地形测量中无人机摄影技术与GPS-RTK测量技术应用对比分析

摘要

在地形测量中有各式各样测量工具和技术，在实际工作中也很多成功的测量技术，在工程应用中GPS-RTK测量技术和摄影测量中也已经有了广泛使用，随着科学技术逐渐成熟，在大范围地形测量中，无人机摄影测量技术在实际应用中离不开GPS-RTK测量技术的参与。如今无人机摄影测量技术和GPS-RTK测量技术在地形测量中都具有非常重要的地位，也在各个领域中有着广泛的实际应用，本文主要内容就是对无人机摄影技术与GPS-RTK测量技术在实际应用中的优缺点进行对比分析，探讨大范围地形测量中无人机摄影测量取代RTK作业的可行性，通过项目案例分析GPS-RTK与无人机测量技术原理作业方法，介绍GPS-RTK与无人机测量技术大面积地形图作业工作流程细节。

　关键词：地形测量；无人机摄影技术；GPS-RTK测量技术

1无人机测量技术与RTK技术原理

近几年来无人机测量和计算机处理航测软件技术的发展，无人机测绘作业也配备了GPS-RTK设备、专业的半画幅和全画幅相机，随着无人机摄影测量技术的日益成熟，是否能摒弃效率相对低下的RTK测量技术呢？本文将通过无人机摄影测量与GPS-RTK的技术原理及特点和工程测量中的实际应用的分析对比进行探讨。

　1.1无人机测量技术原理

无人机航测作业方法是通过机载飞控系统和无线电遥控设备进行作业控制的，航测作业是使用清晰的全画幅或半画幅设备相机，大面积测绘无人机类型有固定翼无人机，多旋翼无人机，机载测绘设备有激光雷达和数码相机，现有的航测技术分为两种，就是航空摄影测量技术和航空激光雷达（LiDAR）测量技术，有的需要配备地面控制站，如果有PPK惯导技术就不需要配备地面控制站，还需要配置高的计算机和各种航测处理软件如大疆制图、Pix4D capture Context Capture等。

航测无人机的飞行控制平稳系统和航线导航系统基本参数就是无人机飞行的角度和无人机飞行的姿态。航测一般的飞行状态测量的方法主要是以飞行航测惯性测量系统，由于复杂的硬件设备和系统设计以及较高的成本，在较长时间工作时候陀螺仪仍然还存在一定的累积差，现在出现一种新型的无人机航测模块技术，对比传统无人机姿态飞行控制测量系统，新型的无人机航测系统PPK惯导技术能够有效满足一般无人机飞行姿态的航测要求。

航测无人机以高像素测绘数码相机，轻型电子光学数码相机，激光扫描仪等雷达波段遥感技术设备为基础，和磁测量信息是通过仪器获得的，计算机是用来解决图像信息内容的，并且图像是按照一定的精度产生的。整个系统软件在设计方案和最优控制组成方面具有突出的特点。它是一种新的应用技术，集高空拍摄，远程控制，遥测技术，视频图像微波加热传输和电子计算机图像信息资源管理于一体。

　1.2无人机测量技术特点

无人机航拍测绘技术将低速自动驾驶机场用作空中的空中遥感，使用彩色加黑白，红外和航拍技术来拍摄天空图像信息数据；并使用大型计算机处理数据图像信息。整个软件系统在设计方法和最优控制合成方面具有突出的效果。它是一种集成了远程控制，遥感技术和电子信息技术的新应用方法。

无人机航测图像具有超清晰，规模大精度高，作业速度快的优点，它特别适合于获取区域复杂的高清航拍图像如公路，铁路，河流，水利枢纽，海域、电力线路、土地确权、房屋确权，施工监测、城市规划，古建筑、文物保护等，无人机航测小型轻便、低噪节能、智能化、像素清晰、便捷化、高效率更是无人机航拍的突出特点。

