.1 基于RTK技術(shù)的無人機航空攝影測量

RTK測量技術(shù)的基本工作原理是將一臺GNSS接收機置于基準站上，基準站和流動站同時同步接收衛(wèi)星發(fā)射的信號，基準站所獲得的觀測值結(jié)合已知位置信息得到差分改正值，然后基準站將這個改正值通過數(shù)據(jù)鏈傳遞給移動站，從而使移動站獲得較準確的實時位置信息。

基于RTK的無人機航空攝影測量是在無人機平臺上搭載基于RTK模式的定位設(shè)備，將無人機視為流動站，在無人機航空攝影測量過程中實時獲得飛機的三維定位信息。目前，大多數(shù)基于RTK模式的無人機攝影測量都不直接布設(shè)基準站，而是直接利用連續(xù)運行參考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）信號獲得差分改正值，進而獲得飛機的三維定位信息，極大地提高了作業(yè)效率。

1.2 基于PPK技術(shù)的無人機航空攝影測量

PPK技術(shù)是利用進行同步觀測的一臺基準站接收機和至少一臺流動接收機對衛(wèi)星的載波相位觀測量，并進行實時記錄，省掉中間無線電傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)。在測量完成之后，使用GPS處理軟件進行線性組合，形成虛擬的載波相位觀測量值，確定接收機之間厘米級的相對位置，然后進行坐標轉(zhuǎn)換，得到流動站在地方坐標系中的坐標。

PPK技術(shù)與RTK技術(shù)既有共同點也有各自的優(yōu)缺點。共同點為：都具有全天候作業(yè)，作業(yè)效率高，自動化、集成化程度高等優(yōu)點。RTK技術(shù)的優(yōu)點是可以方便地利用CORS信號，作業(yè)過程中無須再架設(shè)基準站，數(shù)據(jù)處理相對簡單。缺點是在作業(yè)過程中差分信號通過數(shù)據(jù)鏈傳輸，受環(huán)境因素的影響較大；在作業(yè)過程中容易出現(xiàn)丟失差分信號的現(xiàn)象，尤其是在山區(qū)測量時作業(yè)距離受限嚴重。PPK技術(shù)的優(yōu)點是可以在野外測量工作完成后進行事后差分處理，不需要實時數(shù)據(jù)通訊，無須考慮流動站能否接收到基準站播發(fā)的無線電信號等問題，作業(yè)半徑可以達到30km2以上。缺點是在作業(yè)過程中需單獨架設(shè)基準站，數(shù)據(jù)后處理過程相對復(fù)雜。在RTK技術(shù)受到限制的區(qū)域進行無人機航空攝影測量時可以利用PPK技術(shù)進行動態(tài)測量，觀測更為方便、自由，是對RTK技術(shù)的一種重要補充。

2.測量工程實例

為對比分析基于RTK和PPK兩種作業(yè)模式對無人機航空攝影測量中所獲得的成果的精度，作業(yè)人員分別使用了這兩種測量模式對兩個區(qū)域進行了無人機航空攝影測量。并利用PIX4D軟件對航空攝影測量數(shù)據(jù)進行了處理，最后利用地理信息軟件制作了1∶1000地形圖。測繪成果完成后，又利用GPS（RTK）作業(yè)模式結(jié)合全站儀極坐標采集法的方式采集了部分關(guān)鍵特征點的坐標數(shù)據(jù)（視其為觀測真值），對基于兩種不同作業(yè)模式的無人機航空攝影測量所獲得的成果數(shù)據(jù)進行了精度檢驗統(tǒng)計。特征點的采集遵循均勻分布、覆蓋全區(qū)的原則。精度評定采用平均誤差和中誤差兩個指標，中誤差采用式（1）進行計算。

其中，Δ為觀測值與真值的差值；n為參與統(tǒng)計的觀測值個數(shù)。

2.1 測區(qū)一

某高標準農(nóng)田建設(shè)項目，測量現(xiàn)場為平原與丘陵過渡區(qū)，測區(qū)面積1.8km2，地勢平緩（高差約4m），像控點易于布設(shè)。本次無人機航空攝影測量共布設(shè)像控點8個，均勻覆蓋于測量區(qū)域（如圖1所示）。采用的無人機機型為大疆精靈4RTK，利用兩種作業(yè)模式分別進行了航飛，獲得了高質(zhì)量的影像信息；并利用專業(yè)測繪地理信息軟件對航飛數(shù)據(jù)進行了處理，最終制作了1∶1000地形圖。測量成果完成后，利用GPS（RTK）作業(yè)模式結(jié)合全站儀極坐標采集法的方式采集了關(guān)鍵特征點15個。

