無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在水庫(kù)庫(kù)容量算中的應(yīng)用

李鑫龍，阮寶民，陳和權(quán)

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130062）

0 引言

無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)是近年來出現(xiàn)的一項(xiàng)新興測(cè)量技術(shù)，作為一項(xiàng)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，可以實(shí)現(xiàn)影像的實(shí)時(shí)傳輸、高危地區(qū)探測(cè)[1]，具有技術(shù)靈活、成本低、高效等優(yōu)點(diǎn)[2]。隨著科技進(jìn)步，無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在軟硬件方面有了巨大的突破，免相控技術(shù)的出現(xiàn)使得生產(chǎn)效率有了更大的提升，利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以自動(dòng)生成三維模型和數(shù)據(jù)點(diǎn)云，簡(jiǎn)化了后續(xù)繪圖工作，可以為水庫(kù)庫(kù)容量算提供精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

目前水庫(kù)庫(kù)容的常規(guī)計(jì)算方法大致有幾種：地形法，通過常規(guī)的地形測(cè)量，獲取庫(kù)區(qū)的地形圖資料，通過應(yīng)用不同的插值模擬方法計(jì)算水庫(kù)庫(kù)容容量；斷面法，通過測(cè)量庫(kù)區(qū)內(nèi)布設(shè)的斷面及計(jì)算軟件估算庫(kù)區(qū)庫(kù)容；混合法，將幾種方法綜合使用。對(duì)比幾種方法，在庫(kù)容求取過程中，都存在人工重復(fù)操作繁瑣、自動(dòng)化程度低等問題。隨著航測(cè)遙感技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集和計(jì)算方法變得愈加豐富，劉東、李艷利用遙感技術(shù)成功估算了鄱陽湖庫(kù)容容量[3]；張晨、牟乃夏等人應(yīng)用無人船等技術(shù)手段精確計(jì)算了梅州水庫(kù)庫(kù)容量[4]；王珂應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)地下洞庫(kù)庫(kù)容進(jìn)行了計(jì)算[5]；何亮、李端有等人基于ArcEngine和多波束技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)庫(kù)容的高精度計(jì)算分析[6]。

下文以黑龍江某地區(qū)抽水蓄能項(xiàng)目為依托，應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行庫(kù)區(qū)地形數(shù)據(jù)信息采集，基于ARCGIS技術(shù)，建立庫(kù)容容積計(jì)算模型，從而實(shí)現(xiàn)庫(kù)容容量與曲線圖的半自動(dòng)化生產(chǎn)，最后通過與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，分析模型精度，最后總結(jié)出一套完整的計(jì)算流程，為今后水庫(kù)庫(kù)容量算提供一種新的計(jì)算方法。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

此次工程為黑龍江省某地區(qū)的抽水蓄能電站施工項(xiàng)目，測(cè)區(qū)位于牡丹江中下游地區(qū)，屬于寒溫帶大陸性氣候，四季分明，春秋季短，夏季高溫多雨，冬季漫長(zhǎng)寒冷。年平均氣溫4.4℃，年平均降水量540 mm。項(xiàng)目區(qū)平均海拔400 m，丘陵遍布，山巒起伏，層巒疊嶂。項(xiàng)目要求計(jì)算項(xiàng)目區(qū)上庫(kù)盆區(qū)域水庫(kù)庫(kù)容，測(cè)量面積約1.1㎞2。

1.2 無人機(jī)選取

根據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)書設(shè)計(jì)航測(cè)區(qū)域，結(jié)合測(cè)區(qū)綜合考慮安全、效率、效果等因素。采用華測(cè)P560六旋翼無人機(jī)搭載睿鉑RIY-DG3傾斜相機(jī)進(jìn)行高精度傾斜數(shù)據(jù)采集，P560無人機(jī)是上海華測(cè)導(dǎo)航股份技術(shù)有限公司自主研發(fā)的專業(yè)級(jí)旋翼無人機(jī)飛行平臺(tái)，采用免工具快拆結(jié)構(gòu)，航攝時(shí)間長(zhǎng)、抗風(fēng)性能強(qiáng)、負(fù)載能力強(qiáng)，并具備一定雨中作業(yè)能力。

