無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)在涉河建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用

何業(yè)駿，鐘 良，甘 拯

（長江空間信息技術(shù)工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430000）

1 引言

隨著三峽工程的建成與運(yùn)行，加快了三峽庫區(qū)內(nèi)城市化、工業(yè)化、現(xiàn)代化建設(shè)的步伐，也導(dǎo)致了庫區(qū)內(nèi)涉河建設(shè)項(xiàng)目活動(dòng)日益頻繁。為了進(jìn)一步維護(hù)三峽水庫運(yùn)行安全和生態(tài)安全，在三峽后續(xù)工作規(guī)劃已審核批復(fù)占用庫容項(xiàng)目中，包含一批岸線環(huán)境綜合整治工程為主的涉河工程項(xiàng)目，這些工程項(xiàng)目主要采用生態(tài)與工程相結(jié)合的岸線環(huán)境綜合整治措施。生態(tài)措施包括草皮護(hù)坡、植生護(hù)坡等；工程措施主要用于需要穩(wěn)定岸坡和防止岸坡受庫水長期侵蝕產(chǎn)生水土流失的岸段，包括岸坡的整治、現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡、掛網(wǎng)噴錨護(hù)坡等。

如果對(duì)這些涉河建設(shè)項(xiàng)目采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行全野外實(shí)測，不僅成本高、工期長、人員作業(yè)還存在一定風(fēng)險(xiǎn)，無法達(dá)到要求。無人機(jī)低空航空攝影測量具有靈活機(jī)動(dòng)、成本低廉、周期短、效率高、精度高、內(nèi)業(yè)成圖迅速的特點(diǎn)，對(duì)于地勢環(huán)境相對(duì)惡劣的三峽庫岸區(qū)域的數(shù)據(jù)采集具有明顯優(yōu)勢。現(xiàn)場采用無人機(jī)航空攝影測量和RTK技術(shù)獲取涉河工程水邊界數(shù)據(jù)及岸上地形地貌數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后的正射影像和傾斜攝影模型，完整反應(yīng)航攝區(qū)域內(nèi)的空間信息和地表紋理信息，為涉河建設(shè)項(xiàng)目工程管理及項(xiàng)目占用庫容量預(yù)算提供可靠依據(jù)。

2 無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)發(fā)展情況

2.1 無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)原理

近年來，無人機(jī)航空攝影測量作為一項(xiàng)新型航空遙感技術(shù)，發(fā)展十分迅速，技術(shù)也越來越成熟。無人機(jī)航攝是通過采集地面上的地形、地物的三維坐標(biāo)以及附屬的性質(zhì)信息，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、顯示、輸出地形圖。

2.2 無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)工程測量相比，無人機(jī)航空攝影測量優(yōu)勢如下：

（1）起降靈活方便，方便攜帶，對(duì)周邊環(huán)境和天氣要求較低，一般只需要在航攝范圍附近有一塊無遮擋的平地即可自由起降。

（2）可以低空飛行，提高作業(yè)效率。大疆系列小型無人機(jī)可以在高度100m～500m區(qū)間進(jìn)行低空航攝作業(yè)，短時(shí)間內(nèi)可快速完成用戶所需成果，大疆系列小型無人機(jī)每架次起落作業(yè)面積約1km2，作業(yè)效率高，相比傳統(tǒng)工程測量外業(yè)人員投入大大減少。

（3）能夠快速獲取高分辨率數(shù)據(jù)。通過搭載的相機(jī)等傳感器，可以準(zhǔn)確、直觀地獲取地表信息，低空航攝分辨率可達(dá)到3 cm～5 cm超高分辨數(shù)字影像，這是傳統(tǒng)測量無法做到的。

（4）無人機(jī)與GPS RTK組合，利用無人機(jī)快速、靈活獲取地面平面位置數(shù)據(jù)，GPS RTK外業(yè)獲取像控點(diǎn)平面和高程信息，保證航攝區(qū)域內(nèi)測量精度，通過二者結(jié)合生成數(shù)字高程模型（DEM）。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

某環(huán)境綜合整治工程處于三峽庫區(qū)重慶段內(nèi)，護(hù)岸工程坡度大。建設(shè)內(nèi)容包括：990 m庫岸工程，排水箱涵1座（長170 m）以及堤后回填工程（排洪箱涵、片石混凝土護(hù)腳擋墻、碾壓土石壩體、格構(gòu)片石護(hù)坡、土石方開挖及回填等），護(hù)岸壩頂高程178 m（黃海高程）。

3.2 實(shí)施技術(shù)路線

8月處于三峽庫區(qū)最低水位，在此期間采用無人機(jī)低空航攝數(shù)據(jù)外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的方式實(shí)施作業(yè)。無人機(jī)在采集區(qū)域內(nèi)獲取地形地貌數(shù)據(jù)后，現(xiàn)場使用GPS RTK進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)，經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理生成數(shù)字地表模型和影像成果，結(jié)合工程竣工后所在區(qū)域地形格網(wǎng)模型、施工前1∶2000地形圖及庫區(qū)界樁成果等資料，2期數(shù)據(jù)對(duì)比計(jì)算三峽庫區(qū)最低水位145 m至最高水位175 m之間體積方量差。

