無人機(jī)航測技術(shù)在水利工程確權(quán)劃界中的應(yīng)用

呂艷兵

（忻州市水利勘測設(shè)計(jì)院，山西 忻州 034000)

水利工程確權(quán)劃界，是依法對河道及水利工程劃定管理和保護(hù)范圍，是有效推進(jìn)河長制工作的重要手段。傳統(tǒng)測量技術(shù)成本高、效率低，已無法滿足現(xiàn)代工程管理需要。無人機(jī)航測具有成本低，效率高等優(yōu)勢。將無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用到水利工程勘測中，在保證勘測成果質(zhì)量的同時(shí)，可提高勘測作業(yè)效率。

1 GPS D 級控制網(wǎng)測量

工程平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS 2000，中央子午線為111°，高斯投影為3°帶；高程采用1985 國家黃海高程；航測數(shù)字化地形圖成圖比例尺為1∶2000，等高距為2 m；測圖范圍包括運(yùn)行區(qū)、工程區(qū)（從劃界范圍的周邊外延300 m）、庫區(qū)周邊（從校核水位外延300 m）；數(shù)字線劃圖（DLG）為AUTOCAD 2004 的DWG 數(shù)據(jù)格式；數(shù)字正射影像圖（DOM）為TIF 數(shù)據(jù)格式（0.07 m分辨率）。

1.1 GPS 外業(yè)觀測

本次測量的D 級控制網(wǎng)，選取了14 點(diǎn)組成D 級網(wǎng)進(jìn)行觀測，并按點(diǎn)名進(jìn)行編號（FD 01—13），點(diǎn)間距為4～6 km。GPS 網(wǎng)使用三臺南方GPS 接收機(jī)（儀器標(biāo)稱精度：靜態(tài)定位±5 mm+2 ppm），三臺華測GPS 接收機(jī)（儀器標(biāo)稱精度：靜態(tài)定位±5 mm + 2ppm）進(jìn)行觀測，采用三點(diǎn)推進(jìn)邊連式構(gòu)網(wǎng)法同步觀測，觀測時(shí)，有效衛(wèi)星數(shù)應(yīng)不少于4 顆，衛(wèi)星高度角最小為15°，數(shù)據(jù)間隔為15 s，時(shí)段長度大于1 h，從天線的三面分別測量天線高三次，取平均值。

1.2 GPS 布網(wǎng)

實(shí)測GPS 控制點(diǎn)15 個(gè)，其中已知控制點(diǎn)2 個(gè)，未知點(diǎn)13 個(gè)，組成同步環(huán)66 個(gè)，異步環(huán)38 個(gè)。獨(dú)立基線20 條，其中必要基線14 條，多余基線36 條，平均重復(fù)設(shè)站數(shù)為1.6/站，符合《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》規(guī)定1.6/站[1]，詳見表1。

表1 GPS 觀測網(wǎng)的概述

1.3 GPS 基線處理和獨(dú)立基線選取

外業(yè)觀測后所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Rinex 數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)對外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，檢查得中誤差小于40 mm，方差比大于3。此次觀測共形成52 條合格基線，基線最短邊長349 m，最大邊長7670.4 m，平均邊長4 047 m，詳見表2。

表2 GPS網(wǎng)的基線

本次觀測共形成66 個(gè)同步環(huán)，同步環(huán)最優(yōu)閉合差1.768 mm，最弱閉合差33.018 mm。所有同步環(huán)坐標(biāo)分量相對閉合差和全長相對閉合差均小于閉合限差。

本次觀測形成的異步環(huán)38 個(gè)。異步環(huán)最優(yōu)閉合差6.443 mm，最弱閉合差36.577 mm。網(wǎng)形質(zhì)量良好，構(gòu)網(wǎng)基線合理?；€質(zhì)量統(tǒng)計(jì)見表3。

1.4 GPS 網(wǎng)無約束平差

對GPS 網(wǎng)三維無約束平差后，點(diǎn)位中誤差為±0.0033 cm、最弱點(diǎn)為FD 01?；€相對精度最弱邊YSN 1392141C-FD 13141BN、長度979.796 m，相對精度1/92146，表明控制網(wǎng)的內(nèi)符合精度較高。

表3 基線質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

1.5 CGCS 2000 坐標(biāo)系下GPS 網(wǎng)約束平差

CGCS 2000 坐標(biāo)系下無約束平差，中央子午線為111°，高斯投影為3°帶，固定平面起算點(diǎn)YSN 進(jìn)行無約束平差，見表4。

表4 GPS 網(wǎng)精度統(tǒng)計(jì)

1.6 高程控制測量

原高程基準(zhǔn)為大沽高程，本次測量采用1985 高程基準(zhǔn)，以三等水準(zhǔn)聯(lián)測水庫高程基準(zhǔn)BM 02 與國家Ⅱ等水準(zhǔn)點(diǎn)靜汾15 后，1985 高程比大沽高程高1.518 m，D 級控制網(wǎng)的高程采用原四等水準(zhǔn)網(wǎng)成果。

2 航測航攝作業(yè)

2.1 像控點(diǎn)布設(shè)

測區(qū)布設(shè)像控點(diǎn)89 個(gè)，檢查點(diǎn)85 個(gè)，像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)采用GPS RTK 測量。像控點(diǎn)均勻布設(shè)于水庫周邊。利用數(shù)字空三進(jìn)行平高加密。像控點(diǎn)打小木樁和地面齊平并且做好L 形白粉標(biāo)志，像控點(diǎn)一律采用順序號前冠英文字母XK 方法編號，整個(gè)測區(qū)沒有重號。檢查點(diǎn)采用順序號前冠英文字母JC 方法編號。

