無(wú)人機(jī)航攝點(diǎn)云測(cè)圖技術(shù)在夾巖水利樞紐建設(shè)中的應(yīng)用與研究

徐子揚(yáng)

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,貴州 貴陽(yáng) 550002)

夾巖水利樞紐工程屬于Ⅰ等大(一)型工程，是一座以城鄉(xiāng)供水和灌溉為主、兼顧發(fā)電并為區(qū)域扶貧開(kāi)發(fā)及改善生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件的綜合性大型水利樞紐工程，主要由水源工程、畢大供水工程和灌區(qū)骨干輸水工程等組成，壩址位于長(zhǎng)江流域?yàn)踅患?jí)支流六沖河中游、畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)與納雍縣交界的潘家?guī)r腳處。夾巖水利樞紐工程是貴州省在“十二五”期間開(kāi)工建設(shè)的重點(diǎn)工程。在整個(gè)夾巖水利樞紐工程建設(shè)的階段中，快速、高精度地獲得相關(guān)規(guī)劃建設(shè)區(qū)域的大比例尺地形圖十分重要。而過(guò)去，水利工程的地形圖測(cè)繪工作往往以全野外工程測(cè)量的方式為主，由于貴州省山區(qū)植被茂密、地形高差大、地貌破碎等客觀原因的存在，水利工程又往往修建在人跡罕至的偏遠(yuǎn)山區(qū)，全野外測(cè)繪地形圖存在時(shí)間周期長(zhǎng)、效率較低、部分困難地區(qū)人力難以到達(dá)等劣勢(shì)。而隨著時(shí)代的發(fā)展，無(wú)人機(jī)、三維激光掃描儀等測(cè)繪新技術(shù)的引入為貴州水利工程地形圖測(cè)繪注入了新的活力。

無(wú)人機(jī)低空航空攝影測(cè)量技術(shù)為近些年來(lái)應(yīng)用較廣、發(fā)展較快的一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)，其具有效率高、時(shí)效性強(qiáng)、分辨率高、成本低等多方面優(yōu)勢(shì)。目前廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、林業(yè)、交通、水利、電力等行業(yè)。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展沉淀，從硬件上來(lái)講，飛行平臺(tái)越來(lái)越安全穩(wěn)定，從之前的固定翼和旋翼兩款主流機(jī)型，發(fā)展到現(xiàn)在更適合貴州山區(qū)的復(fù)合翼無(wú)人機(jī)；飛行獲取的數(shù)據(jù)精度也越來(lái)越高，從之前的機(jī)載GPS僅用于無(wú)人機(jī)的飛行安全定位，到現(xiàn)在后差分、PPP等各種優(yōu)化定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)；無(wú)人機(jī)的任務(wù)載荷設(shè)備也在不斷更新，從之前的小畫(huà)幅非專業(yè)的數(shù)碼相機(jī)到現(xiàn)在的飛思相機(jī)甚至小型激光掃描儀，可以說(shuō)無(wú)人機(jī)航攝的硬件技術(shù)日新月異。從內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理上講，無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)也經(jīng)歷了從之前的模仿大飛機(jī)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理的流程，到現(xiàn)在立體測(cè)區(qū)、點(diǎn)云測(cè)圖、傾斜攝影建模等多方向全方面的發(fā)展。而針對(duì)以?shī)A巖水利樞紐工程為代表的貴州水利工程的大比例尺地形圖測(cè)繪工作來(lái)說(shuō)，由于主流的無(wú)人機(jī)平臺(tái)載荷有限，無(wú)人機(jī)航測(cè)平臺(tái)所搭載的數(shù)碼相機(jī)鏡頭往往畸變較大，而貴州山區(qū)的弱紋理區(qū)也較多，導(dǎo)致通過(guò)傳統(tǒng)的立體成圖的方式，高程精度往往達(dá)不到水利工程建設(shè)要求。因而本文通過(guò)總結(jié)提出了一種無(wú)人機(jī)航測(cè)點(diǎn)云測(cè)圖的方式來(lái)解決水利工程大比例尺測(cè)圖高程精度的問(wèn)題。

