航空攝影測(cè)量在水利工程地形測(cè)繪中的應(yīng)用

徐明明

（安徽創(chuàng)匯土木工程有限公司，安徽蚌埠 233000）

0 引言

在水利工程測(cè)繪的過(guò)程中，有很多工作的精度非常高，因此非常復(fù)雜，用傳統(tǒng)方法進(jìn)行測(cè)量消耗的時(shí)間非常多，同時(shí)還需要大量的人員一起進(jìn)行工作。這是采用航空測(cè)量技術(shù)就可以簡(jiǎn)化工作，使這一項(xiàng)工作的整體難度大幅降低。通過(guò)使用飛機(jī)作為測(cè)量架，簡(jiǎn)化了整個(gè)測(cè)量過(guò)程，并且由于測(cè)量難度低并且測(cè)量時(shí)間短，因此大大降低了測(cè)量成本。

1 技術(shù)介紹

20世紀(jì)中國(guó)就成立了專(zhuān)業(yè)的航空測(cè)量團(tuán)隊(duì)，它最初是由當(dāng)時(shí)的國(guó)民黨政府建立的，用于獲取中國(guó)各個(gè)部門(mén)的地形圖[1]。1949年以后，由于中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，它開(kāi)始在各個(gè)方面增加投資。由于其良好的應(yīng)用效果，航空測(cè)繪在水利工程和其他調(diào)查中發(fā)展迅速。在1990年之前，各國(guó)甚至繪制了兩比例的地形圖。一個(gè)是1:5000，另一個(gè)是1:10000，然后將測(cè)得的數(shù)據(jù)與地形圖進(jìn)行比較以獲得數(shù)據(jù)，從而形成地形數(shù)據(jù)庫(kù)。到目前為止，原始地形圖已發(fā)展為當(dāng)前的三維城市電子地圖。這些技術(shù)的發(fā)展幫助了中國(guó)的技術(shù)創(chuàng)新，并進(jìn)入了數(shù)字時(shí)代。例如，在Western Mapping Project中使用攝影技術(shù)就是一個(gè)非常明顯的例子。

大量的工程地形測(cè)繪結(jié)果表明，通過(guò)航空攝影測(cè)量，可以避免衛(wèi)星遙感技術(shù)易受外界氣候變化，地形和其他測(cè)繪因素的影響[2]。這一問(wèn)題航空攝影技術(shù)就可以對(duì)其進(jìn)行解決。工作人員可以隨時(shí)設(shè)置特定的拍攝路線，這大大縮短了測(cè)量周期，并確保了水利工程設(shè)計(jì)，施工，運(yùn)行和維護(hù)管理中地形圖數(shù)據(jù)的及時(shí)性要求。圖像控制點(diǎn)的布局是航空攝影測(cè)量的先決條件，布局效果直接決定測(cè)量的準(zhǔn)確性和質(zhì)量[3]。

2 主要技術(shù)

2.1 動(dòng)態(tài)測(cè)量

RTK是GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)的縮寫(xiě)。具體來(lái)說(shuō)就是可以獲得更高精度的定位方法，具體方法如下：基站在工作過(guò)程中需要設(shè)置一個(gè)GPS接收器來(lái)轉(zhuǎn)換高度，坐標(biāo)等地理信息，并以參數(shù)形式輸入流動(dòng)站的相位控制。衛(wèi)星信號(hào)將在基站和流動(dòng)站之間傳輸，因此控制手冊(cè)可以及時(shí)處理數(shù)據(jù)。另外，把預(yù)定好的時(shí)間與實(shí)際進(jìn)行比較，再通過(guò)系統(tǒng)的測(cè)量，可以改進(jìn)所得到的時(shí)間表。測(cè)量的高度，坐標(biāo)和進(jìn)度必須同時(shí)記錄在手冊(cè)中。其工作原理是在測(cè)量被測(cè)位置時(shí)，有必要根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)位置進(jìn)行空間切割。

在航空攝影測(cè)量的過(guò)程中主要采用無(wú)人機(jī)技術(shù)，大量的無(wú)人機(jī)構(gòu)成飛行網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。合理、科學(xué)、規(guī)范的路由網(wǎng)絡(luò)可以大大縮短測(cè)量周期，提高測(cè)量精度。必須確保路徑末端的上下控制點(diǎn)以相同的方式排列，然后使用主點(diǎn)將上下控制點(diǎn)設(shè)置在同一條直線上。根據(jù)道路水利工程地形調(diào)查區(qū)的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)保證重疊部分不少于80%，水平重疊部分不少于70%。

2.2 基本作業(yè)技術(shù)