圖1 技術(shù)路線

3.3 坐標(biāo)系統(tǒng)和高程基準(zhǔn)

（1）坐標(biāo)系統(tǒng)：CGCS2000坐標(biāo)系；

（2）高程系統(tǒng)：1985國家高程基準(zhǔn)；

（3）基本等高距：2 m；

（4）成圖比例尺：1∶2000。

3.4 無人機(jī)低空航攝數(shù)據(jù)采集

3.4.1 現(xiàn)場探勘

進(jìn)入現(xiàn)場準(zhǔn)備執(zhí)行飛行任務(wù)，能見度好的時(shí)段下飛行，滿足數(shù)據(jù)所需的光照條件，在到達(dá)起降點(diǎn)時(shí)對(duì)無人機(jī)、相機(jī)、電池等軟硬件進(jìn)行全面地檢查并作記錄。

3.4.2 航線規(guī)劃

大疆系列無人機(jī)體型小，攜帶方便，適合小面積航攝任務(wù)。本項(xiàng)目現(xiàn)場采用大疆精靈4型號(hào)旋翼無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，大疆精靈4相機(jī)鏡頭為20 mm/F2.8定焦鏡頭，有效像素1240萬。

依據(jù)項(xiàng)目建設(shè)單位提供的項(xiàng)目竣工范圍及勘察現(xiàn)場情況后，確定本次無人機(jī)飛行航攝高度約150 m，6條航線，航線間距88 m，曝光間隔3 s，航向重疊80%，旁向重疊60%，分辨率4 cm，作業(yè)面積約0.3 km2，航時(shí)12 min，現(xiàn)場獲取約200張高清影像，當(dāng)日庫水位高程146 m。

圖2 航線規(guī)劃

3.4.3 航測成果自檢

航攝完成后，針對(duì)本次航攝作業(yè)飛行質(zhì)量進(jìn)行檢查，包括像片重疊度、航攝比例尺、覆蓋情況，現(xiàn)場生成快拼圖。同時(shí)對(duì)影像質(zhì)量進(jìn)行全面檢查，查看圖片有無遮擋、影像色彩亮度是否協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

圖3 工程竣工區(qū)域正射影像圖和傾斜攝影模型成果

3.4.4 外業(yè)控制測量

在滿足數(shù)字高程模型及正射影像精度要求的基礎(chǔ)上，按照《水利水電工程測量規(guī)范》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)。因現(xiàn)場地形條件限制，采用不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)，為提高像控點(diǎn)的加密精度，在航攝區(qū)域范圍的兩端和中部位置增加平高點(diǎn)。

3.5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)采集影像數(shù)據(jù)之后，制作攝區(qū)數(shù)字地表模型、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像。同時(shí)，根據(jù)業(yè)主單位提供的項(xiàng)目竣工范圍內(nèi)的施工前測繪數(shù)據(jù)，去除地形上樹木、臨時(shí)房屋等特征要素,構(gòu)建好處理后的TIN網(wǎng)，制作生成施工前地形數(shù)字高程模型。

圖4 施工前正射影像和地形圖疊加

運(yùn)用ArcGIS軟件生成的三角網(wǎng)格，計(jì)算得到每一個(gè)三棱柱的挖（填）方量，最后累計(jì)得到項(xiàng)目竣工范圍內(nèi)所有的三棱柱體積,底部則以水平面為計(jì)算表面。同時(shí)利用庫區(qū)界樁成果等資料,結(jié)合現(xiàn)狀采集地形數(shù)據(jù)與庫岸工程竣工范圍施工前數(shù)字高程模型進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。本工程在三峽水庫145 m～175 m高程范圍內(nèi)占用防洪庫容約16.7萬m3,與前期設(shè)計(jì)階段采用斷面法計(jì)算的庫容量相比有所減少。

圖5 施工前后2期數(shù)字高程模型比對(duì)

本項(xiàng)目無人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)采集和像控點(diǎn)測量2人共耗時(shí)0.5天，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理1人耗時(shí)1天，成果直觀，計(jì)算成果滿足要求，并可作為項(xiàng)目數(shù)字化存檔資料。

4 結(jié)論

綜上所述，利用無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)獲取涉水工程地形地貌數(shù)據(jù)，現(xiàn)場進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)及增加平高點(diǎn)的方法，相比傳統(tǒng)全野外測量優(yōu)勢明顯，節(jié)約了人力和物力資源，有效提高工作效率，減少涉水工程項(xiàng)目外業(yè)測量工作危險(xiǎn)性。通過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理將工程現(xiàn)場實(shí)際情況與施工前地形地貌情況進(jìn)行更直觀的展示，為管理部門對(duì)涉水工程項(xiàng)目管理提供了技術(shù)支撐。此種作業(yè)方式，也可廣泛應(yīng)用于土地調(diào)查，水利執(zhí)法，資源調(diào)查等不同領(lǐng)域核查，具有廣泛的應(yīng)用前景。