1 無(wú)人機(jī)航攝點(diǎn)云測(cè)圖技術(shù)流程

傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)航攝立體測(cè)圖的方式是模仿大飛機(jī)攝影測(cè)量成圖的方式，外業(yè)航飛得到質(zhì)量較高的原始影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)業(yè)反復(fù)的空三，得到滿足立體測(cè)圖要求的內(nèi)外方位元素?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行立體成圖。而無(wú)人機(jī)航攝點(diǎn)云測(cè)圖的方式避開(kāi)的對(duì)空三結(jié)果的不斷調(diào)試，同時(shí)降低了對(duì)原始影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求(包括旋偏角等)，將數(shù)據(jù)處理的重心關(guān)注在了DSM(數(shù)字表面模型)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度上，減少了內(nèi)外業(yè)工作的時(shí)間。具體技術(shù)流程如下：

(1)飛前準(zhǔn)備工作。在對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行無(wú)人機(jī)航飛之前，首先要收集測(cè)區(qū)的資料，包括測(cè)區(qū)范圍、已有控制點(diǎn)成果、測(cè)圖高差地形起伏情況、植被覆蓋情況、空域情況、天氣情況等。然后制定工作安排計(jì)劃和航飛技術(shù)方案，確定本次項(xiàng)目所使用的無(wú)人機(jī)平臺(tái)和任務(wù)設(shè)備型號(hào)、本次航飛的地面分辨率、航向和旁向重疊度、飛機(jī)的絕對(duì)航高和架次數(shù)等。

(2)外業(yè)航飛和像控點(diǎn)布設(shè)。根據(jù)測(cè)區(qū)情況決斷是否先布設(shè)像控點(diǎn)再進(jìn)行外業(yè)航飛。如果需先布設(shè)像控點(diǎn)，根據(jù)航飛的地面分辨率確定像控點(diǎn)的尺寸，按照成圖分辨率和規(guī)范進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)。外業(yè)航飛選擇好起飛點(diǎn)，做好空域申請(qǐng)，根據(jù)測(cè)區(qū)情況分區(qū)域?qū)y(cè)區(qū)內(nèi)進(jìn)行無(wú)人機(jī)航飛，需同時(shí)注意無(wú)人機(jī)的安全性和影像的重疊度兩個(gè)因素。航飛結(jié)束后，通過(guò)相關(guān)軟件檢查原始影像和POS數(shù)據(jù)質(zhì)量，有無(wú)漏片情況，如果存在應(yīng)該及時(shí)補(bǔ)飛。

(3)內(nèi)業(yè)空三處理。主要包括收集原始航飛數(shù)據(jù)、通過(guò)多視影像密集匹配技術(shù)和光束法區(qū)域網(wǎng)平差等技術(shù)進(jìn)行空三處理，通過(guò)人工刺像控點(diǎn)得到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)成果，最終輸出高精度高密度的DSM點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(4)通過(guò)得到的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分別對(duì)測(cè)區(qū)的地形數(shù)據(jù)和地物數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)外業(yè)結(jié)合三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)繪補(bǔ)測(cè)，重點(diǎn)在于植被特別茂密和地形變化劇烈的區(qū)域，最終編圖成圖。

(5)完成大比例尺的地形圖成圖工作后，首先航測(cè)隊(duì)伍內(nèi)部先進(jìn)行一級(jí)檢查，查漏補(bǔ)缺后將成果提交質(zhì)檢部門(mén)進(jìn)行質(zhì)檢，質(zhì)檢合格后才能正常使用。

無(wú)人機(jī)航攝點(diǎn)云成圖的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)航攝點(diǎn)云成圖技術(shù)流程

2 測(cè)區(qū)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)選擇夾巖水利樞紐工程某一代表性區(qū)域，測(cè)區(qū)面積約5km2，成圖要求為1∶1000。測(cè)區(qū)最大高差約為300m，測(cè)區(qū)內(nèi)部分區(qū)域植被茂密，瑣碎地形較多，高差起伏較大，為典型的貴州山區(qū)地形。

本次實(shí)驗(yàn)采用CW- 20大鵬無(wú)人機(jī)搭載尼康D810單反相機(jī)完成外業(yè)航飛任務(wù)，累積飛行一個(gè)架次。本次實(shí)驗(yàn)使用的大鵬無(wú)人機(jī)采用后差分定位技術(shù)和相機(jī)坐標(biāo)中心改正技術(shù)，大大提高了航飛POS數(shù)據(jù)線元素的精度。航飛面積約20km2，采集影像1347張，航向重疊度在80%以上，旁向重疊度在60%以上，地面分辨率為9.8cm。影像清晰，航飛當(dāng)天天氣陰，光線較好。同時(shí)布設(shè)像控點(diǎn)20個(gè)，在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻分布。

