無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在山塘劃界中的應(yīng)用

仲偉凡， 謝燦燦，周海偉

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310020；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020；3.杭州市房地產(chǎn)發(fā)展研究中心，浙江 杭州 310006）

1 問題的提出

山塘承擔(dān)著農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)民飲水、農(nóng)村環(huán)境、農(nóng)居消防等綜合功能，是山區(qū)居民賴以生存的基礎(chǔ)。目前由于大多數(shù)山塘管理范圍和保護(hù)范圍邊界不清、土地權(quán)屬不明，造成侵占水利工程管理與保護(hù)區(qū)域、破壞水利工程設(shè)施、與水爭地等現(xiàn)象時有發(fā)生，影響了山塘的安全運(yùn)行。山塘劃界是保護(hù)山塘安全、保障山塘科學(xué)管理的重要舉措，采用傳統(tǒng)測繪方法無論是工作效率還是成果展示形式，都不能滿足當(dāng)前工期要求和信息化需求[1]。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作為一項(xiàng)新型測繪技術(shù)，具有效率高、機(jī)動靈活、實(shí)景展現(xiàn)等優(yōu)勢，將其應(yīng)用于山塘劃界工作，可快速、有效地為實(shí)現(xiàn)山塘信息化、科學(xué)化管理提供基礎(chǔ)資料。

2 山塘劃界工作

山塘劃界主要是根據(jù)山塘所處的地質(zhì)條件、工程結(jié)構(gòu)、工程規(guī)模、安全需要和周邊土地利用狀況，對山塘劃定管理范圍和保護(hù)范圍，埋設(shè)界樁和公告牌。管理范圍為山塘建設(shè)占地以及有關(guān)工程安全、生產(chǎn)、管理和觀測設(shè)施占地的總面積；保護(hù)范圍指管理范圍以外為確保山塘安全、進(jìn)行正常維護(hù)以及水資源保護(hù)所劃定的范圍[2]。山塘劃界主要工作內(nèi)容包括：

（1）前期準(zhǔn)備工作：收集整理山塘管護(hù)范圍1:10 000及以上比例尺地形圖、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影響（DOM）；參照現(xiàn)行相關(guān)政策性文件、法律法規(guī)和工程立項(xiàng)審批文件等，征求山塘主管部門意見，制定劃界標(biāo)準(zhǔn)；開展地形要素測繪、基準(zhǔn)線測定及底圖制作，基準(zhǔn)線即劃界特征線，為管理范圍線和保護(hù)范圍線的參照基準(zhǔn)線。

（2）劃界實(shí)施：根據(jù)制定的劃界標(biāo)準(zhǔn)及收集的相關(guān)資料，在劃界底圖上劃定管護(hù)范圍線，并在一定間隔和拐點(diǎn)處預(yù)布設(shè)界樁和告示牌；劃界方案送審報批；方案通過后對界樁點(diǎn)外業(yè)放樣測量，埋設(shè)預(yù)制的界樁、告示牌。

（3）檢查驗(yàn)收：對劃界成果進(jìn)行整理、檢查并提交主管部門歸檔。

3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)主要由飛行器、機(jī)載相機(jī)、地面控制站3部分組成，在飛行平臺上搭載的相機(jī)一般由5個鏡頭組成，能同時從1個垂直方向和4個傾斜方向獲取地物影像，全方位獲取地面完整真實(shí)的紋理信息[3]。地面控制站對無人機(jī)飛行過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，同時可規(guī)劃測區(qū)航線，制定飛行計(jì)劃。該技術(shù)通過建模軟件，利用采集的地面影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)（定位與姿態(tài)數(shù)據(jù)）和地面控制點(diǎn)，可獲取具有真實(shí)色澤、幾何形態(tài)及細(xì)節(jié)構(gòu)成的三維模型。三維模型生產(chǎn)流程見圖1。

圖1 三維模型生產(chǎn)技術(shù)流程圖

4 工程實(shí)施

目前基于三維模型的測圖技術(shù)成為新趨勢。三維測圖技術(shù)集成三維模型、傾斜影像及地面近景影像，提供多種觀察視圖、采編工具，完成地物要素的采集編輯及屬性錄入。該技術(shù)突破傳統(tǒng)立體測圖模式，直接在實(shí)景三維模型上操作，無需佩戴立體眼鏡，可實(shí)現(xiàn)多視角自動優(yōu)選影像；采集精度高，滿足1:500測圖精度要求；該技術(shù)應(yīng)用到山塘劃界工作中可大大縮短工作周期，減少外業(yè)工作。

