基于無人機遙感在水利工程測繪中的應(yīng)用

楊培鳳

(大連水利測繪公司，遼寧 大連 116019)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及國家對現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略推進，水利工程在促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展中起著舉足輕重的作用[1]。水利工程測繪作為工程建設(shè)的先行者，為水利工程設(shè)計與建設(shè)及時提供準確、詳實的測繪數(shù)據(jù)；現(xiàn)階段，全站儀、GPS RTK實地測量在效率上不能滿足新形勢下水利測繪工作的要求[2]。無人機具有機動靈活、高效快捷的特點，目前已廣泛應(yīng)用于國家重大工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急與處理、國土監(jiān)測、資源開發(fā)等方面。無人機遙感具有靈活性強、分辨率高、時效性高、成本低等特點，大大的減輕了外業(yè)工作人員的工作量，同時提高了作業(yè)效率及降了低工程建設(shè)成本，充分發(fā)揮了其特有的技術(shù)優(yōu)勢。

1 無人機遙感

1.1 無人機飛行平臺

無人機遙感(Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing )，即利用先進的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化、智能化、專用化快速獲取國土資源、自然環(huán)境、地震災(zāi)區(qū)等空間遙感信息，且完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù)，其特點為：

1)可在云下低空飛行，彌補衛(wèi)星遙感和普通航空攝影在有云覆蓋地區(qū)上空不能有效采集數(shù)據(jù)的缺陷。

2)采用無人機作為飛行平臺，數(shù)據(jù)采集成本比航天航空遙感平臺低。

3)采用數(shù)碼相機作為傳感器采集數(shù)據(jù)，采集速度快，影像質(zhì)量好，地面分辨率高(可達1-3cm)。

4)無人機遙感平臺機動性強，適應(yīng)性高，在較小的場地就可以實施起降作業(yè)，對天氣條件要求較低。

由于這些技術(shù)優(yōu)勢，中國對無人機系統(tǒng)的研發(fā)非常重視，并已取得了一系列技術(shù)上的突破，在各行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

本項目采用的燃油固定翼無人機，搭載5D markⅡ高分辨率數(shù)碼相機，利用地面控制系統(tǒng)實現(xiàn)航線規(guī)劃、飛行控制、自動拍攝等功能。無人機的具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 無人機性能指標參數(shù)表

1.2 拍攝相機

無人機因受其本身荷載限制，不能承載專業(yè)航攝相機，只能采用性能較好的民用數(shù)碼相機；由于民用數(shù)碼相機內(nèi)方位元素不穩(wěn)定，且存在明顯的鏡頭畸變差，如果直接用空間后方交會來計算相機的外方位元素，精度會很差，這與攝影測量成圖直接相關(guān)，因此，內(nèi)方位元素和畸變差是相機鑒定的主要項目[3]。在飛行起飛、降落時以及運輸過程中有震動，相機參數(shù)發(fā)生有較大變化，為保證后處理數(shù)據(jù)的精度，通常在飛行前要對相機進行檢校，本次飛行的檢校參數(shù)見表2。

表2 相機參數(shù)

2 無人機遙感在工程中的應(yīng)用

2.1 作業(yè)區(qū)域

文章以太平鎮(zhèn)西部一條河流為研究區(qū)域，該河道形狀規(guī)則，測量范圍為沿河200m內(nèi)，測量面積約0.9 km2。測區(qū)內(nèi)地勢呈南高北低，河道兩側(cè)地物簡單，多為農(nóng)田和草地，測區(qū)范圍如圖1所示。

2.2 航線設(shè)計

因項目的成圖比例尺為1:1000，故設(shè)計航攝比例尺為1：4000，地面高度為260-280m，飛行高度1000m，航拍間距65m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為60%，影像地面分辨率(GSD)約為5cm，同時根據(jù)測區(qū)形狀規(guī)則，航線設(shè)計與河道總體方向一致，飛行3條航線，210個像對。為避免飛行過程中受到側(cè)風(fēng)的影響，飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，出現(xiàn)航攝漏洞，故加大航向和旁向重疊度。

2.3 飛行數(shù)據(jù)快拼檢查及像片控制測量

本次飛行共獲取213張影像，影像清晰、色彩飽滿、反差適中。使用飛行日志中的POS數(shù)據(jù)，使用PHOTOSCAN軟件進行快速拼接，經(jīng)檢查無航線漏洞，各項指標與設(shè)計要求基本一致。

