低空攝影測量在水利工程中的應用

摘 要：近年來，在水利工程地形圖測量領域出現了一種先進的測量技術--低空攝影測量技術，該技術以其采集量大、時效性強、整體性高等優(yōu)勢在工程建設中得到廣泛應用。低空攝影測量技術能夠以非接觸的方式實現三維測量，適用于場地通行困難的水利工程測量。

關鍵詞：低空攝影測量；水利工程；應用

按照搭載測量裝置的飛行設備不同，攝影測量可以分為載人機航空攝影測量和無人機低空攝影測量，我國在高分辨率空間數據獲取方面仍然需要倚靠國外技術設備，現有的測量技術雖然能夠獲得基本的地理信息，但測量所用衛(wèi)星受其回歸周期、飛行高度的限制難以保證遙感數據的分辨率。而且攝影測量中的載人機航空攝影測量受氣候因素影響較大，機動性較差，測量成本相對較高，難以滿足三維信息采集要求，因此，無人機低空攝影測量因不受場地條件限制和高空管制具有廣闊的發(fā)展前景。

1 低空攝影測量概述

低空攝影測量指飛行高度在1000m以下的攝影測量，是一種理想的大比例尺地形圖影像獲取技術，對于城市規(guī)劃建設、施工用地設計具有重要意義[1]。雖然航空攝影測量較早用于小范圍內的城區(qū)規(guī)劃，但是相對無人機低空攝影測量來講成本較高，而且容易受地面建筑物的遮擋使細節(jié)輪廓成像不清晰，建模質量差強人意。鑒于此，為滿足現代化城市的快速發(fā)展要求，適時采用無人機低空攝影測量技術取代航空攝影測量已成為業(yè)界普遍關注的問題。低空攝影測量過程一般需要由三個人協助完成，其作業(yè)流程為接受任務→設計航帶→組裝測試無人機→飛行測試（選擇場地→測定風速→飛前檢查→地面滑跑）→飛行航拍→降落→數據檢查和預處理[2]。

與傳統(tǒng)航空測量技術相比，低空攝影測量的技術優(yōu)勢主要體現在以下幾個方面：（1）精度高。傳統(tǒng)航空測量的精度只能精確到1m，由于低空攝影測量采用無人機進行低空飛行測量，飛行高度在50-1000m，因此能夠近距離接觸地面物體，精度范圍達到亞米級，遠遠高于傳統(tǒng)航空測量的精度范圍。（2）實時性強。無人機與載人機相比受天氣狀況的影響較小，可以實時采集數據信息，而且操作控制更加簡單，配套設施成本更低。（3）安全性高。無人機與載人機相比最突出的特點是無人駕駛，因此無需擔心發(fā)生墜機事件，無人機體積小，不需要專門的起降場地，經過短暫的準備即可升空飛行。（4）分辨率高。無人機所攜帶的高精度成像設備具有多角度攝影功能，能夠從多個角度獲取地面建筑物的紋理信息，有效彌補了其他航空測量技術受建筑物遮擋成像不全的缺陷。

2 低空攝影測量相關問題的處理

在應用低空攝影測量技術之前首先要明確幾個關鍵問題和技術，以確保實際應用過程的順利進行。

2.1 低空攝影測量外業(yè)

通過低空攝影測量精度分析可以得知，低空攝影測量中的飛行質量對內業(yè)質量和處理進度有直接影響，而主要影響因素包括航線平直度、色調均勻性、攝影平臺穩(wěn)定性等，良好的內業(yè)質量需要上述外業(yè)因素作為前提和保障[3]。

2.2 低空攝影測量定向

低空攝影測量定向結果由內定向、相對定向、絕對定向共同決定，內定向一般是采用批處理的方式進行像對，像對完成之后要著重檢查自動測量點的位置，以免因內定向點位置漂移而影響相對定向和絕對定向結果的精度。相對定向需要結合測量區(qū)域的實際情況設定好定向參數，同樣采用批處理方式，如果結果中兩張圖片的匹配度不夠可以重新設置定向參數，縮小同名點之間的間隔，如果仍然行不通則需檢查像對信息是否正確[4]。當測量區(qū)域像對的數量較多時一般需要查看精度報告，如果精度不符合要求需要結合定向點位置重新調整再次進行定向計算，指導滿足既定的精度要求。

2.3 基于低空攝影測量技術的DEM

DEM即數字高程模型，是用一組有序數值陣列表示地面高程的實體地面模型，是數字地形模型的一個重要分支。在低空攝影測量中，影響DEM質量和精度的因素主要有攝影比例尺、匹配效果、高程精度等，針對影響的因素不同，所采取的處理方法也有所不同[5]。航攝比例尺是影響DEM質量的首要因素，為提高模型精度應當根據測量區(qū)域的實際地形選擇比例尺，由于低空攝影測量的攝影位置較低，因此要保證比例尺的正確。為得到理想的DEM影像匹配效果，在陰影區(qū)、森林密集區(qū)、懸崖峭壁區(qū)處理之前都需要進行加點加線預處理。與載人機航空攝影測量所形成的灰度影像相比，基于低空攝影測量的DEM立體感更強，而且更易切準高程點，可以說，高程點切的越準，DEM的精度就越高。