山塘管理范圍和保護(hù)范圍劃界工作采用內(nèi)外業(yè)結(jié)合方式，即外業(yè)實(shí)測地形圖及采集三維模型數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)劃定管理范圍線和保護(hù)范圍線。具體實(shí)施分為以下3個步驟：①外業(yè)實(shí)測壩體1:500比例尺地形圖，航拍獲取山塘影像分辨率為2 cm的三維模型數(shù)據(jù)；②根據(jù)管護(hù)范圍線劃定標(biāo)準(zhǔn)，并依據(jù)收集到的其他資料，如1:2 000地形圖、山塘規(guī)劃圖等作為劃界部分依據(jù)，基于壩體1:500地形圖劃定壩體管護(hù)范圍線，基于三維模型數(shù)據(jù)劃定庫區(qū)管護(hù)范圍線，并在一定間隔和拐點(diǎn)處布設(shè)界址點(diǎn)；3制作山塘劃界成圖圖集。實(shí)施流程見圖2。

圖2 山塘劃界實(shí)施流程圖

4.1 航測數(shù)據(jù)采集

4.1.1 像控點(diǎn)測量及影像獲取

像控點(diǎn)測量工作內(nèi)容主要有：①技術(shù)方法。像片控制測量采用ZJCORS網(wǎng)絡(luò)RTK快速靜態(tài)測量技術(shù)，GPS信號弱等困難區(qū)域采用RTK結(jié)合全站儀的方式進(jìn)行采集。②位置和間隔。控制點(diǎn)應(yīng)均勻分布在測區(qū)，壩體兩端必須布設(shè)像控點(diǎn)，同時按照50～150 m間隔均勻布設(shè)，房屋密集區(qū)適當(dāng)加密。3道路紋理少、草叢繁茂的山塘，需在航飛前布設(shè)控制點(diǎn)并在地面做明顯標(biāo)志。

影像獲取工作內(nèi)容主要有：采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行影像獲取，影像分辨率為2 cm。對GPS信號弱等無法進(jìn)行像控點(diǎn)測量的區(qū)域，采用無人機(jī)+PPK后差分傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行控制測量與影像獲取，下視航向重疊度為80%、旁向重疊度為70%。

4.1.2 模型生產(chǎn)范圍

根據(jù)山塘類型確定航攝范圍并進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，所有山塘除大壩一側(cè)，其他側(cè)面外擴(kuò)50 m。大壩一側(cè)范圍為：①高壩山塘和屋頂山塘壩址下游外擴(kuò)500 m。②普通山塘若100 m內(nèi)有村莊或有明顯影響的區(qū)域，壩址下游外擴(kuò)500 m；若山塘附近無村莊或無明顯影響的區(qū)域，壩址下游外擴(kuò)75 m（見圖3）。

4.1.3 航飛范圍

一般情況下，傾斜攝影航飛外擴(kuò)范圍為飛行高度值，但鑒于山塘山體影響，以模型生產(chǎn)范圍為基準(zhǔn)線外擴(kuò)2個航飛基線。

圖3 模型生產(chǎn)及航飛范圍設(shè)計(jì)示意圖

4.2 模型生產(chǎn)

基于影像、POS數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)測量成果，利用建模軟件，通過像控點(diǎn)關(guān)聯(lián)、空中三角測量、影像密集匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建、影像紋理映射等流程，生產(chǎn)高精度三維模型。粗生產(chǎn)的三維模型存在模型空洞、紋理缺失等問題，需要對三維模型進(jìn)行編輯和優(yōu)化，并進(jìn)行大量模型修飾。以某山塘為例，像控點(diǎn)重投影誤差均小于1 px，空三加密滿足精度要求。空三精度報告見表1。

表1 空三精度報告表

根據(jù)GB/T 23236——2009《數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》的要求，檢查點(diǎn)在山地區(qū)域平面位置中誤差最大限值0.35 m，高程中誤差最大限值0.40 m。以某山塘為例，設(shè)置10個檢查點(diǎn)，在三維模型中量測獲取同名點(diǎn)三維坐標(biāo)，與實(shí)際測量值誤差見表2，空三精度滿足1:500地形圖生產(chǎn)要求。

表2 模型與實(shí)測點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)分析表 m

續(xù)表2

4.3 三維測圖

在三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行三維測圖，獲取1:500比例尺條帶地形圖，確定設(shè)計(jì)洪水位等值線，從而劃定庫區(qū)管理范圍和保護(hù)范圍（見圖4）。

圖4 實(shí)景三維測圖

5 結(jié) 語

本文以某地區(qū)山塘為例，采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)和傳統(tǒng)測量方法相結(jié)合，獲取山塘實(shí)景三維模型、DOM、DSM以及地形圖，從而劃定山塘管理范圍和保護(hù)范圍邊界。結(jié)果表明，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作為一項(xiàng)新型航空遙感技術(shù)，是傳統(tǒng)測量方法的有力補(bǔ)充，具有影像分辨率高、機(jī)動靈活、快速高效、成本低、成果直觀、試用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，適用于山塘管理范圍和保護(hù)范圍劃界工作。