2.2 像控點(diǎn)的測量

在D 級GNSS 點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用SXCORS RTK 架設(shè)三腳架三次初始化測量像控點(diǎn)，84 坐標(biāo)系與GCCS 2000 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系的獲取方法，采用在測區(qū)現(xiàn)場，通過點(diǎn)校正的方法獲取。轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解，采用13 個(gè)D 級點(diǎn)，并且能覆蓋整個(gè)測區(qū)，通過合適的數(shù)學(xué)模型及可靠性檢驗(yàn)，對多點(diǎn)組合方式進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)選。通過RTK 測量像控點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，其轉(zhuǎn)換殘差應(yīng)不大于圖上±0.1 mm。RTK 測量像控點(diǎn)高程，擬合殘差為等高距的1/10[2]。全部像控點(diǎn)又經(jīng)過山西省測繪工程院轉(zhuǎn)換GC 2000 坐標(biāo)系和1985 國家高程基準(zhǔn)，較差在允許范圍。

2.3 航空攝影

采用大鵬無人機(jī)系統(tǒng)（CW-10）搭載嚴(yán)密檢校過的高分辨率數(shù)碼相機(jī)Sony ILCE7R，完成所有航攝工作。按航片地面平均分辨率為0.07 m，相對航高為513 m 飛行。結(jié)合測區(qū)地形高差不應(yīng)大于1/6 航高，分為3 個(gè)攝區(qū)，共飛行8 架次，完成航測面積為102 km2。攝影測量時(shí)間選擇，應(yīng)確保影像能真實(shí)地顯現(xiàn)地面細(xì)部，太陽高度角應(yīng)大于30°，陰影應(yīng)小于2 倍時(shí)進(jìn)行[3-4]。

2.4 測繪成果質(zhì)量檢查

2.4.1 GPS 數(shù)據(jù)采集

為提高搜索空間，無人機(jī)飛行時(shí)，差分GPS 天線置于飛機(jī)前方；相機(jī)拍下的每張照片，都和飛控系統(tǒng)記錄的坐標(biāo)點(diǎn)一一對應(yīng)，飛行結(jié)束后，如果從飛控系統(tǒng)下載的POS 數(shù)據(jù)和照片的數(shù)量對應(yīng)，則表明GPS數(shù)據(jù)采集正確。

2.4.2 照片數(shù)據(jù)質(zhì)量

影像質(zhì)量特別強(qiáng)調(diào)影像清晰，反差適中，顏色飽和，色彩鮮明，色調(diào)一致。有較豐富的層次、能辨別與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像，滿足外業(yè)全要素精確調(diào)繪和室內(nèi)判讀的要求。

2.4.3 飛行質(zhì)量

無人機(jī)飛行選在風(fēng)速不大且穩(wěn)定，日照充足的時(shí)段，飛行質(zhì)量較高。相片的航測范圍覆蓋了整個(gè)測區(qū)，無漏測區(qū)域。航測時(shí)航向重疊率大于等于80%；旁向重疊率大于等于75%。經(jīng)檢查，所有航測數(shù)據(jù)完整清晰，滿足精度和規(guī)范的要求。

3 航測成圖的內(nèi)業(yè)處理

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了正射影像精度小于4 個(gè)像素，DOM 和DLG成圖精度可達(dá)1∶2 000 的要求，選用Pix4D 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.2 影像預(yù)處理

影像預(yù)處理包括增強(qiáng)圖像、相片變形校正、編輯等工序，預(yù)處理后的影像更加鮮明，有利于后期空三加密。

3.3 解算GPS 后差分?jǐn)?shù)據(jù)

在測區(qū)已知點(diǎn)架設(shè)GPS 接收機(jī)，為靜態(tài)采集模式。參數(shù)設(shè)置為：在無人機(jī)起飛前直至降落持續(xù)采樣，間隔為1 s。飛行時(shí)公共衛(wèi)星數(shù)多于4 顆，且解算全過程顯示綠色，說明數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，解算得到WGS 84 坐標(biāo)下的POS 坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.4 空三加密

為達(dá)到1∶2 000 的精度要求，空三加密采用Pix4D進(jìn)行，且刺點(diǎn)的誤差最大不能超過3 個(gè)像素[5]。

3.5 DSM 質(zhì)量評價(jià)

在武漢點(diǎn)云科技有限公司開發(fā)的SKYPHOTO-MAP3D 軟件下，基于數(shù)字正射影像DOM 和數(shù)字高程模型DEM 生成實(shí)景三維模型DSM，提取檢查點(diǎn)坐標(biāo)，與檢查點(diǎn)RTK 實(shí)測坐標(biāo)比較，進(jìn)行DSM 質(zhì)量評價(jià)。經(jīng)計(jì)算，檢查點(diǎn)平面中誤差±0.015 cm，高程中誤差0.045 cm。

4 航測成圖

4.1 數(shù)字線劃地形圖編輯

數(shù)據(jù)采集在武漢點(diǎn)云科技有限公司開發(fā)的SKYPHOTO-MAP3D 軟件下，基于數(shù)字正射影像DOM和數(shù)字高程模型DEM 生成實(shí)景三維模型DSM，點(diǎn)狀地物在地物的定位點(diǎn)上采集，線狀地物在地物中心線采集，偏差不能超過圖上0.1 mm。

DLG 成圖軟件使用《南方CASS10.1 地形圖系統(tǒng)》，按《地形圖圖式》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改直至滿足成圖要求。

4.2 數(shù)字正射影像圖的制作

生成DEM 后，可進(jìn)行DOM 的制作。生成DOM后，要對其拉絲、劃痕、變形及重疊進(jìn)行檢查，并用PHOTOSHOP 軟件進(jìn)行調(diào)色和修飾。最后在圖幅上加地名、圖名等打印成圖。