無人機航測技術在信陽某水庫劃界中的應用研究

申圓文

信陽市水利勘測設計院 河南 信陽 464000

1 研究背景

2016年10月11日,中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)《關于全面推行河長制的意見》,提出依法劃定河湖管理范圍的主要任務[1]。自國務院下發(fā)有關文件后,各省開始有序開展各類河道、湖泊、水庫以及各種水利設施的劃界工作。由于河湖劃界屬于近年來新提出的工作任務,各測繪單位在此領域的工作經驗都較少,如果使用傳統(tǒng)的測繪技術開展此項任務,工作量將十分巨大,無法在業(yè)主規(guī)定時間內完成任務目標。近兩年各測繪單位也不斷積極尋找新技術新方法來取代傳統(tǒng)測量技術,希望在作業(yè)效率有所提高,而大多數單位探索使用無人機航測技術或搭載激光雷達來替代傳統(tǒng)的外業(yè)測量。本文主要介紹利用積云1號固定翼無人機一體化測圖系統(tǒng)在水庫劃界中的應用研究,詳細闡述該無人機航測系統(tǒng)在水庫劃界中的應用流程,驗證了積云1號航測系統(tǒng)在水庫劃界中的可行性與高效性,希望為其他工作者在本領域工作中提供一種可行方案。

2 無人機攝影測量技術原理與流程

攝影測量是利用攝像機來獲取被攝物體的影像,通過影像來研究被攝物體的形狀、大小、位置及相互關系的一種科學技術。根據飛行平臺與被攝物體遠近的不同,一般將攝影測量分為：航天攝影測量、航空攝影測量、地面攝影測量以及近景攝影測量和顯微攝影測量。近年來隨著無人機技術的飛速發(fā)展,無人機在飛行穩(wěn)定性、續(xù)航以及載荷方面得到很大提高,無人機航測技術也得到快速的發(fā)展。攝影測量的主要特點是直接在相片上進行量測、解譯,無需直接接觸被攝物體,所以不需工作人員進入到實地,這樣將大大節(jié)省外業(yè)勞動力,提高工作效率。

攝影測量主要是研究被攝物體的影像來獲取地物的形狀、大小以及位置信息[3],其主要原理步驟包括：1、影像內定向；2、影像相對定向；3、影像的絕對定向；4、影像連接點的提??；5、DSM與DOM的生成制作,包括影像的鑲嵌與拼接；6、其他產品的生成,如點云、等高線或三維紋理的生成,通過以上流程最終獲取攝影測量各種產品。

3 水庫劃界項目技術要點

根據《河南省河湖管理范圍和水利工程管理與保護范圍劃定技術指南》,水庫須完成管理范圍線與保護范圍線的劃界工作[2]。水庫劃界與河道劃界要求不同,河道劃界工作以多少年一遇洪水位來確定管理范圍線,無確定保護范圍線工作；而水庫劃界是以遷賠高程線來確定管理范圍線,以設計洪水位確定保護范圍線,從工作量來看,水庫劃界相對于河道劃界工作較多,但水庫劃界無需進行洪水位計算,一般遷賠高程線與設計洪水位可以在水庫歷史資料中獲取。

按照要求,大中型水庫管理范圍如下施測[2]：①整個大壩及設施占地；②主壩下游坡腳外200米,副壩下游坡腳外50至200米；③山區(qū)大壩兩頭分水嶺之間,平原地區(qū)壩頭外50米與大壩上下游坡腳外200米延長線之間；④水庫遷賠高程線以內區(qū)域；⑤輸、泄水建筑物邊線外10米至50米；⑥已劃定管理范圍線的,大于上述標準不再變更,小于以上標準的需重新劃定。保護范圍線如下施測：①主、副壩管理范圍線外延300米；②設計最高洪水位以內；③已劃定保護范圍線的,大于上述標準的不再變更,小于以上標準的重新劃定。

4 信陽某水庫劃界案例分析

本項目為信陽某大型水庫劃界工作,該水庫總面積約25.6平方千米,其中土地面積13.8平方千米,水域面積11.8平方千米,控制流域面積222平方千米,總庫容達2.33億立方米。該測區(qū)地形北側主要以丘陵為主,高差起伏不大,南側以山區(qū)為主,高差一般在70-80米,整個地形呈南高北地的趨勢。根據《河南省河湖管理范圍和水利工程管理與保護范圍劃定技術指南11.14印發(fā)》要求,再結合該水庫實際情況,該項目需完成以下工作：1、對該測區(qū)布設D級GPS控制網,且每個GPS點須聯測四等水準；2、外業(yè)航空攝影,完成1：2000正射影像圖的制作；3、測繪水庫管理范圍線與保護范圍線；4、界樁點設計；5、編寫水庫劃界技術報告,提交成果。