根據(jù)飛行情況和規(guī)范要求設(shè)計像控點布設(shè)方案，按照區(qū)域網(wǎng)布點，間隔4-6條基線布設(shè)一對像控點。因像片航向重疊較大，像控點一般布設(shè)在6-8°重疊的范圍內(nèi)，航線首尾≥4°重疊，且采用雙點布設(shè)。像控點選取在明顯地物上，要求影像清晰、易于判讀，同時要便于測量。本區(qū)域共選取42個平高點和12個檢查點。

圖1 測區(qū)范圍

2.4 空中三角測量

空中三角測量也稱空三加密，是利用攝影測量解析法確定區(qū)域內(nèi)所有影像的外方位元素[4]?？罩腥菧y量是影像后期處理的關(guān)鍵步驟，它利用少量地面控制點來計算一個測區(qū)中所有影像的外方位元素和所有加密點的地面坐標。本項目采用INPHO軟件的MATCH-AT模塊進行空三加密。

因本次飛行所用相機存在較大鏡頭畸變，為保證后續(xù)生產(chǎn)的精度，在進行空中三角測量之前，根據(jù)表1中給定的參數(shù)對原始影像進行畸變矯正。

空中三角測量需要準備的數(shù)據(jù)有畸變矯正后的影像、POS數(shù)據(jù)、相機參數(shù)文件、控制點文件等。軟件根據(jù)POS數(shù)據(jù)對航線進行排序，經(jīng)過影像金字塔創(chuàng)建、連接點自動匹配、粗差剔除后，手動加入測量控制點，進行解算，再根據(jù)連接點及控制點的誤差，調(diào)整其點位，最后進行區(qū)域網(wǎng)平差計算。經(jīng)過區(qū)域網(wǎng)平差計算，基本定向點的平面中誤差為0.084m，高程中誤差為0.114m；檢查點的平面中誤差為0.102m，高程中誤差為0.143m；加密精度達到《CH/Z 3003-2010 低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》中精度指標要求，可提供給下一道工序生產(chǎn)。提供的空中三角測量成果有影像的外方位元素、內(nèi)方位元素、加密點坐標以及相機參數(shù)等。

2.5 數(shù)字高程模型DEM與數(shù)字正射影像DOM制作

空中三角測量完成以后，使用INPHO軟件中的DTMaster模塊生成DSM，再通過MATCH-T模塊提取DTM，生成DEM數(shù)據(jù)。DEM的精度滿足于正射影像影像糾正即可，參照《CH/T 9008.2-2010 基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶5001∶10001∶2000數(shù)字高程模型》中數(shù)字高程模型精度指標中的三級丘陵地指標執(zhí)行，網(wǎng)格間距為1.0m×1.0m，高程值取位至0.01m。在DEM制作過程中，對點云進行編輯時，采用彩色點云模式，將匹配的DSM中的建筑物、高植被表面的點剔除，防止正射影像DOM出現(xiàn)扭曲變形現(xiàn)象，從而影響精度。

數(shù)字高程模型DEM生成以后，使用INPHO軟件中的OrthoMaster模塊對影像進行單片糾正，然后使用OrthoVista模塊對單片的正射影像進行鑲嵌、勻光勻色、分幅輸出處理。本次生產(chǎn)的DOM地面分辨率為0.1m，不用分幅輸出，生成一幅DOM。使用OrthoVista模塊圖象處理工具對影像進行無縫拼接，拼接線不得通過建筑物、橋梁等，須在圖象重疊處仔細挑選，以便色調(diào)變化和拼接痕跡降到最低。

通過DOM上量測明顯地面點與外業(yè)實測明顯地面點對比，最大平面誤差為0.341 m，最小平面誤差為0.060 m，平均誤差0.194 m,滿足《CH/T 9008.3-2010 基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果 1：500 1：1000 1：2000 數(shù)字正射影像圖》中平面位置精度要求。

