大型水利工程中無人機(jī)航測的應(yīng)用

陳占軍

河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050021

在科學(xué)信息技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，工程建設(shè)項(xiàng)目中所應(yīng)用的測量技術(shù)也逐漸邁向了科技化發(fā)展方向。在大型水利工程中，由于工程建設(shè)范圍廣，測區(qū)自然地理情況復(fù)雜，存在眾多對(duì)水利工程測量不利的影響因素。當(dāng)前，水利工程項(xiàng)目如果采用傳統(tǒng)測量技術(shù)，不僅會(huì)花費(fèi)大量的人力物力，增加成本消耗和實(shí)際測量難度，還會(huì)延長測量周期，甚至影響工程項(xiàng)目整體質(zhì)量和進(jìn)度。因此，文章所探討的大型水利工程中無人機(jī)航測的應(yīng)用具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 無人機(jī)航測技術(shù)概述

在對(duì)水利工程項(xiàng)目進(jìn)行測量的過程中，無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用主要通過搭建無人機(jī)平臺(tái)，搭載相關(guān)的航測設(shè)備，在航飛的過程中獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，通過專業(yè)的攝影測量軟件對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面的分析與處理，生成測區(qū)地形圖、正射影像、三維模型等測量產(chǎn)品，進(jìn)而服務(wù)于設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維管理。無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用主要是通過外業(yè)航飛、內(nèi)業(yè)處理等相關(guān)設(shè)備技術(shù)完成產(chǎn)品制作。為了保障無人機(jī)航測工作的順利實(shí)施，操作人員需要嚴(yán)格控制不同測量階段的無人機(jī)航測內(nèi)外業(yè)質(zhì)量。

2 飛行平臺(tái)的選擇

2.1 無人機(jī)飛行平臺(tái)

文章所采用的成都縱橫CW-15型垂直起降固定翼無人機(jī)，具有專業(yè)的地面站控制系統(tǒng)軟件和先進(jìn)的工業(yè)級(jí)飛控系統(tǒng)，可以在少量人工干預(yù)的情況下，有效地開展低空數(shù)字航空攝影。通過設(shè)置航測參數(shù)，搭載高性能航測相機(jī)，獲取高分辨率相片，從而滿足各種大比例尺地形圖測量和高精度DEM、DOM、三維模型產(chǎn)品的生產(chǎn)。CW-15型垂直起降固定翼無人機(jī)控制平臺(tái)的主要系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 CW-15型垂直起降固定翼無人機(jī)控制平臺(tái)的主要系統(tǒng)參數(shù)

在實(shí)際項(xiàng)目中，無人機(jī)平臺(tái)所搭載的相機(jī)可分為普通高分辨率相機(jī)和專業(yè)定制相機(jī)。拍攝方式主要包含定點(diǎn)和定焦兩種。

2.2 地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)主要采用CWCommander地面站軟件，該軟件不僅具備航線設(shè)計(jì)、飛行任務(wù)規(guī)劃與執(zhí)行功能，而且能夠遙測數(shù)據(jù)監(jiān)控和進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)回放分析。在無人機(jī)飛行航測過程中，其航測半徑達(dá)到35km左右，可以有效地對(duì)大范圍水利工程項(xiàng)目進(jìn)行測量。

3 無人機(jī)在大型水利工程中的綜合應(yīng)用

該水利工程項(xiàng)目位于雄安新區(qū)，主要為雄安新區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)防洪堤建設(shè)、穿堤建筑物建設(shè)以及河道疏浚，主要測量內(nèi)容為1∶500、1∶1000大比例尺地形圖和測區(qū)三維模型。測區(qū)范圍內(nèi)河道總體流向?yàn)槲鞅敝翓|南方向，堤頂高程為19.5～22.9m，主槽高程為3～18m，堤高一般為4～7m。主槽現(xiàn)狀：兩岸主要為農(nóng)田，河槽蜿蜒曲折，內(nèi)多沙坑，水深流急，河槽兩側(cè)坡坎高且陡，有坍塌危險(xiǎn)。綜上所述，該項(xiàng)目不便于進(jìn)行人工測量，因此采用無人機(jī)航測。

3.1 測區(qū)像控點(diǎn)布設(shè)

為了保證測量成果精度，尤其是高程精度，需要布設(shè)一定數(shù)量和密度的像控點(diǎn)，像控點(diǎn)一般要求圖根級(jí)精度。為了保證像控點(diǎn)精度，測區(qū)應(yīng)布設(shè)高等級(jí)平面和高程控制網(wǎng)（該項(xiàng)目首級(jí)控制網(wǎng)平面為五等，高程為三等），并以此為起算數(shù)據(jù)進(jìn)行像控點(diǎn)測量。根據(jù)相關(guān)規(guī)范、精度估算和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，像控點(diǎn)間距一般控制在300～500m，且盡量布設(shè)在航向及旁向重疊范圍內(nèi)，像控點(diǎn)要均勻覆蓋整個(gè)測區(qū)，并布設(shè)適當(dāng)?shù)臋z測點(diǎn)。像控點(diǎn)類型主要分為兩類：一是現(xiàn)場制作，采用紅（白）油漆涂繪在硬化路面，標(biāo)識(shí)出中心位置，多采用L型和十字型，標(biāo)志尺寸≥70cm，利于判讀和刺點(diǎn)；二是預(yù)制靶標(biāo)，靶標(biāo)尺寸為70cm×70cm，主要用于耕地或?yàn)┩炕牡刂械南窨攸c(diǎn)布設(shè)。

