無人機低空攝影測量技術(shù)在農(nóng)村飲水安全項目中的應(yīng)用研究

崔居峰，謝 振

（山東省淄博市水利勘測設(shè)計院，255020，淄博）

一、背 景

攝影測量技術(shù)是指通過影像研究信息的獲取、處理、提取和成果表達的一門信息科學(xué)，主要任務(wù)是對地觀測，可作為各種比例尺的地形圖和專題圖測繪手段，能夠建立地形數(shù)據(jù)庫，并儲備擁有地理信息的影響資料，除了在測繪中應(yīng)用，還廣泛用在城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測與保護、災(zāi)害評估、資源探測與開發(fā)等各個領(lǐng)域，能夠快速、大面積獲取影響及地理信息，是眾多領(lǐng)域首選的技術(shù)手段。

傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)對硬件要求高，航線申請周期長，為攝影測量的發(fā)展帶來眾多阻礙，隨著低空無人機測繪技術(shù)的發(fā)展，攝影測量技術(shù)有了新的發(fā)展活力。低空無人機測繪技術(shù)除具有傳統(tǒng)攝影測量功能外，還有生產(chǎn)周期短、飛行申請備案簡便，技術(shù)設(shè)計靈活、能夠針對各種面積及地形設(shè)計測量方案，生產(chǎn)成本低、能夠為更廣泛的用戶提供服務(wù)等優(yōu)點。本文研究低空無人機測繪技術(shù)在農(nóng)村飲水安全項目中的應(yīng)用，分析了無人機低空攝影測量技術(shù)在水利工程中管線工程的應(yīng)用。

項目區(qū)位于山東省淄博市博山區(qū)博山鎮(zhèn)盆泉村，村莊背靠五陽山，淄河穿村而過，全村1 050戶3 445人，測區(qū)面積約0.68 km2。為了解決全村人口飲水困難，特開展此項工程。項目利用盆泉村現(xiàn)有兩處水井作為水源，選擇維修使用現(xiàn)有村外水池和山坡高位水池作為儲水容器，通過埋設(shè)供水管線的方式向全村各戶提供飲用水。為了滿足設(shè)計需要，擬對全村進行管線測量。對于較小的村莊，使用傳統(tǒng)的GPS方式測量全村管線圖，但是對于如盆泉之類的大村，其依山而建且村內(nèi)道路復(fù)雜，使用傳統(tǒng)測量方式不利于采集到足夠的數(shù)據(jù)，不利于選線、布線的優(yōu)化設(shè)計，故采用淄博市水利勘測設(shè)計院天寶UX5無人機作為此項目測量手段。

二、項目設(shè)計

①測區(qū)范圍設(shè)計。以覆蓋全村居民地為目的，兼顧供水管線需要，本測區(qū)航攝面積為3.9 km2。所有居民地及管線涉及區(qū)域全部覆蓋。

②相對航高設(shè)計。根據(jù)工作經(jīng)驗，利用Google Earth作為相對航高設(shè)計數(shù)據(jù)來源，根據(jù)Google Earth地形數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并放寬相對航高安全值100以上。測區(qū)最低高度為310m，最高高度為530m，相對高差220m。

表1 像控點精度分析表

圖1 項目CAD格式管線平面圖

使用測區(qū)最大高差值，并擴大安全系數(shù)，取350m作為相對航高，以確保飛行安全。如果相對航高過大，則不能達到影像分辨率的要求。

③航線設(shè)計。本項目采用航向重疊率85%、旁向重疊率80%，確保內(nèi)業(yè)解算能夠順利進行，提高點位精度。航向重疊率的取值直接影響相機快門設(shè)置，如果航向重疊率高，而快門速度慢，則會產(chǎn)生漏采相片的狀況。

三、航測外業(yè)

1.像控點布設(shè)

像控點需要布設(shè)在測區(qū)外圍及中心位置，并且能夠反映測區(qū)高差變化。根據(jù)現(xiàn)場踏勘，在村莊外圍布設(shè)4個像控點，在村莊中心即小學(xué)位置布設(shè)了一個像控點，用油漆制作標靶圖形。

2.執(zhí)行飛行任務(wù)

在天地圖或者Google Earth中大致選擇好起飛、降落場地后，需要通過現(xiàn)場踏勘確定場地。本無人機采用機腹滑行著陸，需要選擇土質(zhì)松軟、四周空曠、盤旋位置無高山及高大建筑物、降落路線無障礙物的位置。

四、成果應(yīng)用

航測外業(yè)成果包含相片文件、航跡文件及控制點坐標文件。內(nèi)業(yè)處理采用UASmaster，自動化程度高，人工干預(yù)少，能夠得到優(yōu)秀的正攝影像圖、DEM模型及點云文件。在農(nóng)村飲水工程中，使用正攝影像圖和DEM即可滿足設(shè)計需求。

1.供水管線選線

管線選取遵循滿足供水、造價合理、利于施工、便于管理的原則布設(shè)。一方面充分聽取村民意見，另一方面通過實地踏勘、影像分析、坡度分析確定選線最終方案。影像圖見圖1。

結(jié)合上述正攝影像以及DEM制作的高程分層設(shè)色圖和坡度圖，可以為管線設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

2.管線圖繪制

管線圖首先在GIS軟件中根據(jù)管線經(jīng)過的土質(zhì)情況分層繪制，結(jié)合DEM采集管線關(guān)鍵點高程數(shù)據(jù)，最終輸出為CAD格式管線圖。

3.精度分析

對所布設(shè)5個像控點進行了精度分析，見表1。由表1可以看出，無人機測量精度滿足1∶1 000比例尺精度要求。

五、結(jié) 語

本項目外業(yè)布設(shè)像控點及航攝共計用時3小時。僅僅半天就完成了用GPS方法測量需要2天的工作量，并為管線設(shè)計提供了大量的數(shù)據(jù)。這是傳統(tǒng)測量方法無法比擬的，節(jié)約了大量工期，提高了管線設(shè)計的科學(xué)性、嚴謹性。

在農(nóng)村飲水安全工程的管線布設(shè)中，筆者通過正攝影像圖與DEM結(jié)合利用，直接進行了管線布設(shè)及成圖，而不必經(jīng)過航空攝影中立體采集步驟，是本項目節(jié)約工期的關(guān)鍵技術(shù)，既得到了管線平面圖，又提供了管線關(guān)鍵點高程信息。這種方法在水利規(guī)劃、農(nóng)業(yè)灌溉、油氣輸送等工程中尤為適用。但是在河道工程中，需要詳細地形圖數(shù)據(jù)，此類方法則不能滿足大量數(shù)據(jù)點采集的要求，還是需要通過立體采集完成內(nèi)業(yè)繪圖工作。 ■