淺談無(wú)人機(jī)低空攝影在渦河河道帶狀地形測(cè)量中的應(yīng)用

張瑞紅

（河南省水利勘測(cè)有限公司，河南 鄭州 450008）

淺談無(wú)人機(jī)低空攝影在渦河河道帶狀地形測(cè)量中的應(yīng)用

張瑞紅

（河南省水利勘測(cè)有限公司，河南 鄭州 450008）

本文主要介紹無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)代航空攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，介紹無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量的作業(yè)流程，闡述無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量的特點(diǎn)、技術(shù)流程以及與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的比較。以生產(chǎn)項(xiàng)目為例，介紹河南省水利勘測(cè)有限公司在無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)方面的應(yīng)用，總結(jié)關(guān)于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的一些結(jié)論并提出一些建議。

無(wú)人機(jī)；航空攝影測(cè)量；航測(cè)儀；航拍參數(shù)；GPS（RTK）

近年來(lái)，隨著航空攝影測(cè)量與遙感技術(shù)不斷發(fā)展與進(jìn)步，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量得到廣泛應(yīng)用，是繼衛(wèi)星遙感、大飛機(jī)遙感之后發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型航空遙感技術(shù)，充分發(fā)揮了它機(jī)動(dòng)靈活、成本低、攜帶方便，安全系數(shù)高、多角度多元化鏡頭、高距離、廣范圍的拍攝角度等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量相比，其在土地整理項(xiàng)目、局部地形圖更新、緊急災(zāi)害的數(shù)據(jù)采集等多種領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用［1］。同時(shí)，它也存在影像航向重疊度和旁向重疊度不規(guī)則、像幅小像片數(shù)量多、影像傾角過(guò)大、傾斜方向無(wú)規(guī)律、航攝區(qū)域地形起伏大、高程變化顯著、影像間的比例尺差異大、旋偏角大、影像容易扭曲、變形等缺點(diǎn)。

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)已成為測(cè)繪行業(yè)的熱點(diǎn)課題，得到了廣泛推廣和應(yīng)用。本文從生產(chǎn)案例出發(fā)，以目前最先進(jìn)的航測(cè)技術(shù)為主線，對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)的一些特殊問(wèn)題進(jìn)行分析，并就其存在的問(wèn)題提出解決措施，以期為我國(guó)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在水利測(cè)繪方面的應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程應(yīng)用

根據(jù)河南省渦河河道綜合治理的要求，河南省水利勘測(cè)有限公司需對(duì)渦河進(jìn)行1∶5 000帶狀地形圖測(cè)量。按照渦河河道帶狀地形測(cè)量數(shù)字化采集的規(guī)定，對(duì)渦河帶狀地形圖進(jìn)行無(wú)人機(jī)的航空攝影測(cè)量。

1.1 測(cè)區(qū)自然概況

渦河是淮河第二大支流，是淮北平原區(qū)河道，發(fā)源于河南省尉氏縣，東南流經(jīng)開(kāi)封、通許、扶溝、太康、鹿邑以及安徽省毫州、渦陽(yáng)、蒙城，于懷遠(yuǎn)縣城附近注入淮河。渦河歷史上受黃泛至深，相鄰河溝，相互串流，受淤阻塞，葦草叢生，致使河道泄量增大，河床沖深刷寬，漫灘后流速遞減，泥沙沉積，年復(fù)一年，兩岸逐漸淤積而形成約2km寬的自然堤，河岸地形受自然堤控制，堤后地面有一段較長(zhǎng)距離形成了倒比降，造成一種“水不逾渦”的假象。實(shí)際皖境沿岸低洼地區(qū)，備受洪水自溝口倒灌之苦，內(nèi)澇也難以迅速排出。測(cè)區(qū)隸屬于河南省通許縣，測(cè)區(qū)全長(zhǎng)50km，分為兩個(gè)測(cè)段。

表1 渦河測(cè)區(qū)多項(xiàng)式法整體平差精度檢測(cè)

表2 航線相對(duì)定向精度檢測(cè)報(bào)告

1.2 航測(cè)儀及航拍參數(shù)

本次航攝采用低空數(shù)字航攝儀，充分發(fā)揮它影像獲取速度快、操作靈活方便，以及可自由更換不同焦距的鏡頭、底片無(wú)變形、無(wú)需框標(biāo)的特點(diǎn)，并且在作業(yè)前對(duì)航測(cè)儀進(jìn)行了主點(diǎn)位置、主距及光學(xué)畸變系數(shù)的測(cè)定［2］。