圖像控制點(diǎn)的布局完成后，將使用航空攝影測(cè)量技術(shù)來(lái)測(cè)量水利工程淹沒(méi)的被測(cè)物體的高度。淹沒(méi)調(diào)查的準(zhǔn)確性是水利工程地形圖調(diào)查的核心環(huán)節(jié)，對(duì)調(diào)節(jié)水庫(kù)的正常儲(chǔ)水量具有重要影響[4]。因此，高程測(cè)量的誤差需要控制在±10cm之內(nèi)。如果水利工程的坡度較小，則高程測(cè)量的誤差應(yīng)控制在±30cm之內(nèi)。如果水利工程位于丘陵地區(qū)，則高層的測(cè)量誤差應(yīng)控制在±50cm之內(nèi)。在水利工程庫(kù)區(qū)的調(diào)查中，需要對(duì)1:2000地形圖進(jìn)行全面而系統(tǒng)的調(diào)查。通過(guò)這種測(cè)量方法，可以滿(mǎn)足水利工程淹沒(méi)調(diào)查的具體要求。在對(duì)庫(kù)區(qū)進(jìn)行地形圖測(cè)量的過(guò)程中，可以使用航空攝影測(cè)量的組合方法。對(duì)測(cè)量精度的要求是：誤差小于±20cm，并且仰角誤差也小于±20cm。水利工程地形圖基站的標(biāo)定是水利工程地形圖的重中之重。標(biāo)定站標(biāo)定的準(zhǔn)確性，不僅會(huì)影響航空攝影測(cè)量的精度和效率，而且還會(huì)帶來(lái)很多未來(lái)數(shù)據(jù)分析和處理上的矛盾。在特定的校準(zhǔn)過(guò)程中，可以使用以下兩種方法。①通過(guò)靜態(tài)數(shù)據(jù)獲取參考站某一點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并將航空攝影測(cè)量控制點(diǎn)的坐標(biāo)輸入手冊(cè)，以獲取水利工程的地形測(cè)量數(shù)據(jù)。然后，通過(guò)流動(dòng)站收集控制點(diǎn)的坐標(biāo)，并將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地形圖數(shù)據(jù)，從而為繪制地形圖提供數(shù)據(jù)支持；②調(diào)查和繪制水利工程中的一些特殊區(qū)域。如果找不到合適的控制點(diǎn)來(lái)布置參考站，則可以將參考站布置在該區(qū)域中相對(duì)平坦的位置。簡(jiǎn)而言之，它是一個(gè)虛擬參考站，它使用基站在設(shè)定點(diǎn)處收集數(shù)據(jù)。

在選擇基站時(shí)，應(yīng)該選擇一個(gè)離流動(dòng)站較近的地方?；九c流動(dòng)站之間的距離過(guò)于遙遠(yuǎn)，就會(huì)導(dǎo)致這種測(cè)量方法的初始化延長(zhǎng)，最終影響到測(cè)量結(jié)果。

3 具體應(yīng)用

3.1 校準(zhǔn)基站

目前基站的校準(zhǔn)方法主要有兩種，第一種就是收取已有的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)得出坐標(biāo)，之后直接在手冊(cè)中輸入坐標(biāo)，然后來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，并將每個(gè)流動(dòng)站上收集的地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)替換為相應(yīng)的地理參數(shù)。此方法適用于具有已知點(diǎn)的基站。收集在流動(dòng)站控制點(diǎn)測(cè)量的地理坐標(biāo)。該方法主要適用于隨機(jī)放置參考站的方法。為了使航空勘測(cè)具有一定的意義，對(duì)航空飛行質(zhì)量的要求主要包括以下幾點(diǎn)：照片的傾斜角度不能超過(guò)3°。一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，必須立即檢查攝影測(cè)量方法。為了用照片覆蓋整個(gè)測(cè)量區(qū)域，當(dāng)重疊程度小于最小限制時(shí)，適當(dāng)增加飛行距離以執(zhí)行飛行測(cè)量。在后處理中處理攝像機(jī)圖像時(shí)，必須控制路線圖像的曲率不超過(guò)3%。照片的旋轉(zhuǎn)角度不能超過(guò)6°，這是相框的框架與相鄰照片在同一方向上的停滯點(diǎn)之間的角度。

3.2 地形圖測(cè)繪

航空攝影測(cè)量的主要目的是通過(guò)正交投影圖像顯示地面中心投影圖像。有很多使用的方法，例如：分析方法、模擬方法等。執(zhí)行內(nèi)部工作時(shí)，必須嚴(yán)格加密映射控制點(diǎn)。常規(guī)的輻射三角剖分方法適用于平坦的地形，而丘陵和山脈等地形三角剖分方法的應(yīng)用是建立一種空中三角剖分方法。在野外作業(yè)時(shí)，請(qǐng)注意以下幾個(gè)方面：對(duì)光控點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量時(shí)，可以通過(guò)常規(guī)測(cè)量方法確定平面坐標(biāo)和標(biāo)記點(diǎn)的高程。地形，要素和其他元素由指定的地形圖符號(hào)繪制和注釋。未照相的和新添加的更重要的功能必須標(biāo)記為在調(diào)查中獲得的地名。在測(cè)量和繪畫(huà)時(shí)，可以使用三種方法：室內(nèi)、室外或兩者結(jié)合。