1.3 航攝儀確定

航空攝影測(cè)量的地面分辨率取決于無人機(jī)航攝高度與航攝儀的選取。此次航測(cè)項(xiàng)目選用睿鉑RIY-DG3傾斜相機(jī)，設(shè)計(jì)地面分辨率為0.017 m。共飛行5架次，航測(cè)時(shí)間定為晴朗天氣狀況下10:00—12:00進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)處理

三維建模之前，對(duì)航片進(jìn)行簡(jiǎn)單整理：剔除不合格的航片，如曝光嚴(yán)重、對(duì)焦失敗、拍攝拖影、拍攝到無人機(jī)腳架、構(gòu)圖嚴(yán)重不合理等；刪除起飛和降落時(shí)拍攝的相片。三維建模主要包括空中三角測(cè)量、生成密集點(diǎn)云、構(gòu)建TIN模型、自動(dòng)紋理切片等過程。

利用ENVI5.1軟件對(duì)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分類與信息提取，可進(jìn)行建筑物輪廓、電力線桿、樹木等地物的自動(dòng)提取，并完成三維模型的構(gòu)建。利用剔除樹木房屋等明顯地物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM數(shù)據(jù)。

2 庫(kù)容量算

一定設(shè)計(jì)水深范圍內(nèi)形成四棱柱三維立體模型，每個(gè)棱柱的體積疊加成某一設(shè)計(jì)水深的庫(kù)容。在構(gòu)成的立體模型中，對(duì)不同設(shè)計(jì)水位進(jìn)行立體分割，可以得出不同設(shè)計(jì)水位相對(duì)應(yīng)的庫(kù)容和相應(yīng)的設(shè)計(jì)數(shù)位面積。將各設(shè)計(jì)水位面積與相應(yīng)容積繪制成圖，構(gòu)成相應(yīng)庫(kù)容曲線。該項(xiàng)目基于GIS平臺(tái)，采用構(gòu)建TIN數(shù)字高程模型的方法，利用GIS統(tǒng)計(jì)分析與二次開發(fā)的功能，實(shí)現(xiàn)庫(kù)容的自動(dòng)化量算，最終直接輸出庫(kù)容曲線圖。

3 對(duì)比分析

從項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集到后期計(jì)算結(jié)果檢查提交，總共用時(shí)2個(gè)工作日。為了驗(yàn)證模型計(jì)算精度，將自動(dòng)生成的庫(kù)容計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)后計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用椎體計(jì)算方法進(jìn)行庫(kù)容量算，計(jì)算水庫(kù)面積和相應(yīng)的庫(kù)容容積。選取設(shè)計(jì)高程592～600 m區(qū)間內(nèi)的庫(kù)容面積容積計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如表1所示，V表示傾斜攝影測(cè)量方法計(jì)算庫(kù)容容積值，V′表示傳統(tǒng)實(shí)測(cè)方法計(jì)算庫(kù)容容積值?？梢钥闯?，兩種方法計(jì)算庫(kù)容結(jié)果相差在10%左右。分析差值原因：三維模型法是將整個(gè)水庫(kù)庫(kù)盆范圍模擬成三維模型，與實(shí)際地形高度相似，而實(shí)測(cè)等高線模擬法是將庫(kù)盆地區(qū)模擬為光滑的棱錐，所以三維模型法計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際庫(kù)容量，可以推斷三維模型計(jì)算庫(kù)容量方法可行。

4 結(jié)語

研究分析表明，三維傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有獲取數(shù)據(jù)速度快、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，并可以將其應(yīng)用在水庫(kù)庫(kù)容量算中。通過應(yīng)用三維傾斜攝影測(cè)量技術(shù)手段，獲取水庫(kù)范圍內(nèi)的高精度數(shù)字高程模型。基于GIS技術(shù)，將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，自動(dòng)剔除影響因素，最終實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化庫(kù)容曲線出圖，并與實(shí)測(cè)方法進(jìn)行比較分析。結(jié)果顯示，應(yīng)用攝影測(cè)量技術(shù)，結(jié)合GIS理論方法計(jì)算水庫(kù)庫(kù)容，不僅計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，而且可以節(jié)省人力物力，為以后工程、房產(chǎn)、地籍等測(cè)量工作提供了新的思路與方法，更為測(cè)繪事業(yè)的發(fā)展拓寬了道路。