2.4 基于低空攝影測量的DOM

DOM即文檔對象模型，是W3C組織推薦的處理可擴展標志語言的標準編程接口。在低空攝影測量中，利用已經生成的DEM來手工拼接DOM的效果要遠遠高于灰度影像下生成的DOM，影響DOM精度的因素同影響DEM精度的因素大同小異，不外乎航攝比例尺、航片掃描質量、加密點精度等，但DOM精度還受到DOM精度的影響[6]。在制作彩色DOM的過程中影響制作效果的主要是鑲嵌影像反差問題，在實際操作中可以發(fā)現，第一航帶與相鄰航帶的影像反差較大，遠遠大于其他兩航帶之間的影像反差，影響整體效果，究其原因，可能是在航攝或圖像掃描過程中沒有處理好影像信息，因此，為了提高DOM制作質量，首先要保證數字影像的質量，其次還要嚴格處理鑲嵌好的影像，以免丟失一些重要的數據信息。

3 低空攝影測量在黃河寧夏河道水利工程中的應用實例

3.1 黃河寧夏河道概況

黃河寧夏河道位于寧夏回族自治區(qū)內，緯度在37°17′-39°27′之間，由于緯度差異，封河時和開河時的封凍、解凍方向差異使該河道容易發(fā)生洪水災害。開展黃河寧夏河道地形圖測繪的目的在于滿足黃河寧夏河道的綜合治理要求，便于水量調度、水資源管理、水質監(jiān)測、河道改造建設等各項工作的順利開展，為其提供準確詳實的地理信息。在黃河寧夏河道地形圖測繪中決定采用無人機低空攝影測量技術，采集必要信息后制作DEM和DOM，從而提供必要的技術支持。

3.2 測量過程與結果分析

結合黃河寧夏河道的實際地理情況決定最終的飛行區(qū)域長度為267km，飛行面積865km2，飛行高程為500m，具體測量流程參照上文流程。為檢查測量結果的準確性，同時在治理河段設置了60個控制點，采用實時動態(tài)控制系統(tǒng)進行測量，并將該測量結果與低空攝影測量結果進行對比，分析低空攝影測量結果的準確度。以QSDLO1點為例，控制點的計算值與測量值差值分別為：dx=0.097，dy=0.016，dz=0.157，完全滿足地形圖測量要求。

3.3 應用優(yōu)勢分析

從QSDLO1點控制點計算值與測量值差值結果可以看出，低空攝影測量完全能夠滿足工程測量的高精度要求，測量結果與實時動態(tài)控制系統(tǒng)測量結果差異較小，可信度較高。低空攝影測量的技術優(yōu)勢不僅體現在測量精度方面，而且還體現在測量流程上，傳統(tǒng)航空攝影測量工程流程復雜，工作效率低下，而低空攝影測量的影像偏角可以達到大傾角匹配要求，特殊的描述方法使匹配效率獲得顯著的提升，而且誤差參數單元劃分方法還可以自動識別出現誤差的參數單元，從而減少人工干預的工作量。在無人機低空攝影測量系統(tǒng)CPU中引入并進行計算，可以大大提高大型方程的求解率，便于無人機快速更新海量數據信息。因此，無論是在工作效率還是測量結果的精度方面，低空攝影測量都具有不可比擬的絕對優(yōu)勢。

4 結束語

低空攝影測量借助無人機完成地理信息的采集工作，無人機本身機動性強，自重小，無領空限制，受氣候因素的影響較小，而且可以快速起降，便于迅速獲取影像數據，工作效率大大提高，完全滿足水利工程的實際需求。低空攝影測量在黃河寧夏河道中的應用可以為河道綜合治理提供可靠的地理信息支持，大大提高了河道治理效果。

參考文獻

[1]王春生，楊魯強，王楊，等.無人機低空攝影測量系統(tǒng)在水利工程測量中的應用[J].測繪通報，2012，S1：408-410.

[2]王志良，付貴增，韋立偉，等.無人機低空遙感技術在線狀工程水土保持監(jiān)測中的應用探討--以新建重慶至萬州鐵路為例[J].中國水土保持科學，2015，4：109-113.

[3]肖波，朱蘭艷，黎劍，等.無人機低空攝影測量系統(tǒng)在地質災害應急中的應用研究——以云南洱源特大山洪泥石流為例[J].價值工程，2013，4：281-282.

[4]王湘文，于啟升，王雅鵬.無人機低空攝影測量系統(tǒng)在大比例尺地形圖中的應用[J].地礦測繪，2013，1：34-36.

[5]盧中陽，易霞.淺談低空無人機航空攝影測量在土地整治竣工驗收中的應用[J].河南科技，2013，9：16-17.

[6]林翔.低空數碼航空攝影測量在大比例尺地形圖測繪中的應用[J].科技創(chuàng)新導報，2011，17：142.