1.3 GPS-RTK测量技术原理

GPS卫星导航系统新技术应用的出现是测绘工程工作的一项创新，为测绘工程工作带来了极大的便利。它可以高精度，快速地测量每个参考点的坐标。必须稍后解决基本的GPS测量方法，例如静态数据，快速静态数据和动态精度测量，以获取度量分类的准确性。RTK是一种测量方法，可以在现场实时获得度量标准分类的准确性。载波通信相位差动态实时差分信号（Realtimekinematic）方法的选择是GPS使用中的一个重要里程碑。在良好的可见性标准的情况下，仅基于一定数量的标准参考点，甚至无需布置各种参考点就可以实现GPS-RTK的有效性。它可以测量地貌点，轮廓点，甚至在精确测量边界点的工作中，使用地图软件绘制野外一次性电子设备的地图，并勾勒出具有不同比例精度的各种地图。计算机，绘图仪和复印机的输出将是各种比例的精度图，在进行GPS-RTK技术的精确定位时，要求标准站接收器立即发送观测数据信息（例如伪距或相差观测值），并且实时将已知的数据信息（例如标准网站坐标）发送到流动站GPS接收器，在观测到多颗卫星后，可以实时地解算出厘米级的动态位置移动站坐标。GPS-RTK测量技术的运用为工程放样、地形图测绘以及各种控制点图根点测量带来了很大的便捷，也极大的提高了野外作业效率和质量,因此受到广大的测绘工作者的青睐。

GPS-RTK也可以被叫做波段通信的差分处理技术。可以实时显示指定平面上测量地方的三维坐标数据，而且还可以在半径30公里的测量范围内可以达到厘米的精度级别。高精确定位GPS-RTK精确观测一定使用相位差载波通信观测。

GPS-RTK精确固定技术基于相位差载波通信测量的实时精确动态定位方法，它可实时连接指定基站参考点中的三维定位坐标和固定数据结果，可以实现厘米的精度。在GPS-RTK作业模式下，参考站根据数据链将观测数据和测站点的坐标信息发送到移动站。移动站还可根据数据链接到来自基站数据信息，而且还收集GPS-RTK观测坐标数据信息，可在操作软件中变成差分信号观测值在进行并处理。另外它还可以获得差分准确的定位数据结果，固定观测时长不到三秒钟，移动站可以实静止的还可以实移动的；可在固定点上先连接蓝牙再进入移动作业，也能在流动的时候开机，也能在移动场景完成搜索固定。在所有末知数固定解后，就可以进行各个历元的数据解算分析，确保有四颗以上GPS-RTK定位卫星相位测量数据的时刻连接和必要的几何图形，流动站就可以随时计算出厘米级定位数据坐标。GPS-RTK观测技术主要在坐标处理方法和数据传输链接技术，GPS-RTK外业观测点时要求基站接收仪器实时地把观测坐标相位观测数据，伪距观测数据和已收到的数据实时传达给流动站接收机数据信息量大，测量设备通常内置波特率14400、9600，这一方法在无线电上很容易实现。

GPS-RTK作业定位有静态观测定位和移动状态定位两种观测方法，这两种测量方法相融合，在大范围工程测绘中可以应用图根点测量、控制点测量、碎部点测量、工程放样、建筑物变形监测等很多方面。

　2大范围地形图测量中无人机和RTK的应用

　　2.1无人机和RTK的应用

为了融合城市发展趋势的总体要求，应提供综合的自然地理和资源信息内容，无人机航测在地区和单位都参与了综合总体规划，荒野考古，土地整治和监督，农田水利和灌溉基础设施，基础设施建设，工矿企业，居民区，环境保护和生态文明建设，对于各种XX机构和新建立的经济开发区来说，新的信息数据和最清晰的地貌轮廓材料已成为至关重要的问题，无人机利用高清航拍技术，准确反映了古迹，新建邻里，立交桥，机场，地铁站及其土地资源的信息管理以及在该地区发现和发现的资源利用条件。