本項(xiàng)目投入2架無(wú)人機(jī)、2套型號(hào)為佳能EOS 5D MarkII低空數(shù)字單反數(shù)碼相機(jī)，航攝長(zhǎng)度50km，面積153.86km2。本次航攝焦距24mm，相對(duì)高度1 497m，航攝基線長(zhǎng)度524m，航向重疊65%，旁向重疊35%，像幅大小為5 616mm×3 744mm，航片分辨率為0.4m。

1.3 航拍作業(yè)流程

無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)流程

1.4 攝影條件及像控點(diǎn)測(cè)量

利用無(wú)人機(jī)對(duì)該測(cè)區(qū)進(jìn)行兩條航帶的航攝，飛行質(zhì)量良好，影像清晰度高，照片色彩均勻，飽和度良好，能夠清晰判斷地物信息，可滿足1∶5 000成圖要求。

控制點(diǎn)測(cè)量采用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）的方法進(jìn)行測(cè)量，像控點(diǎn)對(duì)最近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的平面位置中誤差不大于0.3m，高程中誤差不大于0.3m［3］。

1.5 空三加密及成圖

空三加密采用北京四維遠(yuǎn)見(jiàn)公司開(kāi)發(fā)的TG-AT加密軟件進(jìn)行。無(wú)人機(jī)自重較輕，受風(fēng)力等因素的影響，飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，飛行傾角、旋偏角過(guò)大，航線彎曲、像片比例不一致，容易扭曲變形等，采用自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合的方法進(jìn)行空三加密，渦河測(cè)區(qū)多項(xiàng)式法整體平差精度檢測(cè)和航線相對(duì)定向精度檢測(cè)報(bào)告分別見(jiàn)表1和表2。

1.6 地形數(shù)據(jù)采集

利用JX4G數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站成圖系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在測(cè)圖過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)河道及河道附近地形變化比較大，地物復(fù)雜，樹(shù)木繁多，水域面積大，數(shù)據(jù)采集有一定的難度。不同的作業(yè)人員采集高程差距很大，造成河道附近無(wú)法接邊，為了證實(shí)高程和平面精度是否過(guò)大，我們采用同一套設(shè)備，在同一測(cè)區(qū)，由不同作業(yè)人員進(jìn)行實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)平面位置誤差小，滿足精度要求，離河道較遠(yuǎn)的平地點(diǎn)高程誤差小，河道內(nèi)及河道附近高程誤差大，尤其是水面及有樹(shù)木遮擋的地方。為此，我們重新定向，檢查定向精度，單模型中誤差等未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，因此采取內(nèi)外業(yè)結(jié)合的方式，高程采取全野外GPS（RTK）成果來(lái)解決高程不穩(wěn)定問(wèn)題，平面采取JX4G數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站成圖系統(tǒng)實(shí)測(cè)成果，結(jié)合AotuCAD2007進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯。

表3 高程精度統(tǒng)計(jì)

1.7 精度統(tǒng)計(jì)

此次項(xiàng)目為河道治理工程，平面精度和高程精度都應(yīng)滿足需要，因此抽取一段測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行平面與高程精度統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表3。

從此次成果來(lái)看，平面精度完全滿足水利工程測(cè)量的要求，但高程精度有所欠缺。高程精度不能滿足要求的主要原因是飛行航高太高，導(dǎo)致地面分辨率低。

1.8 渦河河道帶狀地形圖高程修測(cè)

因?yàn)楦叱叹炔荒軡M足要求，我們利用動(dòng)態(tài)GPS（RTK）對(duì)渦河帶狀地形圖的高程進(jìn)行修測(cè)，彌補(bǔ)了無(wú)人機(jī)在高程方面的不足。

2 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量?jī)?yōu)缺點(diǎn)

2.1 優(yōu)點(diǎn)