2.6 數(shù)字線劃圖DLG制作

數(shù)字線劃地圖DLG的采集部分在MapMatrix軟件下進行。將INPHO格式的空三結(jié)果進行轉(zhuǎn)換成MapMatrix軟件識別的格式，所需的數(shù)據(jù)有畸變后的影像、外方位元素、內(nèi)方位元素、加密點坐標以及相機參數(shù)等，在MapMatrix軟件建立工程，導(dǎo)入所需的數(shù)據(jù)，對影像進行數(shù)碼內(nèi)定向，創(chuàng)建立體模型后，進入FeatureOne模塊進行數(shù)據(jù)采集；采集線劃時可采用加載實時核線和原始像對兩種模式。因無人機獲取的影像自身的缺陷，采集時注意盡量使用模型中間位置，并注意保持模型切換，以免造成模型間地物接邊出現(xiàn)問題。為保障成圖精度，可將空三加密時所用的外業(yè)控制點導(dǎo)入到模型中，進行檢核，若無問題，即可進行采集。

采集通常分為地物要素采集與地貌要素土質(zhì)采集。地物要素主要包括水系要素及其附屬設(shè)施、居民地及其設(shè)施、交通及其附屬設(shè)施、管線及其附屬設(shè)施等；地物采集時，立體看不清的地物以及地物有局部被遮擋時，應(yīng)對其進行標記，由外業(yè)實地進行補測調(diào)繪。地貌要素主要包括等高線、高程點等。高程點的密度通常情況下為8-15個點，要先在一二類方位物及明顯地形變換處采集，其余的均勻分布即可；等高線采集時，根據(jù)地形類別確定等高距后，進行采集。由于本項目是水利工程用圖，對水系附近的地貌要求較高，采集時河流邊線以攝影時水位為準，河流邊線上每100m要采集一對水位點，河流兩側(cè)的陡岸每100-150m采集坎上、坎下高程。

采集的圖形數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單粗編輯，提供給外業(yè)人員，進行調(diào)繪及修補測工作。調(diào)繪的主要內(nèi)容有居民地名稱、道路名稱及等級、房屋建筑材料及層數(shù)、管線的類別及走向、植被類別等。修補測主要包括立體采集看不清的地物及攝影后變化的地物等。

地形圖編輯以采集的圖形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合外業(yè)調(diào)繪及修補測數(shù)據(jù)，按照《GB/T 20257 1-2007 國家基本比例尺地形圖圖式第1部分：1：500 1：1000 1：2000地形圖圖式》要求進行。

為檢測地形圖的精度，采用RTK全野外實測20個明顯地物點及15個高程點；經(jīng)檢核地物點的平面中誤差為0.325m，高程注記點中誤差為0.421m，精度滿足國家《CH/Z 3003-2010低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》中的精度指標。因本項目對高程要求較高，在河道兩側(cè)重點區(qū)域，通過外業(yè)全野外采集高程點的方式，加入到地形圖中并處理好相互關(guān)系，最終形成地形圖。

3 結(jié) 語

通過本項目的生產(chǎn)，證明了無人機遙感配合專業(yè)的應(yīng)用軟件適用于快速獲取小面積大比例尺地形圖和數(shù)字正射影像圖，具有方便、快捷、高效、成本低等優(yōu)勢。在實際應(yīng)用的過程中，無人機遙感的劣勢也顯現(xiàn)出來，如飛行時間短、荷載小、航片姿態(tài)不穩(wěn)定等問題，在數(shù)據(jù)后處理時，由于像片數(shù)量多、像幅面積小、航向和旁向重疊度大等原因，致使像控、空三、測圖工作量增大；同時由于基高比小，造成無人機獲取影像處理后的高程精度不高，即使能勉強達到規(guī)范要求的高程精度指標，但因其不穩(wěn)定，不能直接應(yīng)用于對高程精度要求高的工程項目。

隨著科技的進步，無人機航攝裝備水平也不斷地提高，在飛行時間、荷載量、飛行姿態(tài)穩(wěn)定性等方面都將逐步得到提升，同時后處理軟件針對無人機影像在算法和工藝流程上必將有較大進步，無人機遙感的劣勢將逐漸減弱，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)M一步拓展，從而滿足各類小面積工程測繪的需求。

[1]張大方．低空無人機遙感在水利工程測繪中的應(yīng)用研究[J] ．工程技術(shù)．2016，10(10)：103-104．

[2]穆宣社．基于地理空間大數(shù)據(jù)的應(yīng)急指揮輔助決策平臺研究[J]．測繪通報，2015(06)：93-96．

[3]鄧非，閆利．?dāng)z影測量實驗教程[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2012：27-31．