圖1 測區(qū)一范圍和像控點分布圖

經(jīng)對比分析，兩種作業(yè)模式所獲得的成果精度統(tǒng)計（如表1、表2所示）：

表1 精度統(tǒng)計表（測區(qū)一、RTK作業(yè)模式）單位：m

表2 精度統(tǒng)計表（測區(qū)一、PPK作業(yè)模式）單位：m

由表1、表2精度統(tǒng)計結(jié)果可以看出：在無人機航空攝影測量中采用RTK作業(yè)模式，測區(qū)一中15個特征點在橫坐標、縱坐標和高程方向的平均誤差分別為0.067m、0.074m和0.103m，中誤差分別為0.071m、0.079m和0.106m。而在采用PPK作業(yè)模式下，平均誤差分別為0.059m、0.072m和0.091m，中誤差分別為0.067m、0.078m和0.101m。從統(tǒng)計的整體平均誤差和中誤差來看，采用兩種模式進行無人機航空攝影測量所獲得的測量數(shù)據(jù)精度基本相當，采用PPK作業(yè)模式獲得的測量數(shù)據(jù)比采用RTK作業(yè)模式獲得的數(shù)據(jù)精度稍高，基本上在一個數(shù)量級。

測區(qū)一由于地形相對平坦，便于布設(shè)像控點且像控點布設(shè)均勻，具備實時通訊條件，故基于兩種作業(yè)模式的無人機航空攝影測量獲得的測量成果精度均較高，均能滿足大比例尺地形圖（1∶1000）測繪的精度要求。

2.2 測區(qū)二

某礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理項目，測量現(xiàn)場為礦產(chǎn)開采所形成的深溝陡坡，測區(qū)面積1.3km2，周邊山高坡陡（高差約300m），地形破碎。受地形限制，像控點布設(shè)比較困難，僅在谷底布設(shè)了2個像控點，像控點分布未均勻覆蓋整個測量區(qū)域（如圖2所示）。本次航空攝影測量采用的無人機機型為大疆精靈4RTK，利用兩種作業(yè)模式分別進行了航飛，獲得了高質(zhì)量的影像信息；并利用專業(yè)測繪地理信息軟件對航飛數(shù)據(jù)進行了處理，最終制作了1∶1000地形圖。測量成果出來后，利用GPS（RTK）作業(yè)模式結(jié)合全站儀極坐標采集法的方式采集了關(guān)鍵特征點11個。

圖2 測區(qū)二范圍和像控點分布圖

經(jīng)對比分析，兩種作業(yè)模式所獲得的成果精度統(tǒng)計（如表3、表4所示）：

表3 精度統(tǒng)計表（測區(qū)二、RTK作業(yè)模式）單位：m

表4 精度統(tǒng)計表（測區(qū)二、PPK作業(yè)模式）單位：m

由表3、表4精度統(tǒng)計結(jié)果可以看出：在無人機航空攝影測量中采用RTK作業(yè)模式，測區(qū)二中11個特征點在橫坐標、縱坐標和高程方向的平均誤差分別為0.123m、0.132m和0.197m，中誤差分別為0.128m、0.141m和0.207m。而在采用PPK作業(yè)模式下，平均誤差分別為0.072m、0.082m和0.121m，中誤差分別為0.079m、0.086m和0.123m。兩者相比較，在無人航空攝影測量中采用PPK作業(yè)模式比采用RTK作業(yè)模式平均誤差分別減小了0.051m、0.050m和0.076m，中誤差分別減小了0.049m、0.055m和0.084m，測量精度得到明顯提高。盡管在某些特征點的部分方向上，基于RTK作業(yè)模式獲得的測量數(shù)據(jù)誤差更小，如特征點5和7的橫坐標方向、特征點7和11的縱坐標方向、特征點3的高程方向，但是，基于PPK技術(shù)獲得的測量數(shù)據(jù)所有方向的平均誤差和中誤差更小，明顯比基于RTK技術(shù)獲得的測量數(shù)據(jù)精度提高了5～8cm。

由測區(qū)二的測量實例可以明顯看到，在高差相對較大的山區(qū)進行無人機航空攝影測量，限于像控點難于布設(shè)、實時通訊條件差等因素，故采用PPK作業(yè)模式獲得的測量數(shù)據(jù)精度明顯高于采用RTK技術(shù)所獲得的。原因在于兩種差分技術(shù)的工作原理不同，PPK技術(shù)由于是后處理技術(shù)，不受實時通訊條件的限制，因此具有更好的適應(yīng)性。

3.結(jié)束語

在無人機航空攝影測量中引入RTK技術(shù)和PPK技術(shù)均能極大地減少地面像控點的布設(shè)工作量，提高作業(yè)效率，獲得的成果精度較高，能滿足大比例尺地形圖測圖對于測量成果的精度要求。

基于數(shù)據(jù)通訊鏈以及數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢，PPK技術(shù)能更好地適用于無人機航空攝影測量作業(yè)，尤其是在像控點難以布設(shè)、實時通訊受限的地區(qū)。本文實驗結(jié)果表明：基于PPK技術(shù)的無人機航空攝影測量可以有效地保證測量精度，其測量成果精度明顯高于基于RTK技術(shù)的無人機航空攝影測量獲得的成果，具有較廣闊的應(yīng)用前景。