　2.2 GPS-RTK测量大范围地形图工作流程

　　2.2.1一般规定

（1）GPS-RTK测量适用外业数据测图，作业方法分为控制点测量和碎部点测量。

（2）地貌测量一般要求RTK操纵测量前，应依据每日任务需要，搜集测区高级基准点的国家点坐标、参心坐标、坐标系统变换主要参数和高程数据等，开展技术性设计方案。

（3）GPS-RTK测量可采用单参考站RTK和互联网RTK二种方式开展。在通讯信号差时，还可以采用后处理工艺动态性测量方式开展测量。

（4）有信号可以采用互联网RTK测量的地域，宜优先选择采用互联网RTK技术性测量。

（5）WGS-84经纬度坐标纪录精准至0.00001〞,平面坐标和高程纪录精准至0.001，无线天线高量取精准至0.001。

（6）GPS-RTK测量卫星状态对应表2-1：

41ca7a19a5904d009c81bc3f07199e99

　2.2.2主要技术指标

（1）GPS-RTK测量地形技术要求应满足下表2-2：

4bb714b04745867ecb9ab3d97b144985

　2.2.3控制点测量

（1）控制点标示宜采用木柱、铁桩或别的临时性标示，必需时可设计预制一定总数的标石。

（2）GPS-RTK导线点观测时，国家坐标系与当地坐标系的关联变换获得方法有在获得测区坐标系统变换主要参数时，能够立即运用已经知道的主要参数，在沒有已经知道变换主要参数时，能够自主求得，CGCS2000我国地面坐标系与参心坐标系（如1954北京市坐标系、1980西安市坐标系或地区单独坐标系）转换参数的解算，应采用不少于3个以上高等级起算点两套坐标系成果，能控制整个测区范围，所选起算点应分布均匀，参数转换应该根据测量区域范围具体情况，运用合理的三角函数模型方法，进行多个控制点坐标组合解算方式分别解算和择优，对解算点进行核实检验，GPS-RTK控制点测量参数转换的解算，不能用当场点校正和点平移的方法进行获取数据。

（3）流动站的高程差值可以采用四参数高程拟合法、以大地基准面模型内插等方法获取，也可以在测量现场用单点定位的方法获取，拟合参数及拟合大地水准面模型的精度根据项目生产精度要求来确定。

（4）GPS-RTK控制点平面控制测量技术方法，可以通过网络RTK的移动站应获取服务IP的授权,应在有互联网RTK的移动站服务项目地区内展开，并完成与服务监测中心的数据通讯,用数据采集仪器设定移动站的坐标参考系统变换主要参数，设定与参考站的通讯，GPS-RTK的移动站不适合在隐敝地区、大面积水域海域和强无线电波干扰信号附近作业测量，观测作业前应该对仪器蓝牙连接初始化，并且获得收敛固定解，当长期不可以得到收敛解时，应该断开数据链关机再重新开机进行初始化连接操作，每测完一次RTK移动站应重新开机初始化。

（5）工作全过程中，如出现卫星信号失锁，应再次关机重启初始化，并经重叠点精确测量检验达标后，方能再次工作，每一次测量作业前或再次架设参考站后，都应该找多个同级别坐标点或高级别坐标已经知道点进行校准，平面坐标差值不要大过5cm,GPS-RTK平面图基准点精确测量平面坐标变换差值不应超过±2cm,数据采集器设定参考点的一次观测的平面图收敛误差不应超过2cm。

（6）GPS-RTK平面图控制点测量移动站观测時间应选用两角架抚平对中，每一次观测历元数不应少于20个，测量停顿时间5秒至10秒，每次测得的平面坐标对比正负差值应不超2cm，各次测量的平面坐标应选平均数值做为最后的結果，开始测量时移动站应该在不动状态下观察10分钟左右并获得收敛固定解，在不浮动的状态下进行控制点测量。

（7）GPS-RTK控制点高程测量方法应满足一下几点：测量时GPS-RTK高程控制点的标记与GPS-RTK平面图控制点一起测量，标识点可以重合，但重合时应采用大头丁或圆头带十字丝的标志，GPS-RTK高程控制点测量时要求高程测量精度不可超过2厘米。

（8）RTK控制点高程测量应满足以下要求，见表2-3：

9dda2f36868395dfbc37d9b31b5d4d67

（9）GPS-RTK控制点测量高程误差不能大于10％基本等高距，平面坐标误差不能大于图上±0.07mm，控制点测量平面每次测得坐标误差不能大于0.1mm，高程数据每次测得应能大于10％最低等高距，各次测量成果应取平均值作为最终数据。

