PPK技术在无人机森林航空摄影测量中的应用

李亚东，曹明兰，李长青，闫 飞，冯仲科

（1.北京工业职业技术学院，北京 100042；2.北京林业大学 精准林业北京市重点实验室，北京 100083）

森林经营和区划都需以具备良好可测量性的大比例尺地图为依据，但由于森林地块一般地处偏远地带，远离人口密集区，控制网密度低，缺乏基础测绘资料。采用传统地形图测绘的方法测量林地地形图时，不仅效率低，且成本非常昂贵。随着航天航空遥感技术的发展，采用遥感技术所获取的森林正射影像图具良好的可测量性，极大地提高了成图效率[1-3]。但由于受到卫星轨道高度和传感器空间分辨率等限制，航天遥感所生成的正射影像比例尺较小，而航空遥感受机场、跑道、航线、空域管控等诸多因素影响，灵活性差、所生成的正射影像的成本较高。随着无人机技术的应用与普及，利用无人机获取高分辨率森林航空影像，再经内业处理后可生成大比例尺森林正射影像图[4]。与航天航空遥感技术相比，利用无人机航空摄影测量技术获取森林正射影像图，具有成本低、周期短、机动灵活、比例尺大等优势。

无人机航空摄影测量需要依赖一定数量均匀分布的地面控制点，经过空中三角测量解算出摄影中心精确的外方位元素，再经过密集匹配、DEM 编辑、正射校正等步骤生成正射影像图。由于森林地形具有一定特殊性，在林地内采用传统方法布设控制点时，存在以下问题：1）森林地块内林冠重叠、灌木丛生、地被物茂密，采用光学测绘仪器在林地内布设控制点时，通视性差、效率低；2）采用GPS-RTK 布设控制点虽不受通视条件限制，但因林冠下GPS 信号弱，移动站与基准站之间经常发生GPS 失锁现象；3）在森林地块布设的地面控制点受林冠遮挡严重，无法保证在多幅森林影像中同时可见，导致部分控制点无法用于内业刺点。

鉴于以上几点，本研究尝试探讨了一种基于PPK 技术的免控制点无人机森林航空摄影测量正射影像图生成方案，并通过试验讨论该方案的精度与效率。

1 原理与方法

无人机机载POS 系统集差分GPS 定位技术和惯性导航技术（INS）于一体，可用于直接获取航摄像片的6 个外方位元素，将其作为带权观测值引入光束法区域网平差，以整体求解影像的定向参数和目标点的空间坐标[5]。POS 系统所获取的6个外方位元素中，3 个角元素是由INS 所获取的，3 个线元素是由GPS 模块所获取的。但由于目前无人机搭载的POS 系统的精度较低，直接获取到的数据精度低；通常需要采集大量地面控制点来确保最终数据解算结果的精度。

GPS PPK（Post processed kinematic）技术，即动态后差分处理技术。是一种在数据采集作业结束后利用载波相位进行差分处理，进而得到精确坐标的GPS 数据获取和平差处理技术[6]。PPK 技术是以GPS 基站数据为参照，利用后处理动态差分方法修正GPS 移动站数据，获取无人机摄影瞬间的摄影中心外方位元素的3 个线元素[7]。为了解决林冠下GPS 信号差、且布设的控制点容易被遮挡无法在照片中可视等问题，本研究采用GPS-PPK 技术获取摄影瞬间摄影中心外方位元素的3 个相对精确的线元素（XS、YS、ZS），并用它代替原始POS 数据的线元素，再利用SFM（Structure From Motion）方法得到摄影中心精确的外方位元素基础上，经过密集匹配生成DSM，通过手工编辑和正射校正后得到了最终成果DOM。具体流程如图1所示。

图1 技术路线Fig.1 Flowchart of research

首先在普通测绘无人机上加装GPS-PPK 模块，并通检校场标定方法获取到已固定好的PPK 和INS 这3 个模块相对于相机成像传感器中心的空间位置的改正参数[8]。外业利用标定后的无人机获取高重叠率的森林航空影像，内业将原始POS、照片和PPK 的无人机端和地面端数据导出，通过GPS-PKK 解算得到精确线元素[9-10]，利用改正参数改正后与原POS 数据中的角元素组合成新的外方位元素，再利用SFM（Structure from motion）的方法[11-12]得到最后精确的外方位元素，再利用基于面片的多视影像匹配（Patch-based multi-view stereo，PMVS）方法[13]进行密集匹配得到密集点云，再利用插值的方法生成DSM，通过手工编辑去掉林层和建筑物得到DEM，最后利用DEM 对原始影像进行正射校正得到DOM。

2 结果与分析

本研究试验区设在北京市门头沟区潭柘寺森林公园，位于北京西部潭柘山麓。试验设备采用固定翼无人机，加装了双频PPK 模块、搭载了Canon 5D MarkII 数码相机，镜头焦距为35 mm，成像传感器像素大小为6.41 μm。设置飞行高度200 m、地面分辨率3 cm、航向重叠度80%、旁向重叠度65%，并在测区附近按均匀分布原则布设了18 个检查点（其中16、17、18 号点因不在测区内，未使用）。检查点分布如图2所示。采用CORS 与全站仪结合的方法，测量了控制点与检查点的CGCS2000 高斯投影3°坐标。

