天狼星無人機(jī)系統(tǒng)在張掖市水利勘測設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李東萍

（甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計(jì)院，甘肅 張掖 734000）

1 水利勘測設(shè)計(jì)工作的難點(diǎn)

水利勘測設(shè)計(jì)是保障水利工程建設(shè) “有質(zhì)”的源頭性工作，其重要性關(guān)系著水利工程的投資和安全。水利勘測的工作內(nèi)容主要包括水利工程測量、水利工程地質(zhì)勘察、水文地質(zhì)調(diào)查和項(xiàng)目區(qū)人文、氣象和社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查等。作為為水利工程設(shè)計(jì)提供重要且可靠依據(jù)的勘測工作，其工作的難點(diǎn)在于：面積大，張掖市民樂洪水河、山丹馬營河、高臺(tái)新壩等幾個(gè)大灌區(qū)改建項(xiàng)目測圖面積均在80 km2以上；戰(zhàn)線長，山丹河河道治理、山水林田湖草生態(tài)治理大沙河項(xiàng)目、山丹河河湖劃界等，戰(zhàn)線長度均在30 km以上；設(shè)計(jì)周期短，近年張掖市水利工程建設(shè)項(xiàng)目往往啟動(dòng)突然，經(jīng)招投標(biāo)確定設(shè)計(jì)單位后，預(yù)留給設(shè)計(jì)的時(shí)間非常有限。綜上，如何在有限的時(shí)間內(nèi)完成面大、戰(zhàn)線長設(shè)計(jì)精度要求高的項(xiàng)目勘測工作，是對(duì)設(shè)計(jì)單位如何利用新技術(shù)、新工藝組織完成前期工作的重大考驗(yàn)。

2 天狼星無人機(jī)系統(tǒng)介紹及其應(yīng)用于水利勘測設(shè)計(jì)中的顯著優(yōu)勢

2.1 天狼星無人機(jī)系統(tǒng)介紹

天狼星無人機(jī)是拓普康的內(nèi)置RTK實(shí)時(shí)差分型無人機(jī)以及一些支持性軟件的高精度的智能航測系統(tǒng)。它突破了傳統(tǒng)的航空測量作業(yè)模式下需要布設(shè)很多圖像控制點(diǎn)的局限，應(yīng)用于大比例尺測圖領(lǐng)域的優(yōu)勢非常明顯。設(shè)備的基本配置有無人機(jī)系統(tǒng)，地面監(jiān)控站、發(fā)射電臺(tái)、GPS基站等；影像處理系統(tǒng)有影像數(shù)據(jù)快速檢查、糾正、拼接等，且在非常簡單的空三加密流程中生成DOM和DEM也非常容易。

2.2 天狼星無人機(jī)系統(tǒng)在水利勘測設(shè)計(jì)應(yīng)用中的顯著優(yōu)勢

2.2.1 實(shí)現(xiàn)免像控航攝

布設(shè)地面圖像控制點(diǎn)是在傳統(tǒng)航攝作業(yè)模式下開展好勘測設(shè)計(jì)工作的必經(jīng)工序，需要花費(fèi)加大的投入和較長的工期來完成。在工作人員無法進(jìn)入開展像控布設(shè)作業(yè)的沼澤地、極寒極熱、大面積流沙等極端情況下，將會(huì)嚴(yán)重影響航攝的正常進(jìn)行。而內(nèi)置有RTK固定解精度POS信息的天狼星無人機(jī)系統(tǒng)，能夠形成高精度的方位元素信息，在每張像片的攝影中心、照片、地面之間形成高精度幾何反轉(zhuǎn)模型，從而實(shí)現(xiàn)免像控狀態(tài)下平面精度、高程精度的測量。

2.2.2 提高勘測設(shè)計(jì)工作效率

內(nèi)置的MAVinci Desktop具有高集成化一鍵設(shè)計(jì)飛行計(jì)劃的優(yōu)勢功能，工作人員不僅可以預(yù)先演習(xí)飛行計(jì)劃，同時(shí)在真實(shí)的航攝計(jì)劃過程中，只需要工作人員預(yù)先將作業(yè)的精度值(GSD)和范圍文件導(dǎo)入系統(tǒng)中，無人機(jī)就可以根據(jù)地形起伏情況適應(yīng)性的調(diào)整航線和飛行高度，使飛行帶寬及重疊率等技術(shù)參數(shù)自動(dòng)適應(yīng)，大大提高了勘測設(shè)計(jì)的工作效率。

2.2.3 能夠快速輸出航拍成果

內(nèi)置AgiSoft PhotoScan Pro+攝影測量與建模軟件可以使航拍作業(yè)在完全自動(dòng)化的流程中實(shí)現(xiàn)，即使工作人員并不專業(yè)，也能夠通過簡單操作就可以處理數(shù)以千計(jì)的航空像片且輸出專業(yè)級(jí)的航攝測量數(shù)據(jù)。2017年4月筆者單位測繪隊(duì)3人利用24架次的天狼星無人機(jī)對(duì)山丹縣馬營河（有效作業(yè)面積14.6 km2）實(shí)施勘測設(shè)計(jì)工作，外業(yè)僅僅花費(fèi)5天的時(shí)間，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及圖件整理提交耗時(shí)10個(gè)工作日，為后續(xù)專業(yè)擠出了寶貴時(shí)間開展設(shè)計(jì)工作。

