PPK技术在危岩落石区的应用与精度分析_黄惠.pdf

PPK技术在危岩落石区的应用与精度分析摘要：利用大疆精灵4结合RTK技术获取3个危岩落石区的图像，对比分析了有地面控制点和无控制点利用PPK技术两种光束法区域网平差方法（简称方法1、方法2），并通过均方根误差评估了两种方法的精度。结果表明，方法1比方法2获得的数据精度高，但带有PPK技术的方法2为危岩落石区等危险区和暴露区的监测和研究提供了一个可行的解决方案，且也可获得较好的精度，满足平时的工作需求。关键词：危岩落石区；光束法区域网平差；PPK；精度中图分类号：P231文献标志码：B文章编号：1672-4623（2023）03-0142-03Application of PPK Technology in Rockfall Area and Its Accuracy AnalysisHUANG Hui1,MAI Yuxiao2(1.No.6 Geological Team of Guangxi ZhuangAutonomous Region,Guigang 537100,China;2.Guilin Institute of Land Resources Planning and Surveying,Guilin 541000,China)Abstract:In this study,we used DJI phantom 4 RTK to obtain the images of three dangerous rockfall areas,and compared two different bundleadjustment methods(method 1 and method 2 for short)with ground control points and no control points combined with PPK technology.Then,we used the root mean square error(RMSE)calculated at the test points to evaluate the accuracy of two methods.The results show that the dataaccuracy obtained by method 1 is higher than method 2.However,method 2 with PPK technology provides a feasible solution for monitoring andstudying dangerous and exposed areas such as rockfall area,and can also achieve good accuracy,which meets the demand of usual work.Key words:rockfall area,bundle adjustment,PPK,accuracy引文格式：黄惠,麦瑜潇.PPK技术在危岩落石区的应用与精度分析J.地理空间信息,2023,21(3):142-144.doi:10.3969/j.issn.1672-4623.2023.03.033Mar.,2023Vol.21,No.3地 理 空 间 信 息GEOSPATIAL INFORMATION2023 年 3 月第21卷第 3 期（1.广西壮族自治区第六地质队，广西 贵港 537100；2.桂林市国土资源规划测绘院，广西 桂林 541000）黄惠1，麦瑜潇2近年来对于地灾的监测和研究备受重视。一些潜在的自然灾害点往往位于基础设施和居民点之上的陡坡，对于传统的野外观测来说，这样的地形难以接近且具有危险性。小型无人机系统（sUAS）获取的空间范围较小，操作机动灵活，适用于该领域的研究和监测，不少学者已对该应用进行了研究1-4，但大多是在地形条件均匀的平坦地区进行的。GNSS动态后处理（PPK）技术近年来开始广泛应用于无人机航测领域，国内外学者在该领域已做了相关研究，如李亚东5等分析了PPK技术在无人机森林航空摄影测量中的应用，提出采用无人机加装PPK模块结合SFM方法生成森林正射影像的方案，其成果精度能满足森林资源二类调查的用图精度要求；刘建坡6等分析发现在相机校准的前提下，不采用GCP仅依靠PPK技术获取的具有精确定位影像的地理配准成果也可达到厘米级定位精度；魏荣灏7等对基于PPK无验潮的水下地形测量技术进行了研究，测试结果表明，PPK获取的结果具有良好的稳定性，定位精度能满足水下地形测量工作需要。利用无人机和PPK技术已逐渐成为一种主流趋势，但目前将二者结合应用于危岩落石灾害方面的研究较少，本文尝试探讨了PPK与sUAS结合技术在危岩落石方面的应用，并通过实验分析了该方案的精度与效率。1PPK数据处理关键技术PPK技术是利用载波相位进行事后差分的GNSS定位技术，属于动态后处理测量技术。该技术采用动态初始化OTF可快速解算整周模糊度，外业测量观测1030 s即可解算得到厘米级的空间三维坐标。与RTK实时载波相位差分测量技术不同，PPK测量时流动站与基准站之间无需建立实时通信链接，在外业观测结束后，对流动站与基准站GNSS接收机所采集的原始观测数据进行事后处理，从而计算得到流动站的三维坐标。PPK数据处理是将基站和无人机获取的GNSS收稿日期：2021-12-22；修回日期：2022-01-13。项目来源：国家自然科学基金资助项目（41071294）；广西空间信息与测绘重点实验室主任基金资助项目（桂科能1207115-09）。第一作者简介：黄惠（1985），硕士研究生，注册测绘师，主要从事工程测量、地质测量方面的工作，E-mail：。第21卷第3期黄惠等：PPK技术在危岩落石区的应用与精度分析原始观测数据分别导入相关专业后处理软件进行处理。利用IGS站提供精密星历和地面参考基站已知坐标，解算得到无人机端流动站的精确三维坐标6。