3.3 誤差處理

3.3.1傳感器錯(cuò)誤和處理

為了確保無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，通常需要在無(wú)人機(jī)中攜帶無(wú)線傳輸模塊。但是，無(wú)人機(jī)的負(fù)荷較小，只能安裝一個(gè)簡(jiǎn)單的傳感器模塊以延長(zhǎng)電池壽命，與現(xiàn)有設(shè)備相比，通信傳輸效果減弱。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生某些錯(cuò)誤，并且圖像數(shù)據(jù)經(jīng)常會(huì)失真。為了解決這些問(wèn)題，必須選擇最新的通信設(shè)備，盡管價(jià)格昂貴，但可以同時(shí)考慮小尺寸和高精度。另一種方法是增加無(wú)人機(jī)內(nèi)置存儲(chǔ)模塊的容量并臨時(shí)收集所收集的圖像數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)航測(cè)完成后，將其保存到存儲(chǔ)設(shè)備并直接導(dǎo)出圖像數(shù)據(jù)。這樣，無(wú)需傳感器的壓縮處理就可以保證圖像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.3.2無(wú)人機(jī)平臺(tái)的處理

在空中勘測(cè)期間，由于無(wú)人機(jī)在拍攝過(guò)程中被風(fēng)搖晃，在飛行過(guò)程中偏離預(yù)定路徑，或者拍攝角度不理想，導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)模糊并且分辨率很差。在這種情況下，采取的措施之一是選擇無(wú)風(fēng)，晴朗天氣的航測(cè)工作，以避免外部因素對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)工作的影響。第二項(xiàng)測(cè)量是結(jié)合使用智能導(dǎo)航和手動(dòng)控制模式來(lái)支持無(wú)人機(jī)飛行以獲得更準(zhǔn)確的圖像數(shù)據(jù)。第三種方式是安裝空中POS和GPS定位，以支持空中3次測(cè)量，并達(dá)到提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的目的。

3.4 發(fā)展趨勢(shì)

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它將在航空攝影測(cè)量領(lǐng)域提供更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。此外，無(wú)論是水管理工程測(cè)量，地籍測(cè)量與制圖，救災(zāi)等活動(dòng)，對(duì)無(wú)人機(jī)航空發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確性和信息反饋的及時(shí)性都有很高的要求，無(wú)人機(jī)航空測(cè)量技術(shù)必須不斷創(chuàng)新和完善。未來(lái)主流發(fā)展趨勢(shì)主要有兩個(gè)方面：①提高智能水平，目前仍然有許多當(dāng)前對(duì)航空勘測(cè)無(wú)效的數(shù)據(jù)，或者有很多重疊的圖像數(shù)據(jù)而圖像模糊。隨著無(wú)人機(jī)的智能水平進(jìn)一步提高，可以自動(dòng)調(diào)整曝光補(bǔ)償和拍攝角度以獲得更清晰的圖像數(shù)據(jù)；②無(wú)人機(jī)和設(shè)備（通信模塊、照相設(shè)備等）的小型化，這增加了航行時(shí)間并完成了更多的空中勘測(cè)工作，使其適合于大型水利項(xiàng)目的勘測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，根據(jù)目前該技術(shù)的發(fā)展情況來(lái)看，航空攝影測(cè)量進(jìn)行水利工程測(cè)繪中有著很重要的應(yīng)用，不僅可以提高水利工程地形測(cè)繪的精度，同時(shí)也可以減少工作量，目前我國(guó)的航空技術(shù)在不斷發(fā)展，水利測(cè)量技術(shù)也在不斷進(jìn)步，分辨率越來(lái)越高，及時(shí)性越來(lái)越好。這樣就使得水利進(jìn)行測(cè)繪的過(guò)程中得到的測(cè)量結(jié)果越來(lái)越符合實(shí)際情況，這對(duì)于水利工程的整體設(shè)計(jì)以及維護(hù)有很大的幫助，有利于我國(guó)水利工程的持續(xù)健康發(fā)展，通過(guò)研究這一技術(shù)我們可以發(fā)現(xiàn)，在未來(lái)隨著航空攝影測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這一技術(shù)可應(yīng)用的范圍一定會(huì)越來(lái)越廣，使更多行業(yè)實(shí)現(xiàn)進(jìn)步。