基于RTK和P P K技术的无人机航空摄影测量精度分析

余 力 王 晨 刘洪飞 贾伟洁

（1.河南省资源环境调查一院，河南 郑州 450000；2.河南省自然资源监测院，河南 郑州 450000；3.河南测绘职业学院，河南 郑州 450000；4.中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083）

0.引言

近年来，无人机航空摄影测量技术由于造价低、效率高、效益好等优势被广泛应用于多种测绘地理信息项目，极大地减轻了测绘工作者的外业工作量和强度，获得的测量成果精度也能满足大比例尺测图对于精度的要求。但是，由于地形、测量环境等的限制，有的测量区域（如，高山、河流、危险等）在进行无人机航空摄影测量时，像控点布设的数量少或者像控点布设得不均匀，不能满足要求，这样会直接导致测量成果的精度降低。如果不能很好地解决此问题，则无人机航空摄影测量的应用将大打折扣。

RTK（Real-time kinematic）技术是一种基于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的实时定位技术，而PPK（Post Processed Kinematic）技术是一种基于GNSS的动态后处理定位技术，这两种测量技术近年来发展比较迅速，在常规测量作业中发挥着重要作用，显著地提高了测绘作业效率。如果在无人机作业中引进RTK和PPK技术，则能很好地解决因像控点布设数量少或者分布不均匀等导致的测量精度低的问题[1-5]。

1.两种不同的无人机航空摄影测量模式

无人机摄影测量平台无论是搭载RTK测量设备还是搭载PPK测量设备，都是通过不同的测量模式来获取摄站的实时坐标，作为区域网平差中的附加非航空摄影测量观测值，以空中控制取代地面控制的方法进行区域网平差，进而获得地面点的三维坐标。其根本上都是利用了GPS辅助空中三角测量的基本原理[2-4]。

1.1 基于RTK技术的无人机航空摄影测量

RTK测量技术的基本工作原理是将一台GNSS接收机置于基准站上，基准站和流动站同时同步接收卫星发射的信号，基准站所获得的观测值结合已知位置信息得到差分改正值，然后基准站将这个改正值通过数据链传递给移动站，从而使移动站获得较准确的实时位置信息。

基于RTK的无人机航空摄影测量是在无人机平台上搭载基于RTK模式的定位设备，将无人机视为流动站，在无人机航空摄影测量过程中实时获得飞机的三维定位信息。目前，大多数基于RTK模式的无人机摄影测量都不直接布设基准站，而是直接利用连续运行参考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）信号获得差分改正值，进而获得飞机的三维定位信息，极大地提高了作业效率。

1.2 基于PPK技术的无人机航空摄影测量

PPK技术是利用进行同步观测的一台基准站接收机和至少一台流动接收机对卫星的载波相位观测量，并进行实时记录，省掉中间无线电传输的环节。在测量完成之后，使用GPS处理软件进行线性组合，形成虚拟的载波相位观测量值，确定接收机之间厘米级的相对位置，然后进行坐标转换，得到流动站在地方坐标系中的坐标。

PPK技术与RTK技术既有共同点也有各自的优缺点。共同点为：都具有全天候作业，作业效率高，自动化、集成化程度高等优点。RTK技术的优点是可以方便地利用CORS信号，作业过程中无须再架设基准站，数据处理相对简单。缺点是在作业过程中差分信号通过数据链传输，受环境因素的影响较大；在作业过程中容易出现丢失差分信号的现象，尤其是在山区测量时作业距离受限严重。PPK技术的优点是可以在野外测量工作完成后进行事后差分处理，不需要实时数据通讯，无须考虑流动站能否接收到基准站播发的无线电信号等问题，作业半径可以达到30km2以上。缺点是在作业过程中需单独架设基准站，数据后处理过程相对复杂。在RTK技术受到限制的区域进行无人机航空摄影测量时可以利用PPK技术进行动态测量，观测更为方便、自由，是对RTK技术的一种重要补充。

2.测量工程实例

为对比分析基于RTK和PPK两种作业模式对无人机航空摄影测量中所获得的成果的精度，作业人员分别使用了这两种测量模式对两个区域进行了无人机航空摄影测量。并利用PIX4D软件对航空摄影测量数据进行了处理，最后利用地理信息软件制作了1∶1000地形图。测绘成果完成后，又利用GPS（RTK）作业模式结合全站仪极坐标采集法的方式采集了部分关键特征点的坐标数据（视其为观测真值），对基于两种不同作业模式的无人机航空摄影测量所获得的成果数据进行了精度检验统计。特征点的采集遵循均匀分布、覆盖全区的原则。精度评定采用平均误差和中误差两个指标，中误差采用式（1）进行计算。