3 天狼星無人機(jī)系統(tǒng)在水利勘測設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程

在開展勘測設(shè)計(jì)工作任務(wù)之前需要做一些準(zhǔn)備工作，首先要對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)，整體性規(guī)劃設(shè)計(jì)項(xiàng)目流程方案，確保任務(wù)的順利實(shí)施。利用無人機(jī)系統(tǒng)開展外業(yè)調(diào)查的流程如圖1所示。

圖1 天狼星無人機(jī)作業(yè)流程

首先，利用天狼星無人機(jī)獲取高分辨率的調(diào)查區(qū)域影像和數(shù)字高程模型，并依據(jù)獲取的結(jié)果繪制外業(yè)調(diào)查工作的底圖，做好底圖的布線工作。其次，通過EPS虛擬攝影測量系統(tǒng)立測采集與編輯地形圖，并在三維立體環(huán)境下進(jìn)行工程總體布置規(guī)劃。最后，根據(jù)確定的規(guī)劃方案編輯提取工程區(qū)域大比例尺地形數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)部門提供原始底圖。

天狼星無人機(jī)采用自主研發(fā)的Mavinci Desktop飛行計(jì)劃軟件對(duì)測量區(qū)域進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，將規(guī)劃好的航線發(fā)送到無人機(jī)，無人機(jī)將按照規(guī)劃航線進(jìn)行作業(yè)飛行，航飛任務(wù)結(jié)束后無人機(jī)自動(dòng)將航拍POS數(shù)據(jù)傳回計(jì)算機(jī)，并與影像照片進(jìn)行匹配，導(dǎo)入PhotoScan Pro軟件處理生成DOM、DSM和點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4 天狼星無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于水利勘測設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

利用天狼星無人機(jī)系統(tǒng)開展水利勘測設(shè)計(jì)工作時(shí)，雖然能夠極大地提高勘測設(shè)計(jì)的效率，但在實(shí)際應(yīng)用過程中需要注意以下幾個(gè)問題：

1）Mavinci自動(dòng)航線規(guī)劃與手動(dòng)航線設(shè)定相結(jié)合，提高航測效率，保障航測精度。Mavinci會(huì)根據(jù)用戶設(shè)定的航測比例尺、航向旁向重疊度、給定的相機(jī)參數(shù)和采樣間隔自動(dòng)規(guī)劃多架次航線，但是測區(qū)地形條件對(duì)航測精度的影響Mavinci是無法準(zhǔn)確判定的，尤其是山區(qū)航測投影差對(duì)高程精度的影響最有效的解決方案是加大重疊度，為空三加密提供足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)，以保證精度，因此，機(jī)械的使用Mavinci規(guī)劃的航線，測圖精度是無法得到充分保障的，必須采用手動(dòng)模式進(jìn)行調(diào)整，以獲得理想的航測數(shù)據(jù)；平原地區(qū)在保障航測精度的前提下通過手動(dòng)調(diào)整Mavinci規(guī)劃的各架次間重疊度既可以保障數(shù)據(jù)精度同時(shí)可大幅提高航測效率，對(duì)測圖面積超過5km2的大比例尺測圖，通過調(diào)整，效率會(huì)提高10%～30%，而且測圖面積越大效率提升越明顯。

2）航測前認(rèn)真做好測區(qū)調(diào)查，確保設(shè)備安全。天狼星具有以谷歌地圖數(shù)據(jù)為底圖的自適應(yīng)巡航功能，但是作為一種全球模型，其底圖的精度十分有限，在城市高大建筑密集區(qū)、高山區(qū)實(shí)施航空攝影測量，必須提前對(duì)測區(qū)進(jìn)行細(xì)致調(diào)查，在航線規(guī)劃階段有效避讓高層建筑，適當(dāng)加大行高，在高山區(qū)，應(yīng)適當(dāng)加大重疊度，大幅度加大行高，給Mavinci的自適應(yīng)巡航留有較大余地，以確保設(shè)備安全；連接器是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與地面GPS基站數(shù)據(jù)通訊的關(guān)鍵設(shè)備，其抗干擾能力很有限，為確保設(shè)備安全，對(duì)測區(qū)內(nèi)強(qiáng)電磁干擾源的調(diào)查至關(guān)重要，如存在干擾源，必須采取航線避讓、基站遠(yuǎn)離干擾源等措施，以避免數(shù)據(jù)鏈路中斷，給設(shè)備帶來的危險(xiǎn)。

另外，為確保成果影像的精度，通過采集影像數(shù)據(jù)檢核點(diǎn)位置坐標(biāo)與檢核點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)進(jìn)行比較，來進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制，確保上交的影像數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)精度。

5 結(jié)語

隨著張掖市水利工程建設(shè)面向大灌區(qū)改建、山水林天湖草生態(tài)治理、市內(nèi)跨流域調(diào)水、病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固等作業(yè)面廣戰(zhàn)線長、周期短的發(fā)展趨勢，要想高質(zhì)量的做好水利勘測設(shè)計(jì)工作，打好水利工程建設(shè)的基礎(chǔ)，利用現(xiàn)代化的航測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)勘測階段快速高效高精度的數(shù)據(jù)采集與處理是十分必要的。天狼星無人機(jī)系統(tǒng)因內(nèi)置RTK實(shí)時(shí)差分型無人機(jī)及相配套的軟件，可以實(shí)現(xiàn)免像控航攝，快速輸出航拍成果，提高勘測設(shè)計(jì)效率。從而應(yīng)用于水利勘測設(shè)計(jì)中具有顯著的優(yōu)勢。但在實(shí)際應(yīng)用過程中需要注意航線規(guī)劃與參數(shù)設(shè)定以及高程精度的檢核問題。