图2 研究区地理位置Fig.2 Geographical position of study area

试验数据处理的硬件为台I7-6700HQ处理器、NVIDIAGeForce GTX980M 独立4G 显卡、16G 内存的ALIENWARE 工作站，软件配置是在Windows10 64 位操作系统上，基于VS2017 平台利用C++调用了RTKLIB 开源库[14]所提供的API进行了PPK 数据的解算。借助Agisoft PhotoScan软件[15]进行SFM 解算并得到了DSM，采用SimActive Correlator 3D 软件，进行DEM 手工编辑和正射影像的生成。

在配置以上软硬件的同一台工作站上，对同一测区的试验数据分别采用全站仪布设像控点方案（A 方案）、原始POS 免控制点方案（B 方案）及本研究提出的基于PPK 免控制点方案（C 方案）等3 种方案进行对比试验，并利用15 个检查点进行了精度检查。3 种方案的真误差计算结果如表1所示。

表1 3 种方案的检查点点位精度对比†Table 1 Comparison of detection point location accuracy of three schemes

3 结论与讨论

为进一步讨论3 种方案在制作森林正射影像方面的精度与效率，本研究对3 种方案在外业控制点布设、外业航空摄影、内业像控点刺点、内业平差解算等不同环节所用时间和最终获得的DOM 的点位中误差进行了对比，结果如表2所示。

由表2对比分析可以看出，由于A 方案采用了测绘摄影测量中的区域网平差的标准，因此其精度最高，能达到山地1∶1 000 的地形图航空摄影测量的精度要求[16]。但由于需要布设一定量均匀分布的控制点，因此也是耗时最多的一种方案。由于森林航空影像与普通摄影测量航空影像所关注的内容不同，在实际森林航空摄影工作中采用A 方案时具有以下几点不足：1）外业控制点布设环节，需要携带大量的专业仪器设备，增加外业人员的负重。2）在林地内布设控制点时受通视条件差和GPS 信号弱等限制，降低了工作效率。3）在高郁闭度的林地，很难找到足够数量的分布合理的控制点布设位置，无法确保所布设的控制点都能在航测影像上可见。4）内业刺点环节需要大量专业性强的人员、属劳动密集型操作，对刺点人员的摄影测量知识要求较高，提高了时间和人力成本。5）工艺流程复杂，外业数据采集与内业数据处理在不同的工作环境下由不同的团队需要1～2 个工作日才能完成，导致时间成本高，而且不利于成果的质量控制。

表2 3 种方案的数据采集与处理耗时对比†Table 2 Comparison of three schemes in data acquisition and processing time

B 方案由于采用的是计算机视觉领域的运动轨迹估计（SFM）的方法，不需要控制点直接使用原始POS 数据进行解算，因此用时最少。但由于原始POS 数据的摄影中心外方位元素的线元素来自飞控自带的GPS 数据，未经过差分处理，因此精度较低，最终得到的成果精度也达不到1∶10 000比例尺地形图航空摄影测量的精度要求[17]，无法满足森林资源二类调查的用图精度要求[18]。

C 方案是在B 方案的基础上，以PPK 解算出的摄影中心外方位的线元素代替了原始POS 中的线元素。由于需要进行后差分解算，C 方案的耗时比B 方案多出6%，但其精度高于B 方案，能够达到山地1∶2 000 的地形图航空摄影测量的精度要求，满足森林资源二类调查的用图精度要求。在数据处理时间上，C 方案比A 方案节省了45%左右。综合考虑精度与效率，C 方案的表现最优。

4 结 论

PPK 技术与无人机相结合的方法，在森林航空摄影测量中具有更广阔的应用前景。1）PPK 技术的作业半径大，可达到50 km 的作业半径，适合无人机森林航空摄影，对于减轻森林调查外业工作的仪器携带量具有重要意义。2）PPK 技术的通讯频率高，采用事后差分处理技术，无人机端与地面基站间不需要实时保持链接，不会发生由于无人机高速飞行导致的GPS 信号丢失和因林冠遮挡导致的GPS 失锁等问题。因此对于在林地内减少设置基站数量具有重要意义。3）与传统的布设像控点方案相比，无人机搭载PPK 模块方式数据采集并制作正射影像的方案不仅节省了外业控制点布设与测量时间，至少也能节省30%的内业数据处理耗时。在成果精度方面，PPK 技术与无人机相结合的方法能够达到《地形图航空摄影测量内业规范（GB/T 13990—2012）》规定的1∶2 000 比例尺精度，能够满足《森林资源二类调查的用图精度要求》规定的精度要求。因此，PPK技术在无人机森林航空摄影测量中的应用，无论在精度还是效率方面都具有明显优势。随着我国自主研发的北斗卫星网络日益完善，无人机搭载PPK 技术将在森林监测领域发挥更大的作用。

本研究从原理与流程上给出了PPK 在林业摄影测量中的应用免像控点的方案，并通过试验验证了其可行性。但数据处理过程中使用了多种第三方软件，无形中提高了推广应用的成本。下一步将围绕着如何将PPK 数据处理、SFM 算法与林业的业务逻辑整合形成专门的林业摄影测量软件，以降低推广应用成本等方面展开研究。