為后續(xù)外業(yè)測量,前期我們對水庫進行了控制測量,包括D級GPS平面控制測量、四等水準測量,本文主要介紹無人機航測在該項目的應用,故控制測量不做贅述?？刂茰y量完成后,開始無人機航空攝影,傳統(tǒng)的無人機航空攝影搭載的POS系統(tǒng)僅提供單點定位的位置信息,其精度一般在10米左右,如果內業(yè)空三要順利完成,外業(yè)必須布設大量的像控點,外業(yè)工作量勢必增大。且本項目為水庫測區(qū),像控點只能布設在水庫周邊,數量遠遠不夠。本項目采用積云1號無人機一體化測圖系統(tǒng),該系統(tǒng)搭載天寶PPK差分系統(tǒng),使用該差分系統(tǒng)可以獲取飛機拍照時刻的精確位置信息,精度一般在10cm以內,為準確的外方位元素,從而可以大大減少外業(yè)像控點的數量,提高了內業(yè)空三的速度與通過率。具體實施方法如下：

4.1 航線規(guī)劃 外業(yè)航飛前,對整個測區(qū)制定航線規(guī)劃,由于水庫面積較大,此項目共進行十三個架次,為保證正射影像的質量,影像的航向重疊率與旁向重疊率均設置為70%,相鄰架次的重疊率至少2/3個航帶寬。

4.2 布設像控點 由于積云1號無人機搭載了PPK差分系統(tǒng),即采用稀疏像控即可對整個測區(qū)完成控制。本項目在庫區(qū)周邊布設25個像控點,其中5個為檢查點,20個參與空三解算。像控點采用GNSS-RTK測量,其中每個像控點平滑采集20次,取其平均值作為最終坐標。

4.3 外業(yè)航飛 為保證飛機的安全與影像的質量,航飛選擇在天氣晴朗且無風的條件下進行,航飛高度設置為300米。為控制各地物的陰影區(qū)域,選擇在中午12點前后航飛,十三個架次分十天完成。本項目外業(yè)航測共獲取照片5431張,包含整個水庫測區(qū)。

4.4 內業(yè)數據處理 本項目內業(yè)采用Pix4Dmapper軟件進行空三解算,Pix4Dmapper軟件是由瑞士Pix4D公司研發(fā),是一款全自動、快速、高精度的一體化航測影像數據處理軟件,它內置一套逐像素密級匹配的算法,在沙漠、大面積水域、森林等特征點較少的區(qū)域仍可提取較多連接點,提高空三的通過率。而本項目屬于大面積水域測區(qū),使用該軟件有效解決了正射影像在拼接時出現的漏洞、錯位等問題,最終生成較為完美的正射影像。Pix4D軟件同樣可以生成高質量的三維彩色點云,利用點云可以生成數字表面模型DSM。軟件還可以對點云進行自動分類,如分類成地面點、對象點以及未分類點,再通過人工干預進一步篩選分類,最終分類出精確地面點,利用地面點生成數字地面模型DTM。

4.5 輔助工作線生成 本項目最大的優(yōu)勢在使用EPS三維裸眼測圖,該軟件可以將DSM或DTM與正射影像進行疊加,呈現與真實地形類似的三維場景,并可以對該三維模型進行量測、測圖,快速簡易的完成數字線劃圖DLG,真正的實現了外業(yè)工作內業(yè)化[3]。在本項目我們利用EPS生成與管理范圍線、保護范圍線接近的輔助線,并再根據實際情況對輔助線進行調整修飾,調整后的輔助線基本接近管理與保護范圍線。該輔助線可以導入到RTK手簿中,作為外業(yè)實地勘界的基礎,這樣可以避免外業(yè)人員做一些不必要的工作,大大提高了工作效率。

4.6 劃界產品制作 根據水庫劃界要求,成果整理成50*50cm分幅圖,底圖采用航空攝影生產的1：2000正射影像,將測量的管理與保護范圍線置于底圖之上,并將設計的界樁點在分幅圖上標明。該工作我們使用Global Mapper進行影像分幅,再使用PhotoShop對分幅影像勻光勻色,將影像加載至南方Cass軟件中,最終疊加上管理、保護范圍線以及設計界樁,完成劃界最終產品。

5 總結

本文主要介紹了積云1號無人機一體化測圖系統(tǒng)在水庫劃界中的具體應用,通過該案例可以看出,在水庫劃界中,除了后期外業(yè)勘測與界樁埋設,大部分工作都是基于無人機航測產品的內業(yè)工作,基本實現外業(yè)工作內業(yè)化,降低了測繪人員的工作強度,同時工作效率也大大提高。根據統(tǒng)計的精度檢測結果,所有成果均滿足項目的要求,驗證了積云1號無人機航測系統(tǒng)在水庫劃界中的可行性、高效性。