無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在河道治導(dǎo)線規(guī)劃中的應(yīng)用

李曉娥

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030024）

0.引言

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量簡(jiǎn)稱無(wú)人機(jī)航攝，是以無(wú)人機(jī)搭載傳感器設(shè)備（數(shù)碼相機(jī)）對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行航飛獲取影像數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生產(chǎn)數(shù)字正射影像圖、數(shù)字三維圖，結(jié)合地面控制、外業(yè)調(diào)繪和計(jì)算機(jī)立體測(cè)繪，進(jìn)行成圖的一種新型測(cè)繪技術(shù)，它是對(duì)傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量手段中的有力補(bǔ)充，已廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。本文是在水利工程河道治導(dǎo)線規(guī)劃項(xiàng)目中充分利用無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)進(jìn)行航測(cè)成圖，并通過(guò)對(duì)比實(shí)地檢查點(diǎn)計(jì)算測(cè)量精度，分析和評(píng)價(jià)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在水利工程中的可行性。

1.項(xiàng)目概況

河道治導(dǎo)線遵循河道的自然演變規(guī)律及其演變趨勢(shì)，本著以人為本、人與自然和諧的理念，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，從而兼顧上下游以及河道兩岸的需要，協(xié)調(diào)防洪、灌溉、排澇、水力發(fā)電、供水、文化景觀和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等各種關(guān)系進(jìn)行的一項(xiàng)利國(guó)利民的工程。此次治導(dǎo)線長(zhǎng)224km，流域面積為7705km2，為山區(qū)性河流，河道彎曲，水流不穩(wěn)定，河床左右擺動(dòng)，凹岸坍塌，岸蝕劇烈。測(cè)區(qū)地形呈狹長(zhǎng)帶狀，兩岸懸崖陡峭，高差較大、樹木較多，通視困難，大部分河道缺少防洪設(shè)施，河流在峽谷中順著地勢(shì)繞行而下。多年平均徑流量為3.2×108m3，最小年徑流為0.8×108m3，最大年徑流為7.5×108m3；該地屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，具有山區(qū)氣候之特點(diǎn)，氣溫日變化較大，降水量年內(nèi)分配不均勻，河道內(nèi)跨河建筑物和河道侵占物很多，通過(guò)治導(dǎo)線規(guī)劃治理，建立所屬范圍明確、權(quán)屬界限清晰、責(zé)任落實(shí)到位的河湖管理和水利工程管理責(zé)任體系，為山西省各個(gè)河湖管理以及今后河道兩岸新建、續(xù)建堤防工程提供依據(jù)。

2.技術(shù)路線

本項(xiàng)目采用輕型固定翼無(wú)人機(jī)搭載索尼數(shù)碼相機(jī)獲取數(shù)字影像，獲取河道及建筑物影像，根據(jù)像控成果進(jìn)行空三加密，生成DSM和DOM，從而在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)中建立立體模型，并采集各種地形、地物要素，在南方CASS軟件環(huán)境下，進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)的編輯和整飾，最終形成數(shù)字線劃圖（DLG）成果。

無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)測(cè)繪的總體技術(shù)流程（如圖1所示）：

圖1 總體技術(shù)流程

3.航空攝影

3.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)

3.1.1 資料收集和方案選擇

根據(jù)技術(shù)要求確定此次航測(cè)的作業(yè)范圍，收集航飛區(qū)域內(nèi)的地形地貌、植被、重要設(shè)施、周邊機(jī)場(chǎng)、道路交通、城鎮(zhèn)布局、人口密度等信息以及國(guó)家控制點(diǎn)、影像圖資料、地形圖以及氣象、水文等資料，為分析、研究并制定最佳的測(cè)繪作業(yè)實(shí)施方案做準(zhǔn)備。

3.1.2 實(shí)地勘察和方案制定

作業(yè)人員要對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)地踏勘，根據(jù)實(shí)際情況，制定詳細(xì)的飛行技術(shù)方案。無(wú)人機(jī)飛行起降場(chǎng)地的選擇，要充分考慮飛行場(chǎng)地的寬度、飛行的風(fēng)向、場(chǎng)地的凈空范圍、飛行通視等情況。

3.1.3 航線規(guī)劃

根據(jù)飛行任務(wù)和低空數(shù)字?jǐn)z影規(guī)范，結(jié)合天氣、地形等各種因素，通過(guò)地面軟件對(duì)航線進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定航攝比例尺，計(jì)算航間距、航行速度以及航飛高度，預(yù)估航飛架次，采用垂直升降方式起降。飛行時(shí)天氣晴朗，測(cè)區(qū)能見度良好。

3.1.4 飛行檢查

每次起飛之前，需仔細(xì)檢查系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常；飛行時(shí)，保持航高、最大航高和最小航高差，不大于規(guī)范限差；飛行結(jié)束，要對(duì)旁向重疊、航向重疊等要素進(jìn)行檢查，不符合技術(shù)要求的產(chǎn)品，及時(shí)補(bǔ)攝、重?cái)z；每次飛行結(jié)束要填寫航飛記錄表。