　2.2.4 GPS-RTK碎部点测量

（1）GPS-RTK碎部点精确测量时，国家坐标系统需要开具相关证明到相关单位购买国家控制点3个点以上，购买点分布位置尽量在测区，然后建立坐标系，还可以用测区现场用单点定位方式获取然后自己建立一个独立坐标系

统。

（2）GPS-RTK碎部点精确测量移动站测量时可选用仪器对中杆对中测量、平整，收敛状态下测量的历元数应超过3个以上。

（3）持续收集一组地貌碎部点数据信息超出50个点，应再次开展复位，并检核一个重合点，当检核定位点座标较弱不超图上0.5毫米时即可再次精确测量工作。

　2.2.5采集数据处理方法与核查

（1）GPS-RTK地形测量野外测得的测量数据应该立刻从仪器里导出来处理，还要备份原始数据。

（2）GPS-RTK野外地形测绘外业的纪录所得的数据选用仪器设备自带的SD内存卡,新建项目目录采集数据导出数据有，新建立的坐标系名称、差值、平移参数，参考站点数据、移动站数据、天线高、测量时间测量历元、流动站平面坐标点、高程固定解精度、平面坐标和高程坐标数据等。

（3）用GPS-RTK测得的控制点高程点成果应该做100%数据核查工作不少于总数据的10%的外业核查比对，外业检测选用相对级别的三角高程、几何图形水准测量等方式开展，其检测点应分布均匀测区，导出来的成效数据信息在电子计算机选用相关的成图软件编辑成图。

检测结果应满足下表2-4：

887dac5a8e7747a70a6e64656d7d538e

　第3章结论

由此可见大范围地形测量中无人摄影测量技术实际应用过程中离不开RTK的参与，如像控点的布设，但是相对于RTK碎部点测量，无人机航空摄影测量效率更高，人工成本低外业工作量更少，更具优势。

大范围地形测量无人机技术离不开RTK技术的参与与配合,无人飞机拍摄测量技术在大比例尺精度地图中的应用不但可以减少测绘工作中的资金投入，减少测绘周期时间，更关键的是可以自主创新测绘技术方法，填补传统式测量和航空摄影测量的不足，提高数据采集的高效率与精确度，促进工程项目测量的高发展趋势，伴随着无人飞机航摄技术的持续完善，续航能力延长、航行可靠性、小像幅等缺陷也将逐渐获得改进，具备更宽阔的应用前景和优点。GPS-PTK技术在地貌测量中拥有过多的运用,低成本高精度应用灵便，在测量中具备无可取代的优点，可是并非全部的测量都可用，在不一样的测量中应当挑选适合的测量方式。

致谢

非常感谢XXX老师在我大学的最后学习阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，给了我耐心的指导和无私的帮助，感谢所有任课老师，正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意。

　参考文献

[1]刘芃，《浅述无人机测量技术在地形测量方面的应用前景》，中国高新区,2018年,02期

[2]黄春丽,《RTK和全站仪相结合的技术在城市测量中的应用》,黑龙江科技信息,2011年.08期

[3]王瑞民，《GPSRTK技术在地形测量中的应用》，中国科技博览，2014年,01期

[4]刘志勇,《GPS-RTK技术在不动产更新测绘中的应用》,华北自然资源,2022年,01期

[5]胡明，《GPS-RTK技术在数字化地形测量中的应用》,华北自然资源,2021年,05期

[6]沈泉飞、潘九宝、王玮、孙长奎，《小型无人机在大面积1∶1000数字化航测中的应用》，现代测绘，2020年，43期书籍类：

[7]肖学年、岳建利、张鹏、宋耀东，《全球定位系统(GPS)测量规范》，国家基础地理信息中心，2009年，GBT18314，

[8]兀伟、邓国庆、肖学年、王占宏、马聪丽、蒋红兵，《数字航空摄影测量测图规范第1部分：1：50001：10000数字高程模型数字正射影像图数字线划图》，国家测绘局测绘标准化研究所、国家测绘局第一大地测量队、国家测绘局第三航测遥感院，2011年，04版