無人機攝影測量技術在河湖劃界項目中的應用

何雄

（遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563002）

0 引言

隨著科學技術的進步，航空攝影測量和遙感技術取得了長足的進步，特別是無人機航測技術在實際測量中使用較多，在水利工程測量中發(fā)揮了重要的應用。

遵義為典型貴州高山區(qū)地形，區(qū)域內(nèi)河流密布，流域廣泛，跨度大。采用傳統(tǒng)的測量手段，以現(xiàn)有的人力物力在相應的時間內(nèi)無法完成相應的測量工作。依照河長制的技術要求和工期要求，積極探索、應用先進、高效，并且符合要求的低空無人機航空攝影測量技術，做好河道劃界確權前期基礎數(shù)據(jù)生產(chǎn)，具有十分重要的意義。

1 航空攝影測量

航空攝影測量是由飛機、衛(wèi)星等飛行器搭載傳感器從空中拍攝的照片，配合拍攝時飛行器自帶的導航定位系統(tǒng)，獲取POS信息，結合地面控制點，經(jīng)內(nèi)業(yè)處理后生產(chǎn)數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字線劃圖（DLG）、數(shù)字正射影像圖（DOM）和數(shù)字柵格地圖（DRG）。

近年來，隨著國內(nèi)無人機飛行器技術的不斷發(fā)展，國內(nèi)攝影測量先輩們不斷摸索，創(chuàng)造出了一種新型的無人機搭載單反相機的低空無人機航空攝影技術，使得航空攝影測量不再依賴笨重而又昂貴的航攝儀。

低空無人機航空攝影一般都是輕小型無人機搭載重量約為500g的單反相機進行低空飛行，按技術要求拍攝像片，結合飛機自帶的實時差分系統(tǒng)或者后差分系統(tǒng)在拍攝瞬間記錄的無人機位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)位置校準到像片后，形成像片的姿態(tài)參數(shù)pos，兩種數(shù)據(jù)形成完整的航空攝影測量原數(shù)據(jù)。

這種低空無人機航空攝影測量的優(yōu)勢在于對于很多區(qū)域也不需要嚴格的空域限制，而且飛行高度一般都在1km以內(nèi)，起飛場地要求簡單，操作簡單，對于很多緊急情況能及時相應作出調(diào)整，在實際應用中非常靈活，這就使低空無人機航空攝影測量迅速普及大眾化，得到各個測繪單位的廣泛青睞。

無人機攝影測量相對于傳統(tǒng)工程測量的優(yōu)勢在于：①起降靈活方便，攜帶方便，對周圍環(huán)境和天氣要求不高。一般而言，空中范圍附近無障礙的平坦地面足以自由起降。②可以低空飛行，提高運行效率，讓用戶快速地完成所需的結果，與傳統(tǒng)的工程勘察相比，現(xiàn)場人員的投入顯著減少。③可以快速獲取高分辨率數(shù)據(jù)。通過配備的單反相機通過低空飛行獲取準確直觀的地面信息。低空攝影照片的分辨率可以達到3cm的超高分辨率數(shù)字圖像，這是常規(guī)測量無法達到的。④無人機與千尋RTK結合。利用無人機搭載的實時差分或后差分系統(tǒng)快速靈活獲取像片位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，高精度的位置姿態(tài)參數(shù)在一定的飛行條件下能夠做到區(qū)域內(nèi)1∶2000地形圖免像控，部分區(qū)域需要結合千尋RTK捕捉少量影像控制點的平面和高程信息，聯(lián)合平差，保證航拍區(qū)域內(nèi)的測量精度。

2 河湖劃界主要內(nèi)容

河湖劃界工程量大，工期短，需要確定實際控制范圍，必須將界樁埋設在測量位置，才能起到劃界作用。根據(jù)河湖界線的要求和指南，傳統(tǒng)的測量手段不能滿足劃界工作對于工期及多樣性成果數(shù)據(jù)的要求。無人機航測作為新型的航攝手段，可以快速的完成劃界工作的基礎數(shù)據(jù)生產(chǎn)，提高整體效率。

根據(jù)河湖劃界的工作內(nèi)容要求，無人機航空攝影測量主要任務包括以下幾點：①優(yōu)于20cm地面分辨率正射影像圖；②間距≤500m的像控數(shù)據(jù)；③1∶2000數(shù)字地形圖；④河湖水岸線及自然天然斷面數(shù)據(jù)；

3 河湖確權作業(yè)流程

以遵義市匯川區(qū)仁江河河道劃界項目為例，仁江河全長45km，南北走向，流域范圍內(nèi)有高山、旱地、稻田、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、水庫，地形復雜，高低差異較大，海拔在800～1300m。為貴州比較典型的地形地貌。

3.1 數(shù)碼航攝

根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，分段對流域進行航拍，根據(jù)現(xiàn)場情況起飛高度不低于300m，航向重疊設置為80%，側邊重疊設置為70%。對于山林地段，為保證飛行安全，飛行高度選擇比最高點高150m進行飛行；鄉(xiāng)鎮(zhèn)地段對精度要求較高，地勢開闊的地段采用恒高飛行，地勢狹窄的地方采用變高飛行。