载波相位观测值改正值的表达式为：S=Ri0-Ni0()t+Ci0()t+i0()t（1）式中，Ri0为 IGS 站提供的第i颗卫星的精密星历在t时刻的轨道精确位置与地面基站的已知坐标计算得到的参考站与卫星间的真实距离；Ni0为参考站初始相位模糊度；Ci0()t为参考站初始历元到观测历元的相位整周数；i0()t为参考站相位观测值的小数部分；为波长。将校正值加入载波相位观测方程式，则有：Nir(t)+NCir(t)+ir(t)+s=(Xi(t)-Xr(t)2+(Yi(t)-Yr(t)2+(Zi(t)-Zr(t)2=d（2）式中，Nir(t)为流动站初始相位模糊度；NCir(t)为流动站初始历元至观测历元的相位整周数；ir(t)为流动站相位观测值的小数部分；d为同一观测历元的各项残差值。根据式（2），理论上只需参考站和流动站接收机同步观测4 颗以上GNSS 卫星数据，利用最小二乘法即可计算得到流动站的精确三维坐标。2数据获取与研究方法1）数据获取。本文利用大疆精灵4无人机获取了3 处危岩落石区数据。危岩点均位于地势较高的山体，危岩点与受威胁物之间的相对高度在50 m以上，受威胁物底部与危岩所在山体水平距离较近，存在不稳定结构面，由于山体相对高差很大，危岩点均具有较高的危险性。如图 1 所示，危岩点 1 位于陡壁中部，陡壁节理发育，岩体破碎；危岩点2位于石山陡壁上，陡壁节理发育，危岩点悬空明显；危岩点3位于石山陡壁上，位置较偏远，陡壁节理发育，岩体破碎，危岩点悬空明显。3处危岩点节理发育，与母岩分离明显，岩体破碎，易发生崩落。危岩点1危岩点2危岩点3图13处危岩点实景图2）研究方法。本文在3处危岩落石区域设置了地面控制点与检测点，危岩点1处设置了12个地面控制点、35个检测点；危岩点2、3处分别设置了10个地面控制点、30个检测点，利用徕卡全站仪对所有点进行测量。利用大疆精灵4与RTK技术相结合方式在每个区域进行了 1 d 的调查，飞行轨迹垂直于地面坡度。所有研究点位的飞行高度均设定为80 m，地面采样距离为23 cm，图像重叠率为80%。无人机获取的影像经过Pix4Dmapper处理，分别采用带有控制点的光束法区域网平差方法（方法1）和与PPK技术相结合的光束法区域网平差方法（方法 2）进行数据处理；再利用检测点的实测数据与两种方法得到的数据以及在DSM上提取的数值进行对比，评定其精度。3）精度评定方法。通过将实测数据与两种方法计算得到的以及在DSM上提取的检测点数据进行对比，求出每个坐标差值，再求出总的均方根误差（RMSE）。具体公式为：diffX=X实测-X后期提取（1）diffY=Y实测-Y后期提取（2）diffZ=Z实测-Z后期提取（3）RMSEX=1ndiffX2n（4）RMSEY=1ndiffY2n（5）RMSEZ=1ndiffZ2n（6）RMSEXYZ=RMSE2X+RMSE2Y+RMSE2Z（7）式中，n为总坐标个数。3精度分析实测检测点数据与两种方法获取的数据对比结果如表1所示，可以看出，方法1得到3处危岩落石区的总RMSE分别为0.018 m、0.047 m和0.014 m，而方法2得到的总RMSE分别为0.047 m、0.078 m和0.340 m；采用方法1得到的危岩落石区1与危岩落石区2检测点的较差平均值与标准差小于方法2，方法1的精度优于方法2，但方法2也能取得较好的精度。实测检测点数据与从DSM提取的数据对比结果如表2所示，可以看出，采用方法1得到危岩落石区1与危岩落石区2表1检测点实测与两种方法获取的数值对比结果/m数据类型diffX平均值diffX标准差RMSEXdiffY平均值diffY标准差RMSEYdiffZ平均值diffZ标准差RMSEZRMSEXYZ危岩落石区1方法10.0030.0070.008-0.0050.0080.0090.0080.0090.0130.018方法20.0150.0080.0180.0150.0090.0180.0480.0090.0400.047危岩落石区2方法10.0010.0250.0250.0030.0200.0200.0020.0150.0340.047方法20.0120.0280.0310.0060.0300.0300.0400.0460.0650.078危岩落石区3方法1-0.0030.0070.008-0.0020.0100.0100.0020.0060.0060.014方法2-0.0960.0260.102-0.1080.0460.1180.2440.2600.3020.340143地理空间信息第21卷第3期检测点在Z方向上的较差平均值与标准差小于方法2，但二者相差不大；采用方法2在Z方向上也取得了较好的精度。在危岩落石区3，两种方法取得的数值对比误差较大，其原因在于，该处位置偏远，无人机飞行器个别时段RTK网络信号接收较弱，对后期数据处理产生了较大影响。总体而言，方法1的精度高于方法2。表2检测点实测值与从DSM提取的数值对比结果/m数据类型diffZ平均值diffZ-SDRMSEZ危岩落石区1方法10.0100.0380.040方法20.0500.0380.060危岩落石区2方法10.0250.0560.060方法2-0.0020.0700.070危岩落石区3方法1-0.0200.0200.030方法20.2200.0950.2574结语1）PPK技术结合sUAS适用于危岩落石区等范围较大且危险区域的检测和研究。2）方法 1 比方法 2 获得的数据精度更高，但后者仍具有较好的精度和可靠性，可满足实际工作需要。3）方法2在偏远、RTK网络信号接收较弱的工作区会有较大偏差，需布设地面控制点验证结果。参考文献1Giordian D，ManconiA，FacelloA，et al.Brief Communi-cation:The Use of Unmanned Aerial Vehicle in a RockfallEmergen