淺談無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用

姚艷麗

（中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司(武漢)勘察分公司，湖北 武漢430023）

1 概述

為了明確河湖管理范圍，確定河湖管理責(zé)任，能夠使河道工程正常運(yùn)行，加強(qiáng)水域岸線的管理以及完善水環(huán)境治理系統(tǒng)，也是為了進(jìn)一步推行河長制，依照法律規(guī)定落實(shí)地方主體責(zé)任，切實(shí)做好各級(jí)河湖管理范圍和水利工程管理與保護(hù)范圍調(diào)查測量工作是至關(guān)重要的。隨著科學(xué)的與時(shí)俱進(jìn)，航空攝影測量與遙感技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，尤其是無人機(jī)航測技術(shù)被更多的應(yīng)用到實(shí)際測量中，在水利工程測量中同樣得到了一定的應(yīng)用[1]。本文就無人機(jī)航測技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用做一些探討。

2 無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)

無人機(jī)航測系統(tǒng)又稱為無人機(jī)駕駛航空器系統(tǒng)（UAS，Unmanned Aircraft System），該系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、受氣候條件影響較小、作業(yè)成本低、適用領(lǐng)域多等特點(diǎn)。在無人機(jī)航空攝影測量之前，有必要了解一下其基本技術(shù)指標(biāo)和要求：①獲取能用于立體測量的真彩色數(shù)字影像[2]；②按0.2m 地面分辨率進(jìn)行飛行設(shè)計(jì)，獲得的影像滿足1:2000 比例尺的DLG、DEM和DOM 的成圖精度要求；③配置高精度動(dòng)態(tài)GPS 接收機(jī)，通過后差分技術(shù)計(jì)算得到機(jī)載GPS 軌跡；④航向重疊度是60%～80%，旁向重疊度是15%～60%；本項(xiàng)目用的無人機(jī)是成都縱橫大鵬無人機(jī)科技有限公司生產(chǎn)的大鵬無人機(jī)（型號(hào)為CW-10 SONYA7R 相機(jī)一套）和2 臺(tái)大疆PHANTOM4 RTK 無人機(jī)。該無人機(jī)外業(yè)工作流程為圖1：

圖1 無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)外業(yè)流程

3 無人機(jī)航空攝影測量在河湖管理中的應(yīng)用

3.1 作業(yè)范圍

本項(xiàng)目為此次列入某縣河湖管理范圍和水利工程管理與保護(hù)范圍調(diào)查測量、劃界埋樁項(xiàng)目的40 條河和66 座水庫，河流總長度為719 公里，水庫為小型水庫。此次論文實(shí)例選取了其中一條河流進(jìn)行探討。

3.2 測區(qū)航線設(shè)計(jì)

通過專門的航線設(shè)計(jì)軟件，導(dǎo)入河道帶狀測區(qū)文件，進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，計(jì)算選擇飛行高度為600m。此項(xiàng)目成圖比例尺為1：2000，航攝比例尺1：4000，影像地面分辨率為2cm。由于在無人機(jī)飛行姿態(tài)不穩(wěn)定情況下會(huì)引起航攝漏洞現(xiàn)象，導(dǎo)致后續(xù)工作無法進(jìn)行，增加了航向和旁向重疊度，航向重疊度為75%-80%，旁向重疊度為70%-75%。

3.3 地面GPS 基站的布設(shè)與觀測

為了在后期使用后差分技術(shù)正確的解算移動(dòng)站的GPS 軌跡，在飛機(jī)起飛前在航攝區(qū)域內(nèi)選取合適的基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站必須架設(shè)在控制點(diǎn)上，一個(gè)基準(zhǔn)站的控制測區(qū)半徑大概是5km，這樣基準(zhǔn)站GPS 與移動(dòng)站GPS 同步接收衛(wèi)星信號(hào)，后期處理獲得更加精確的pos 數(shù)據(jù)[3]。

3.4 像控點(diǎn)布設(shè)

無人機(jī)航測技術(shù)在河道中的應(yīng)用獲得的成果精度主要取決于控制點(diǎn)的精度，因此像控點(diǎn)的布設(shè)尤為重要，布設(shè)像控點(diǎn)必須按照一定的規(guī)范進(jìn)行。無人機(jī)航測過程中布設(shè)像控點(diǎn)分為兩種方式：飛機(jī)起飛前和起飛后，但是無論選擇怎樣的方式都必須符合以下原則：①像控點(diǎn)應(yīng)該設(shè)置在地面比較清晰、容易辨認(rèn)的位置，比如說斑馬線角、道路交叉線等，但是也有一些地物不能作為布設(shè)控制點(diǎn)的目標(biāo)，比如：狀地物、不固定的地物、過小的點(diǎn)狀地物；②選取的像控點(diǎn)刺點(diǎn)的影像必須很清晰；③像控點(diǎn)應(yīng)選在高程變化比較小的地方，不能選在高程變化大的有坡度的地方；④選取的控制點(diǎn)旁邊不能有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)的物體，尤其應(yīng)該遠(yuǎn)離高壓輸電線。同時(shí)為檢查成果質(zhì)量，需適當(dāng)布設(shè)檢查點(diǎn)。

3.5 無人機(jī)航空攝影測量內(nèi)業(yè)

無人機(jī)航拍得到的影像以及用傳統(tǒng)測繪方法測得的控制點(diǎn)，在Godwork 中進(jìn)行空三加密，然后在MapMatrix 中進(jìn)行地形圖描繪，利用pix4d 進(jìn)行影像圖制作，流程如圖2 所示：

