UAV航攝系統(tǒng)在水電工程大比例尺地形圖測量中的應(yīng)用

(中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024)

水電站通常選址在河流落差大、人煙稀少的山區(qū)地帶，交通條件差，作業(yè)環(huán)境惡劣，在測繪水電站工程區(qū)大比例尺地形圖時，傳統(tǒng)的結(jié)合全站儀和GNSS野外地形圖測量的作業(yè)模式工作量大、工期長,已經(jīng)不能滿足水電工程地形圖測繪對效率提高的要求。

近年來，隨著攝影測量相關(guān)理論的不斷完善和無人機的興起，無人機航攝系統(tǒng)迅速發(fā)展，作業(yè)效率不斷提升，所提供的影像分辨率不斷提高，無人機攝影測量系統(tǒng)逐漸被引入測繪行業(yè),進(jìn)行數(shù)字影像的采集和地形圖的更新。同時也為水電工程大比例尺地形圖的測繪提供了新的技術(shù)手段。

圖1 工作流程、方法和技術(shù)路線

雖然無人機因本身所體現(xiàn)出來的成本優(yōu)勢和便利性，使其在工程和生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是無人機航攝系統(tǒng)還存在一些缺陷。比如無人機航攝系統(tǒng)所搭載的非量測數(shù)碼像機因畸變差過大、像幅較小、基高比小，對影像數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理精度產(chǎn)生影響。另外，由于無人機機身往往較輕，易受氣流的影響，導(dǎo)致圖像航向重疊和旁向重疊度較小，影響了大比例尺測圖的精度。本文結(jié)合大型水電工程區(qū)1∶2000地形圖的無人機航空攝影測量實例，以水電測量規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，通過對比實地檢查點計算地形圖精度，分析和評價無人機航空攝影測量技術(shù)對水電工程大比例尺地形圖測繪的適用性。

1 無人機航攝系統(tǒng)組成

無人飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，是一種由無線電遙控裝置和自備的程序控制裝置或者由計算機完全地或間歇地自主地操作的無人駕駛飛機。

無人機航攝系統(tǒng)主要由無人機飛行平臺、飛控系統(tǒng)、非量測型面陣CCD數(shù)碼相機、地面監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、地面保障系統(tǒng)等組成。

2 無人機航攝系統(tǒng)繪制大比例尺地形圖的技術(shù)路線

在利用無人機航攝系統(tǒng)進(jìn)行地形圖測繪之前，應(yīng)首先要保證平臺所搭載的傳感器(非量測數(shù)碼相機)具有厘米級分辨率。另外，實際獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量能否滿足大比例尺地形圖測圖的要求，主要決定于無人機航空攝影數(shù)據(jù)獲取的過程，也就是航攝過程中攝區(qū)分區(qū)是否合理，地面分辨率、影像重疊度、攝影基面等是否符合要求，航線設(shè)計是否合理，是否嚴(yán)格執(zhí)行了無人機操控的相關(guān)要求，在數(shù)據(jù)獲取過程中，不但要保證獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量能滿足要求，也要保障無人機平臺和傳感器的安全。本文介紹了采用影像快速處理系統(tǒng)，以Pix4Dmapper軟件和VirtuoZo2014軟件對無人機影像進(jìn)行處理的生產(chǎn)流程，同時對外業(yè)像控點、空三像控點、空三加密點、地形圖質(zhì)量等主要環(huán)節(jié)的精度進(jìn)行評定。無人機航空攝影系統(tǒng)進(jìn)行大比例尺測圖的工作流程和方法及技術(shù)路線見圖1。

3 無人機測繪1∶2000地形圖實例

3.1 測區(qū)概況及測繪資料準(zhǔn)備

本次測繪作業(yè)的水電工程航攝測區(qū)面積13km2，該測區(qū)位于山東省濰坊市西南部臨朐縣境內(nèi)，測區(qū)內(nèi)主要有石河以及嵩山水庫。測區(qū)為山地，平均海拔約490m。

已有測區(qū)1∶10000矢量化地形范圍圖一幅和測區(qū)12個C級GNSS基本控制點。

3.2 航空攝影

在無人機航攝飛行前，首先要根據(jù)成圖需要計算飛行作業(yè)時的航飛參數(shù)，對無人機航攝路線進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，例如攝影比例尺的確定，航線間距的計算、航行速度的確定以及航行高度等航線設(shè)計參數(shù)的計算。本次航空攝影采用DM-150無人機、35mm定焦5DMark3相機，飛行場地條件良好，采用常規(guī)滑起滑降方式起降。正式攝影時天氣晴朗、測區(qū)能見度良好，有微風(fēng)。

3.3 航攝質(zhì)量檢查

本次航飛總航程80km，共拍攝照片650張。無人機飛行最大俯仰角3.1°，飛行最大滾轉(zhuǎn)角4.6°，達(dá)到最大像片傾角12°的要求。最大像片旋偏角2.1°，小于規(guī)范中規(guī)定的最大像片旋偏角小于6°，本次航攝也滿足規(guī)范中對像片的重疊度要求。航攝的像片紋理清晰，色調(diào)柔和，無云霧影響，滿足本次測圖任務(wù)的要求。

3.4 像控點布設(shè)與施測

3.4.1 布設(shè)原則及方法

本測區(qū)采用區(qū)域網(wǎng)布點法進(jìn)行像控點布設(shè)，像控點的布設(shè)能夠有效地控制住測區(qū)范圍，保證各航攝分區(qū)能有效地銜接沒有漏洞。全部像控點在航片拍攝之前布設(shè)并測量完成。像控點全部以平高點為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施測，總計完成像控點36個(見圖2)。