3.1.5 航攝基本要求

3.1.5.1 航攝分區(qū)航攝區(qū)域分為南、北、東三個(gè)區(qū)。

3.1.5.2 比例尺與影像地面分辨率的關(guān)系（如表1所示）：

表1 比例尺與影像地面分辨率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.1.5.3 基準(zhǔn)面和航高確定

攝影基準(zhǔn)面、相對(duì)航高、絕對(duì)航高按公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）計(jì)算：

式中，h基為 基準(zhǔn)面高度；h高平均、h低平均為分區(qū)內(nèi)具有代表性的高點(diǎn)高程和低點(diǎn)高程；n為高點(diǎn)高程或低點(diǎn)高程的個(gè)數(shù)；

式中，H為相對(duì)航高；M為攝影比例尺分母；F為焦距；

式中，H0為飛機(jī)攝影時(shí)的海拔高度（絕對(duì)航高）；h為基準(zhǔn)面高度。

3.1.5.4 攝區(qū)覆蓋保證

在航攝重疊范圍滿足主要技術(shù)要求的前提下，航向、旁向攝影范圍的選取由設(shè)計(jì)軟件自動(dòng)向外擴(kuò)展，保證滿足航攝覆蓋。一般航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線大于2條基線，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線大于像幅的50%。

3.1.6 航攝質(zhì)量檢查

航空攝影區(qū)域面積約200 km2（長(zhǎng)224km、寬1km），無(wú)人機(jī)航飛結(jié)束后，無(wú)人機(jī)機(jī)體無(wú)損傷，飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量均達(dá)標(biāo)。像片重疊度：航向重疊度為63%，旁向重疊度為55%；像片傾斜角：飛行最大仰角為2.5°，最大滾轉(zhuǎn)角為3.5°，不大于規(guī)范的5°；像片旋偏角：最大像片旋偏角為5°，小于規(guī)范最大像片旋偏角不大于15°。同一航線上相鄰像片的航高差最大為8m，最大航高與最小航高之差為20m，小于單航線最大航高變化不大于30m和全架次最大航高變化不大于50m的要求。

3.2 像控測(cè)量

3.2.1 像控點(diǎn)的平面測(cè)量

平面坐標(biāo)采用山西省連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)網(wǎng)及綜合服務(wù)系統(tǒng)（SXCORS）的網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量的方法。RTK直接接收網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，通過(guò)SXCORS系統(tǒng)解算，計(jì)算出2000國(guó)家大地坐標(biāo)系坐標(biāo)。像控點(diǎn)相對(duì)于鄰近等級(jí)控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差均不大于圖上0.1mm。

3.2.2 像控點(diǎn)的高程測(cè)量

高程控制采用基于大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS高程測(cè)量。依據(jù)采集系統(tǒng)提供的BLH，經(jīng)山西省測(cè)繪地理信息院CORS系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，像控點(diǎn)高程中誤差不大于1∕10等高距，依據(jù)規(guī)范《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》表5.5.1其精度可以達(dá)到四等精度。

3.3 數(shù)據(jù)處理

利用PIX4D軟件進(jìn)行空三加密，生成DSM（數(shù)字表面模型）點(diǎn)，通過(guò)處理數(shù)字表面模型點(diǎn)得到數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，然后利用高程模型數(shù)據(jù)對(duì)影像進(jìn)行影像糾正及鑲嵌，快速生成DOM。

初始影像位置及調(diào)整后位置（如圖2、圖3所示）：

圖2 初始影像圖像位置

圖3 計(jì)算圖像/GCP/手動(dòng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置

自動(dòng)處理完成后生成空三成果、DSM和DOM初步成果，通過(guò)調(diào)整拼接、投影切換、混合影像對(duì)DOM編輯制作生成最終的正射影像成果（如圖4所示）：

圖4 處理完成后的最終正射影像成果

對(duì)航空攝影成果進(jìn)行了質(zhì)量檢查，DOM影像灰度直方圖基本呈正態(tài)形狀分布，影像色調(diào)均衡、層次分明、反差適中，色彩不失真；鑲嵌后的DOM無(wú)明顯拼接痕跡、紋理清晰、過(guò)渡自然、無(wú)重影、紋理斷裂或模糊等現(xiàn)象；DOM上的地物地貌真實(shí)，無(wú)扭曲變形，無(wú)噪聲等缺陷。最終航攝資料完整，項(xiàng)目?jī)?nèi)容齊全，提供的攝區(qū)相應(yīng)分辨率的影像數(shù)據(jù)資料，能夠滿足后續(xù)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量生產(chǎn)使用需要。

3.4 質(zhì)量和精度分析

質(zhì)量和精度分析主要是對(duì)空三像控點(diǎn)及加密點(diǎn)的平面中誤差和高程中誤差進(jìn)行分析評(píng)定。

空三像控點(diǎn)的平面、高程中誤差計(jì)算按公式（6），誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如表2所示）：