內(nèi)業(yè)空三采用Context capture center軟件進(jìn)行處理，該軟件不同于傳統(tǒng)的攝影測(cè)量空三軟件，其引入計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，采用多基元、多視角影像匹配原理，通過(guò)少量的人工干預(yù)，快速、高效的獲取高精度、高密度的DSM點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)分成兩種方式進(jìn)行處理：一種通過(guò)RiSCAN PRO軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾提取，針對(duì)植被茂密區(qū)域通過(guò)設(shè)立10m×10m×10m的立方體提取最低點(diǎn)的方式和野外調(diào)繪補(bǔ)測(cè)減去樹(shù)高的方式結(jié)合得到關(guān)鍵地形點(diǎn)數(shù)據(jù),通過(guò)10m×10m×10m的立方體提取最低點(diǎn)方式是借鑒三維激光掃描儀點(diǎn)云處理方式，最大限度地自動(dòng)剔除植被對(duì)地形點(diǎn)采集的影響，但在一些植被特別密集的區(qū)域需要進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測(cè)得到真實(shí)地面點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，從而修正對(duì)應(yīng)區(qū)域的點(diǎn)云高程；另一方面，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入MicroStation v8i平臺(tái)采集特征地物，再將特征地物的拐點(diǎn)自動(dòng)提取出來(lái)參與生線。

最終進(jìn)行編圖成圖和質(zhì)檢輸出成果。通過(guò)外業(yè)采集的均勻分布于測(cè)區(qū)的80個(gè)檢查點(diǎn)與成果進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)得到檢查點(diǎn)的平面中誤差為0.14m，高程中誤差為0.29m。參考SL 197—2013《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》，見(jiàn)表1- 2。

通過(guò)表1、2可知，SL 197—2013規(guī)定的高山區(qū)1∶1000成圖中的地物點(diǎn)平面中誤差為0.8m，高程注記點(diǎn)中誤差為0.33m，則本次實(shí)驗(yàn)成果滿足規(guī)范要求。

表1 地形圖上地物點(diǎn)平面位置允許中誤差

注：1.水下地形點(diǎn)的平面位置測(cè)量允許中誤差可為規(guī)定值的2倍;2.隱蔽困難地區(qū)地物丶平面位置測(cè)量允許誤差可為規(guī)定值的1.5倍，但山地、高山地允許誤差為圖上±1.0mm;3.專業(yè)工程測(cè)量中的地形測(cè)量部分，其地形點(diǎn)平面位置測(cè)量允許誤差應(yīng)符合注1和注2的規(guī)定。

表2 高程注記點(diǎn)精度

注：1.h為基本等高距，m;2.山地、高山地采用10m等高距時(shí)，按5m等高距精度要求執(zhí)行。

3 結(jié)論與展望

本文驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)航攝點(diǎn)云成圖在夾巖水利樞紐等工程建設(shè)中大比例尺成圖的可行性。相比于傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)立體成圖的方式，該方法回避了無(wú)人機(jī)載荷相機(jī)鏡頭畸變較大、無(wú)人機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)定等問(wèn)題，充分利用了計(jì)算機(jī)視覺(jué)匹配技術(shù)來(lái)解決傳統(tǒng)攝影測(cè)量的難題，提高了無(wú)人機(jī)航測(cè)成圖在以?shī)A巖水利樞紐工程為代表的貴州山區(qū)測(cè)區(qū)的高程成圖精度，提高了工作效率。

但是在植被茂密且樹(shù)木高的區(qū)域，無(wú)人機(jī)航攝點(diǎn)云成圖仍然有其局限性。測(cè)區(qū)的茂密植被覆蓋越廣，外業(yè)需要調(diào)繪補(bǔ)測(cè)的工作量越大，測(cè)繪效率越低。但隨著測(cè)繪技術(shù)的日新月異，無(wú)人機(jī)機(jī)載小型三維激光掃描儀越來(lái)越安全和市場(chǎng)化，機(jī)載三維激光掃描儀的引入可以比較全面地解決山區(qū)茂密植被區(qū)域地面點(diǎn)采集的問(wèn)題。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，無(wú)人機(jī)航攝影像和機(jī)載三維激光掃描儀技術(shù)的結(jié)合會(huì)給大比例尺地形圖測(cè)繪工作帶來(lái)巨變。