圖2 像控點基本位置分布

3.4.2 像控點測量

像控點測量主要采用架設(shè)雙基準(zhǔn)站GNSS快速靜態(tài)測量方法，聯(lián)測原有基本控制點。像控點觀測數(shù)據(jù)輔以原GNSS基本網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行整體平差解算。

3.5 數(shù)據(jù)處理

本次數(shù)據(jù)處理采用Pix4Dmapper無人機數(shù)據(jù)和航空影像全自動快速數(shù)據(jù)處理的軟件。能夠自動進(jìn)行影像畸變糾正，提供詳細(xì)的自動空三、區(qū)域網(wǎng)平差和地面控制點的質(zhì)量評定報告；快速自動生成DOM，并對正射影像自動進(jìn)行鑲嵌及勻色處理；專業(yè)精度高，可以達(dá)到5cm的精度。

自動處理完成后生成空三成果、DSM和DOM初步成果，通過調(diào)整拼接線、投影切換、混合影像對DOM編輯制作生成最終的正射影像成果(見圖3)。

圖3 正射影像成果

3.6 數(shù)據(jù)處理質(zhì)量和精度分析

數(shù)據(jù)處理質(zhì)量和精度分析主要是指對空三像控點殘差誤差、空三加密點誤差、自檢校相機誤差進(jìn)行分析評定。

3.6.1 空三像控點誤差

計算空三像控點誤差，見表1。

表1 空三像控點誤差統(tǒng)計 單位：m

由表1可得表2像控點殘差中誤差。

表2 空三像控點殘差中誤差 單位：m

3.6.2 空三加密點中誤差

計算空三加密點中誤差，見表3。

表3 空三加密點中誤差 單位：m

規(guī)范要求限差見表4。

表4 規(guī)范要求限差

綜合表2、表3、表4可得出結(jié)論：此次空三成果各項精度均滿足規(guī)范要求。

3.7 1∶2000地形圖制作

本文采用VirtuoZo2014軟件進(jìn)行立體數(shù)據(jù)采集，采用VirtuoZo2014引入PIX4D生成的空三成果創(chuàng)建立體模型，利用其中的IGS模塊數(shù)字影像測繪系統(tǒng)進(jìn)行立體數(shù)據(jù)采集。結(jié)合外業(yè)調(diào)繪資料，利用CASS9.1大比例尺圖形編輯軟件完成對地形圖的編輯。

4 無人機航攝系統(tǒng)大比例尺成圖精度分析

根據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》(GB/T 24356—2009)和《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》(GB/T 18316—2008)的要求對本項目工程區(qū)1∶2000地形圖(29幅)及索引圖(1幅)進(jìn)行了圖面檢查，并利用外業(yè)檢查點分別抽取了3幅了地形圖，進(jìn)行地形圖平面和高程的精度評定，占總圖幅數(shù)的10.3%，大于規(guī)范10%的要求。

4.1 地形圖平面精度評定

本次實地量測量共計102個平面檢查點，用來檢驗工程測區(qū)內(nèi)地形圖的平面精度，統(tǒng)計地形圖平面檢查點的平面精度(見表5)。

根據(jù)以上表中的縱橫坐標(biāo)差值ΔX、ΔY和點位差值數(shù)據(jù)，計算得出檢查點點位中誤差M為0.08m。根據(jù)《工程測量規(guī)范》(GB 50026—2007)中關(guān)于圖上點位中誤差的規(guī)定(見表6)，本測區(qū)屬于一般地區(qū)，按1∶2000比例尺計算，可得允許的點位中誤差的限差為1.6m，可知本次地形圖測量的點位中誤差滿足1∶2000比例尺地形圖的相應(yīng)精度要求。

表5 試驗區(qū)內(nèi)地形圖平面檢查點精度統(tǒng)計 單位：m

注M代表地形圖平面點位精度，n代表參與統(tǒng)計的檢查點個數(shù)，此表中值是102。

表6 圖上地物點的點位中誤差 單位：mm

4.2 地形圖高程精度評定

該項目工程區(qū)1∶2000地形圖共29幅，為了檢驗測區(qū)內(nèi)地形圖的高程精度，隨機抽取了3幅(占總圖幅數(shù)的10.3%，大于規(guī)范10%的要求)，利用外業(yè)實測檢查點進(jìn)行了內(nèi)業(yè)地形圖高程檢查(見表7)。

表7 1∶2000地形圖高程檢查統(tǒng)計 單位：m

通過對表7中高程中誤差進(jìn)行高程精度分析可知：檢測的高程平均中誤差為±0.68m；規(guī)范要求中誤差限差為2m；小于1倍平均中誤差的占99.02%；大于1倍小于2倍中誤差的占0.98%；大于2倍中誤差的為零，此地形圖高程精度滿足1∶2000地形圖的精度要求。綜合上述對地形圖平面和高程精度分析說明：工程區(qū)1∶2000地形圖精度滿足規(guī)范要求，成果質(zhì)量“優(yōu)良”。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合山東濰坊抽水蓄能電站1∶2000地形圖測繪項目，在對無人機航攝系統(tǒng)1∶2000地形圖制作深入研究的基礎(chǔ)上，通過精度分析得出基于無人機航攝系統(tǒng)所制作的1∶2000大比例尺地形圖的精度可以達(dá)到相應(yīng)規(guī)范要求，為運用無人機航空攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖提供了經(jīng)驗。但對于能否達(dá)到1∶1000以及1∶500的地形圖精度要求，仍然值得深入研究。