①環(huán)境因素。無(wú)人機(jī)航拍受天氣、地理環(huán)境影響較小，可低空飛行，飛行高度可在千米以內(nèi)，方便靈活。②經(jīng)濟(jì)方面。無(wú)人機(jī)航拍成本低，效率高，安全系數(shù)高，攜帶方便，操作靈活，低空飛行不受管制，隨時(shí)可飛行，節(jié)省了人力物力。③拍攝效果。無(wú)人機(jī)機(jī)載相機(jī)型號(hào)多樣化，遙控操作，鏡頭靈活，多角度拍攝，分辨率高，打破傳統(tǒng)拍攝的局限，不受云層、高層建筑物遮擋的影響，可得到紋理清晰的影像。④精度方面。無(wú)人機(jī)屬于低空飛行器，為近距離拍攝，能夠?qū)⒌匚镄畔⒈硎銮逦暾?。精度高低取決于航攝儀及其飛行狀態(tài)等，根據(jù)項(xiàng)目要求，可結(jié)合其他測(cè)繪方式提高其精度。⑤速度快。利用無(wú)人機(jī)航攝，不用申請(qǐng)空域，可以快速完成航攝。

2.2 缺點(diǎn)

①無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，飛行傾角、旋偏角過(guò)大，航線彎曲、像片比例不一致，容易扭曲變形。②像片像幅小，數(shù)量多，導(dǎo)致測(cè)圖定向和立體模型套誤差大。③數(shù)據(jù)采集時(shí)頻繁更換相對(duì)，造成接邊困難，誤差大。

3 結(jié)論

通過(guò)此項(xiàng)目，我們得到一些結(jié)論和建議，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于地形圖成圖方面存在一定的不確定性，在定向精度滿足的情況下高程存在誤差大的情況，我們建議面積較小、全野外作業(yè)危險(xiǎn)及任務(wù)時(shí)間緊的情況下，利用無(wú)人機(jī)航拍成圖，結(jié)合其他測(cè)繪手段，內(nèi)外業(yè)結(jié)合的方法。這樣雖然增加了生產(chǎn)成本，但是比全野外作業(yè)還是有一定的便利。與傳統(tǒng)飛機(jī)相比穩(wěn)定性較差，如果能夠在飛行穩(wěn)定方面及相機(jī)質(zhì)量方面有所提高，無(wú)人機(jī)航測(cè)將在測(cè)繪領(lǐng)域占有一定地位。

本文對(duì)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展前景做了小結(jié)，簡(jiǎn)述了利用無(wú)人機(jī)航測(cè)1∶5 000地形圖在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量已成為新興技術(shù)廣泛在測(cè)繪行業(yè)發(fā)展起來(lái)，是傳統(tǒng)測(cè)繪方式的有益補(bǔ)充，將發(fā)展成為行業(yè)主流，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的不足，成為勘察地質(zhì)災(zāi)害、城市規(guī)劃建設(shè)，輸電線路勘察設(shè)計(jì)等方面的首選方式。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)證實(shí)了大比例尺航測(cè)成圖的可行性，小比例尺成圖的完整性。該系統(tǒng)的靈活性、自主性、事實(shí)更新性、多角度多元化拍攝性等已經(jīng)達(dá)到先進(jìn)水平。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展還處于起步階段，還需進(jìn)一步增強(qiáng)飛機(jī)的穩(wěn)定性，增加像幅大小，多鏡頭數(shù)碼相機(jī)、高精度定位等問(wèn)題，使無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)在測(cè)繪行業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。

［1］朱大康.無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量影像質(zhì)量控制的研究［D］.南昌：東華理工大學(xué)，2016.

［2］張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量［M］.武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1996.

［3］國(guó)家測(cè)繪局.CH/Z3004-2010，低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范［S］.北京：測(cè)繪出版社，2010.

Application of UAV Low Altitude Photography in the Measurement of the Zonal Topography of the Vortex River

Zhang Ruihong
（Henan Water Conservancy Survey Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450008）

In this paper,we introduced the usage of UAV aerial photogrammetry in the measurement of water conservancy projects.Based on the development of modern aerial photogrammetry technology,the operation flows of UAV low-altitude photogrammetry,characteristics of UAV Low altitude photogrammetry,technical process,the comparison with traditional aerial photogrammetry will be included also.Taking the production project as an example,this paper also introduced the usage of UAV technology in our company and we also summarized some conclusions and suggestions on UAV technology for further development.

UAV；aerial photogrammetry；aerial instrument；aerial parameters；GPS(RTK)

P231

A

1003-5168（2017）07-0092-03

2017-06-02

張瑞紅（1979-），女，工程師，研究方向：工程測(cè)量、無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量。