3.2 外業(yè)航拍

采用成都縱橫CW-15搭載哈蘇X1D相機(jī)結(jié)合大疆精靈4 RTK無人機(jī)進(jìn)行高分辨率傾斜攝影測量。

（1）主要技術(shù)參數(shù)?；鶞?zhǔn)面GSD（地面分辨率）為4cm。哈蘇X1D傳感器尺寸為43.8mm×32.9mm，總像素為5000萬，像素尺寸為8272×6200，像元大小為5.3μm，相機(jī)鏡頭焦距為30mm，相對(duì)航高為226.6m，絕對(duì)航高為236.6m。精靈4 RTK基準(zhǔn)面分辨率優(yōu)于3cm。傳感器尺寸為13.2mm×8.8mm，有效像素2000萬，像素尺寸為5472×3648，像元大小為2.4μm，相對(duì)高度為80～100m。

（2）航攝分區(qū)和拍攝架次劃分。測區(qū)最大高差為12m，遠(yuǎn)小于相對(duì)航高，因此就重疊度保持及滿足GSD要求而言，無須進(jìn)行航攝分區(qū)。但由于無人機(jī)采用鋰聚合物電池作為動(dòng)力能源，續(xù)航時(shí)間偏短，綜合考慮測區(qū)形狀及飛行安全和作業(yè)效率等因素，將測區(qū)分為2個(gè)子區(qū)，子區(qū)一按南北向飛行，子區(qū)二按東西向飛行。根據(jù)測區(qū)地形情況、起飛場地情況以及攝影分辨率要求等因素，使用CWCommander軟件進(jìn)行自動(dòng)航線設(shè)計(jì)。飛行時(shí)航向重疊度80%、旁向重疊度為75%。精靈4 RTK主要對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行近景多角度航拍攝影，飛行時(shí)航向重疊度、旁向重疊度均為80%。為了滿足精細(xì)化建模要求，進(jìn)行“井”字式飛行，東西向、南北向各飛行一次，確保重點(diǎn)區(qū)域影像全覆蓋。

在設(shè)計(jì)航線的過程中，設(shè)計(jì)人員需要全面分析光照方向、航線方向的風(fēng)力以及河流方向等因素。

3.3 空中三角測量

空中三角測量采用專業(yè)攝影測量軟件，將相機(jī)參數(shù)、影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，然后進(jìn)行多視角影像特征點(diǎn)密集匹配，并以此進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)的自由網(wǎng)多視影像聯(lián)合約束平差解算，建立空間尺度可以適度變形的立體模型，完成相對(duì)定向；將外業(yè)測定的相片控制點(diǎn)成果在內(nèi)業(yè)環(huán)境中進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，利用這些像控點(diǎn)，對(duì)已有區(qū)域網(wǎng)模型進(jìn)行約束平差解算，將區(qū)域網(wǎng)納入精確的大地坐標(biāo)系統(tǒng)中，完成絕對(duì)定向。

3.4 三維模型及DLG生產(chǎn)

將空中三角測量的成果數(shù)據(jù)直接提交生成三維TIN格網(wǎng)構(gòu)建、白體三維模型創(chuàng)建、自助紋理映射和三維場景構(gòu)建，最終獲得測區(qū)的實(shí)景三維模型。將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字?jǐn)z影測量工作站進(jìn)行DLG的采集工作，結(jié)合線劃圖要求和模型數(shù)據(jù)，判讀模型信息，并使用規(guī)范規(guī)定的符號(hào)表示地形地貌，對(duì)無法判別和有疑問的地方要進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪、補(bǔ)測。

3.5 精度分析

采用GNSS RTK方法對(duì)三維模型和地形圖進(jìn)行外業(yè)檢測，所得DLG檢測結(jié)果如表2所示。由表2可知，無人機(jī)航測技術(shù)在控制好航測內(nèi)外業(yè)環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以達(dá)到大比例尺測圖和高精度三維模型生產(chǎn)的要求。

表2 DLG檢測結(jié)果

4 航攝實(shí)施及技術(shù)難點(diǎn)分析

該項(xiàng)目所涉及的水利工程測區(qū)整體地形地貌較為復(fù)雜，測區(qū)周邊多村莊，且周邊空域較繁忙，航飛窗口期短。在無人機(jī)進(jìn)行航測的過程中，地面站無線監(jiān)控設(shè)備與無人機(jī)之間的距離相對(duì)較近，但存在周邊信號(hào)干擾風(fēng)險(xiǎn)，可能對(duì)無人機(jī)航飛造成不利影響。在無人機(jī)航飛前，需要設(shè)計(jì)整體的航行線路，并且每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行反復(fù)檢查。航測前要根據(jù)成果精度要求，科學(xué)合理地布設(shè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)的采集要精確可靠。在無人機(jī)進(jìn)行航測的過程中，地面站工作人員要實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)航測狀態(tài)，全面分析外界氣象、光線等環(huán)境變化情況，確保飛行安全和航拍成果質(zhì)量。在內(nèi)業(yè)處理過程中，各項(xiàng)參數(shù)要設(shè)置正確，重點(diǎn)檢查加強(qiáng)空中三角測量等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的質(zhì)量。

5 結(jié)束語

隨著無人機(jī)航測技術(shù)的迅速發(fā)展，航飛技術(shù)和軟件處理能力也愈加完善，但是在大型水利工程項(xiàng)目中，還未真正發(fā)揮其作用。無人機(jī)航測在復(fù)雜的環(huán)境中作業(yè)時(shí)，所受到的外界影響因素相對(duì)較多，內(nèi)業(yè)處理軟件性能參差不齊，價(jià)格相對(duì)較高，只有對(duì)不同的影響因素進(jìn)行分析，并在項(xiàng)目實(shí)測中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，才能真正地解決無人機(jī)航測存在的問題，提高無人機(jī)的航測數(shù)據(jù)精度和應(yīng)用普及度。