圖2 無人機(jī)航測作業(yè)流程

3.5.1 影像數(shù)據(jù)預(yù)處理與空中三角測量處理

影像數(shù)據(jù)預(yù)處理：為了得到滿足后期數(shù)據(jù)處理的pos 數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，必須對(duì)原始采集的數(shù)據(jù)依據(jù)相關(guān)的規(guī)范規(guī)程進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，重點(diǎn)檢查的項(xiàng)目有：航攝重疊度、旋偏角、云量、有無存在航攝漏洞。空中三角測量處理：影像經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)行空三加密，空三加密利用天工航空影像空中三角測量軟件（簡稱GodWork_AT）進(jìn)行，此軟件是針對(duì)航空遙感影像數(shù)據(jù)研發(fā)的高自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理軟件，以輸出高精度數(shù)字?jǐn)z影測量產(chǎn)品為目的。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：人工干預(yù)或者交互操作的工作量很少，如果確需進(jìn)行人工交互工作，設(shè)計(jì)人員也加了自動(dòng)預(yù)測或者人工智能的功能，盡量避免不必要的人工或者重復(fù)操作，節(jié)省交互時(shí)間，簡化操作，空三流程如圖3：

圖3 空三流程圖

3.5.2 正射影像圖（DOM）生成

Pix4Dmapper 是瑞士Pix4D 公司生產(chǎn)的全自動(dòng)快速無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件，它可以將很多張影像快速制作成精確的二維地圖和三維模型，Pix4Dmapper 能從航拍片中快速獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行后期的加工處理，獲得高精度的正射影像圖用于水利工程中的河湖管理。Pix4Dmapper 生成正射影像圖的過程是：①先導(dǎo)入照片和pos 進(jìn)行快速拼接，快速拼接的質(zhì)量報(bào)告可以查看外業(yè)飛行數(shù)據(jù)的質(zhì)量；②導(dǎo)入控制點(diǎn)進(jìn)行空三加密；③選擇初始化處理進(jìn)行平差，結(jié)果可以查看控制點(diǎn)精度是否滿足規(guī)范要求；④選擇接下來的兩個(gè)選項(xiàng)：點(diǎn)云和紋理以及DSM、正射影像和指數(shù)，最終生成DSM 和DOM。后期可以將DSM 與DOM 導(dǎo)入到EPS 中進(jìn)行裸眼畫圖。本項(xiàng)目是將生成的DOM 導(dǎo)入到ARCGIS 中，將每條河拼接成一個(gè)整體，再將河湖管理的規(guī)劃線落到DOM 上，最終生成一張大圖方便展示，如圖4 所示：

圖4 DOM 以及河湖管理范圍線

3.5.3 1:2000 數(shù)字線劃圖制作

在武漢航天遠(yuǎn)景MapMatrix 多源地理數(shù)據(jù)綜合處理平臺(tái)進(jìn)行航攝數(shù)據(jù)處理：將GodWork 中處理得到的空三成果（patb 文件、旋轉(zhuǎn)糾正影像）導(dǎo)入到MapMatrix 軟件中，恢復(fù)航攝的立體采集模型。按照本項(xiàng)目要求的1:2000 地形圖和其他相關(guān)的技術(shù)規(guī)程，在立體采集環(huán)境下得到各類地形要素，最后生成地形圖文件。將采集得到的地形圖與Pix4Dmapper 生成的正射影像圖疊加形成調(diào)繪底圖，在野外現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)繪，在調(diào)繪結(jié)束之后進(jìn)行內(nèi)業(yè)編輯，兩者交互得到最終的全要素?cái)?shù)據(jù)線劃圖。數(shù)字線劃數(shù)據(jù)采集輸出后進(jìn)行相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一分層與編碼，然后再利用CASS9.1 軟件統(tǒng)一進(jìn)行內(nèi)業(yè)編輯，形成最終的DWG格式地形圖，如圖5 所示。在地形圖基礎(chǔ)上，根據(jù)給定的橫斷線，得到斷面需要的高程數(shù)據(jù)，在CASS 9.1 中繪制斷面圖，如圖6所示。

圖5 河道地形圖

圖6 河道斷面圖

3.5.4 河湖劃界

將已測好的1:2000 地形圖和斷面圖作為工作底圖進(jìn)行內(nèi)業(yè)劃界，按照法律法規(guī)要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在工作底圖上劃定河湖和水利工程的管理范圍界線，完成管理范圍線布置，在一定間隔和拐點(diǎn)處預(yù)布界址點(diǎn)，外業(yè)埋設(shè)界樁，根據(jù)工作底圖上提取的界址點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行管理界線放樣，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行微調(diào)埋置界樁，實(shí)測坐標(biāo)，最后再內(nèi)業(yè)調(diào)整，根據(jù)最終外業(yè)定樁的界線坐標(biāo)修正電子圖上的管理范圍界線。

結(jié)束語

無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用，不僅能夠節(jié)省人力還可以提高工作效率，同時(shí)可以為甲方提供多樣的測量成果，來適應(yīng)新時(shí)代環(huán)境下更高的要求。利用無人機(jī)航空攝影獲得的成果繪制的地形圖成圖精度完全滿足1：2000 大比例尺測圖的要求，為后續(xù)繪制斷面，劃界埋樁提供了保證。

隨著無人機(jī)航測技術(shù)的飛速發(fā)展，能實(shí)時(shí)獲取更高精度的POS 數(shù)據(jù)，后處理軟件處理能力的不斷提高提升，與此同時(shí)，長航時(shí)、載荷量大的無人機(jī)整體性能明顯提升，無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域能夠滿足更多的測繪工程需求。