其中，Δ为观测值与真值的差值；n为参与统计的观测值个数。

2.1 测区一

某高标准农田建设项目，测量现场为平原与丘陵过渡区，测区面积1.8km2，地势平缓（高差约4m），像控点易于布设。本次无人机航空摄影测量共布设像控点8个，均匀覆盖于测量区域（如图1所示）。采用的无人机机型为大疆精灵4RTK，利用两种作业模式分别进行了航飞，获得了高质量的影像信息；并利用专业测绘地理信息软件对航飞数据进行了处理，最终制作了1∶1000地形图。测量成果完成后，利用GPS（RTK）作业模式结合全站仪极坐标采集法的方式采集了关键特征点15个。

图1 测区一范围和像控点分布图

经对比分析，两种作业模式所获得的成果精度统计（如表1、表2所示）：

表1 精度统计表（测区一、RTK作业模式）单位：m

表2 精度统计表（测区一、PPK作业模式）单位：m

由表1、表2精度统计结果可以看出：在无人机航空摄影测量中采用RTK作业模式，测区一中15个特征点在横坐标、纵坐标和高程方向的平均误差分别为0.067m、0.074m和0.103m，中误差分别为0.071m、0.079m和0.106m。而在采用PPK作业模式下，平均误差分别为0.059m、0.072m和0.091m，中误差分别为0.067m、0.078m和0.101m。从统计的整体平均误差和中误差来看，采用两种模式进行无人机航空摄影测量所获得的测量数据精度基本相当，采用PPK作业模式获得的测量数据比采用RTK作业模式获得的数据精度稍高，基本上在一个数量级。

测区一由于地形相对平坦，便于布设像控点且像控点布设均匀，具备实时通讯条件，故基于两种作业模式的无人机航空摄影测量获得的测量成果精度均较高，均能满足大比例尺地形图（1∶1000）测绘的精度要求。

2.2 测区二

某矿山地质环境恢复治理项目，测量现场为矿产开采所形成的深沟陡坡，测区面积1.3km2，周边山高坡陡（高差约300m），地形破碎。受地形限制，像控点布设比较困难，仅在谷底布设了2个像控点，像控点分布未均匀覆盖整个测量区域（如图2所示）。本次航空摄影测量采用的无人机机型为大疆精灵4RTK，利用两种作业模式分别进行了航飞，获得了高质量的影像信息；并利用专业测绘地理信息软件对航飞数据进行了处理，最终制作了1∶1000地形图。测量成果出来后，利用GPS（RTK）作业模式结合全站仪极坐标采集法的方式采集了关键特征点11个。

图2 测区二范围和像控点分布图

经对比分析，两种作业模式所获得的成果精度统计（如表3、表4所示）：

表3 精度统计表（测区二、RTK作业模式）单位：m

表4 精度统计表（测区二、PPK作业模式）单位：m

由表3、表4精度统计结果可以看出：在无人机航空摄影测量中采用RTK作业模式，测区二中11个特征点在横坐标、纵坐标和高程方向的平均误差分别为0.123m、0.132m和0.197m，中误差分别为0.128m、0.141m和0.207m。而在采用PPK作业模式下，平均误差分别为0.072m、0.082m和0.121m，中误差分别为0.079m、0.086m和0.123m。两者相比较，在无人航空摄影测量中采用PPK作业模式比采用RTK作业模式平均误差分别减小了0.051m、0.050m和0.076m，中误差分别减小了0.049m、0.055m和0.084m，测量精度得到明显提高。尽管在某些特征点的部分方向上，基于RTK作业模式获得的测量数据误差更小，如特征点5和7的横坐标方向、特征点7和11的纵坐标方向、特征点3的高程方向，但是，基于PPK技术获得的测量数据所有方向的平均误差和中误差更小，明显比基于RTK技术获得的测量数据精度提高了5～8cm。

由测区二的测量实例可以明显看到，在高差相对较大的山区进行无人机航空摄影测量，限于像控点难于布设、实时通讯条件差等因素，故采用PPK作业模式获得的测量数据精度明显高于采用RTK技术所获得的。原因在于两种差分技术的工作原理不同，PPK技术由于是后处理技术，不受实时通讯条件的限制，因此具有更好的适应性。

3.结束语

在无人机航空摄影测量中引入RTK技术和PPK技术均能极大地减少地面像控点的布设工作量，提高作业效率，获得的成果精度较高，能满足大比例尺地形图测图对于测量成果的精度要求。

基于数据通讯链以及数据处理方面的优势，PPK技术能更好地适用于无人机航空摄影测量作业，尤其是在像控点难以布设、实时通讯受限的地区。本文实验结果表明：基于PPK技术的无人机航空摄影测量可以有效地保证测量精度，其测量成果精度明显高于基于RTK技术的无人机航空摄影测量获得的成果，具有较广阔的应用前景。