表2 空三像控點(diǎn)誤差及中誤差統(tǒng)計(jì)表

像控點(diǎn)平面位置中誤差和高程位置中誤差限差（如表3所示）：

表3 像控點(diǎn)平面位置中誤差和高程位置中誤差限差

從上述可知，此次航攝影像數(shù)據(jù)處理像控點(diǎn)精度均滿足規(guī)范要求。

3.5 數(shù)字線劃圖制作

3.5.1 外業(yè)調(diào)繪

采用先內(nèi)后外的作業(yè)模式，影像上清晰的地物、地貌可由內(nèi)業(yè)成圖時(shí)測(cè)繪，野外調(diào)繪只調(diào)繪影像不清晰和不能看到的地物、地貌，應(yīng)重點(diǎn)調(diào)繪獨(dú)立地物、岸上的航標(biāo)燈、電桿、水井、水窯、窯洞、管線、道路、水系、植被、注記、新增居民地、建筑物、防洪堤、進(jìn)水閘等水利專業(yè)要素等。

（1）各類圖式符號(hào)的規(guī)格、尺寸、定位點(diǎn)、定位線及注記執(zhí)行《GB-T20257.1-2017國(guó)家基本比例尺地圖圖式第1部分：1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖圖式》相關(guān)規(guī)定。

（2）在像片上能分辨出各種地物性質(zhì)的，只做數(shù)量與性質(zhì)說(shuō)明，位置和形狀在內(nèi)業(yè)立體模型上采集。

（3）航測(cè)后已變化的地物和不需要表示出來(lái)的地物，在像片上用紅色“×”劃去，大范圍變化區(qū)域用紅線圈起來(lái)，并加以說(shuō)明。

（4）調(diào)繪需反映現(xiàn)狀，對(duì)于圖片模糊、地物被影像或陰影遮蓋（包括無(wú)明顯影像的獨(dú)立地物）要到實(shí)地量取，無(wú)法量取時(shí)需實(shí)地補(bǔ)測(cè)。

（5）房屋調(diào)繪需標(biāo)注房屋層數(shù)。

（6）正在建設(shè)或施工的區(qū)域要用范圍線表示。

（7）調(diào)繪人員需在調(diào)繪圖上簽名，便于追溯和質(zhì)量跟蹤。

（8）不讓作業(yè)員進(jìn)入的保密單位、部隊(duì)和拒測(cè)單位，用內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)表示即可。

3.5.2 外業(yè)補(bǔ)測(cè)

檢查各種地物、地貌的準(zhǔn)確性、完整性和合理性，并對(duì)錯(cuò)誤逐個(gè)剔除和更正，不完整的地物、地貌補(bǔ)測(cè)完整，不合理的地物、地貌修改合理。新增地物在調(diào)繪時(shí)補(bǔ)測(cè)，要量測(cè)到中心點(diǎn)或中心線位置，還需注意其方向和形狀大小。

3.5.3 內(nèi)業(yè)編輯

數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)編輯在CASS9.1軟件下進(jìn)行。經(jīng)過(guò)外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測(cè)，采用數(shù)字地形圖編輯軟件，對(duì)外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯整理，內(nèi)業(yè)編輯完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)檢查和歸層，回放圖和外業(yè)調(diào)繪圖進(jìn)行對(duì)照，發(fā)現(xiàn)漏繪的、錯(cuò)繪的、表示不合理的均用紅筆標(biāo)出，并進(jìn)行外業(yè)巡視檢查，進(jìn)行二次編輯修改成圖。

3.5.4 無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)大比例尺地形圖成圖精度評(píng)定

項(xiàng)目完成后，對(duì)1∶2000線劃地形圖（185幅）及索引圖（7幅）進(jìn)行了圖面檢查：圖式符號(hào)運(yùn)用正確，各要素綜合取舍得當(dāng)，圖面清晰易讀、層次分明，成果質(zhì)量及精度符合規(guī)范要求。并抽取了25幅地形圖進(jìn)行了外業(yè)抽檢，檢查圖幅占總圖幅數(shù)的13.5%，大于規(guī)范10%的要求。

3.5.5 地形圖平面精度評(píng)定

質(zhì)量評(píng)定的過(guò)程中，重點(diǎn)對(duì)線劃圖平面精度、高程點(diǎn)注記精度進(jìn)行評(píng)定。共計(jì)128個(gè)平面檢查點(diǎn)，精度統(tǒng)計(jì)（如表4所示）：

表4 平面、高程檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表

地物平面位置中誤差和高程注記點(diǎn)高程中誤差規(guī)范要求限差（如表5所示）：

表5 地物平面位置中誤差和高程注記點(diǎn)高程中誤差規(guī)范要求限差

此次無(wú)人機(jī)航測(cè)地形圖測(cè)量的平面和高程中誤差精度均滿足1∶2000地形圖的精度要求。

4.結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)具有機(jī)動(dòng)、靈活、操作簡(jiǎn)單、精度高、成本降低等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為測(cè)繪領(lǐng)域新的首選，就以該項(xiàng)目為例，使用該技術(shù)，大大減少了數(shù)字化測(cè)圖的工作量，外業(yè)調(diào)繪量也降低65%以上，精度完全滿足規(guī)范要求，改變了傳統(tǒng)測(cè)量的工作模式，為水利工程大比例尺地形圖的測(cè)繪提供了新的技術(shù)手段。