3.2 控制測量

項目平面坐標以CGCS2000國家坐標系為基準，高程選用1985國家高程基準。首級控制網(wǎng)使用當?shù)貒临Y源局提供的3個GPS-C級控制點作為啟動數(shù)據(jù)，采用GPS靜態(tài)采集全段均勻布設4對GNSS四等首級控制網(wǎng)，在首級控制網(wǎng)的基礎上同等加密控制網(wǎng)。

高程控制采用四等GNSS擬合高程，在解算軟件中加入地球重力場模型EGM2008進行擬合解算。

以上數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)，使用RTK及千尋系統(tǒng)，校正控制網(wǎng)坐標后，對測區(qū)進行像控點采集。全測區(qū)每隔600m河流兩邊做一對象控點，在無法施測地區(qū)采集高程點，保證全區(qū)域控制均勻。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

將影像數(shù)據(jù)和pos數(shù)據(jù)導入godwork（空中三角測量軟件），進行一鍵空三，提取連接點，完成pos平差，導入控制點，刺完點后，進行控制網(wǎng)平差，檢查符合精度要求后，導出測圖成果。

3.4 成果制作

3.4.1 立體維測圖

將空三成果導入mapmatrix中建立測圖工程，在立體環(huán)境下，按照1∶2000地形圖圖式規(guī)范完成測區(qū)內(nèi)全要素地形地貌采集。檢查無誤后，輸出最終成果。

3.4.2 正射影像圖制作

將空三成果導入pix4d完成正射影像圖制作及DSM數(shù)據(jù)。

3.5 成果應用

將測得的1∶2000地形圖和正射影像圖作為河湖劃界的工作底圖，根據(jù)要求在工作底圖上劃定河流管理范圍線，布設等距邊界點和拐點的界址，外業(yè)埋設界樁，根據(jù)工作底圖中提取的邊界點坐標控制邊界線。界樁和實測坐標根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行微調(diào)，將反饋的外業(yè)坐標重新布設在內(nèi)業(yè)范圍邊線上，根據(jù)最終外業(yè)的邊界坐標修改地圖上控制區(qū)域的邊界。

4 工程應用亮點

4.1 變高飛行

河湖劃界工作主要是在有河流的地方，多為山谷地區(qū)，對于航攝要求很高。對于需要進行DLG采集的航攝一般需要測區(qū)內(nèi)航高一致，且相鄰測區(qū)航高變化≤50m，如果嚴格按照要求執(zhí)行，則在很多支流區(qū)域，為了保證航攝要求，必須將整個測區(qū)細化成很多個小區(qū)，這樣劃分將極大的降低航拍效率，加大數(shù)據(jù)量，也增加了不少內(nèi)業(yè)工作量。

在實際作業(yè)中，利用飛馬D2000自帶的變高飛行功能，在確定測區(qū)無高壓電桿電線的情況下，延河溝設計兩條航線，進行變高飛行，極大的提高了飛行效率，節(jié)省了飛行時間，也減少了數(shù)據(jù)量，提高了內(nèi)業(yè)效率。

4.2 免像控技術

經(jīng)測試，項目中發(fā)現(xiàn)，飛馬D2000的實時差分技術搭配40mm鏡頭，在航飛高度不超過500m時，特別是在變高飛行的情況下，精度滿足1∶2000地形圖作業(yè)要求。這種方式能極大的節(jié)省外業(yè)控制時間，特別是在山林地區(qū)，很多地方無法采集像控數(shù)據(jù)，這種作業(yè)方式同樣能夠保證成圖精度。

4.3 DSM應用

在項目非常緊急的情況下，來不及成圖?？梢允褂肞IX4D軟件對原始數(shù)據(jù)進行匹配計算，得到正射影像圖的同時，輸出DSM成果。利用EPS2020地理信息工作站傾斜攝影三位測圖系統(tǒng)的垂直攝影功能，加載DSM，可以將PIX4D生成的彩色點云，導入軟件，利用三維界面，在點云上進行斷面測量，及岸線規(guī)劃和界樁點布設。這種方式極大節(jié)省了過程數(shù)據(jù)的生產(chǎn)過程，DSM精度高，也滿足規(guī)劃要求，與后期成圖后的精度一致，可以作為最終成果應用，而且該模式的DSM接近實景三維的效果，對于規(guī)劃人員更加真實，接近現(xiàn)場實際情況，規(guī)劃布設精度更高。

5 結語

總而言之，利用無人機攝影測量技術在河湖劃界工程，特別是一些新型技術、成果應用方式，與傳統(tǒng)測量方式相比，可以極大的節(jié)省人力物力，能有效提高河湖測量項目的工作效率，降低實地勘察工作風險。通過使用無人機攝影測量結果繪制的地形圖，精度完全滿足1∶2000大比例尺測繪的要求，這也保證了河湖劃界的準確性。