基于涉河項(xiàng)目調(diào)查的無人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用

高大鵬

(阜新市水利局，遼寧 阜新 123000)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及城市建設(shè)速度的加快，從單一的水利行業(yè)涉河項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)向多行業(yè)、多領(lǐng)域的擴(kuò)展，涉及房地產(chǎn)開發(fā)、石油天然氣、電力通信、工業(yè)生產(chǎn)、交通、航運(yùn)、水利等諸多領(lǐng)域。同時(shí)，相繼出現(xiàn)的監(jiān)管工作不匹配、未嚴(yán)格按照批復(fù)建設(shè)、“未批先建”等問題，對(duì)河流行洪安全和沿河居民安全構(gòu)成潛在的威脅。因此，高效運(yùn)用各種新型科技，正成為推進(jìn)水利工作數(shù)字化發(fā)展與流域水環(huán)境有效整治的主流。無人機(jī)航測(cè)技術(shù)具有成本低、分辨率高、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，在涉河項(xiàng)目調(diào)查、水環(huán)境污染、干旱缺水、洪澇災(zāi)害等相關(guān)領(lǐng)域中擁有得到獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于水利行業(yè)中能夠發(fā)揮不可替代的作用[1-2]。文章以細(xì)河干流阜新段為例，在涉河項(xiàng)目調(diào)查中深入探討了無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程。

1 無人機(jī)航測(cè)優(yōu)勢(shì)

在河道管轄范圍內(nèi)實(shí)施涉河項(xiàng)目現(xiàn)狀調(diào)查，主要是掌握涉河項(xiàng)目的數(shù)量、位置、名稱、類型等相關(guān)信息。無人機(jī)航測(cè)技術(shù)可以提取高精度正射影像(DOM)，并運(yùn)用正射影像直觀地獲取整個(gè)河道管理范圍內(nèi)所有涉河項(xiàng)目的數(shù)量、面積、位置等信息[3]。無人機(jī)航測(cè)技術(shù)相對(duì)于全野外采集的傳統(tǒng)全站儀和GPS作業(yè)模式，具有明顯降低經(jīng)濟(jì)投入成本、縮減野外工作量與時(shí)間、采集數(shù)據(jù)更新周期短、操作流程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，涉河項(xiàng)目現(xiàn)狀調(diào)查中所表現(xiàn)出的具體優(yōu)勢(shì)如下：

1)現(xiàn)勢(shì)性：無人機(jī)能夠快速更新采集的數(shù)據(jù)，其反應(yīng)速度迅速。在短時(shí)間內(nèi)，經(jīng)圖像后處理可實(shí)現(xiàn)成果信息的快速生成，及時(shí)為用戶提供決策依據(jù)[4]。

2)高效性：無人機(jī)航測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的作業(yè)方法相比，可將大量的野外作業(yè)轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)以提高作業(yè)精度與效率。

3)便捷性：無人機(jī)航測(cè)可以有效解決數(shù)據(jù)采集工作效率低的問題，對(duì)特別復(fù)雜場(chǎng)景作業(yè)模式下，能夠大大提高其安全性，避免作業(yè)人員受到傷害。

4)成本低：無人機(jī)航測(cè)提高了作業(yè)效率，在明顯縮減野外工作量的同時(shí)降低了項(xiàng)目的勞動(dòng)成本，其經(jīng)濟(jì)投入以及時(shí)間成本較低。

2 無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)

無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)是一種借助無線通訊、慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、飛行控制等技術(shù)，以無人駕駛飛機(jī)為平臺(tái)搭載小型影像傳感器實(shí)現(xiàn)低空航攝飛行和地面數(shù)字影像的快速處理，以及影像后處理的集成系統(tǒng)，其存在精度高、適用性強(qiáng)、成本低、生產(chǎn)周期短及機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)[5]。

2.1 無人機(jī)平臺(tái)

本項(xiàng)目利用集成了差分定位技術(shù)的電動(dòng)固定翼式無人機(jī)，型號(hào)為KC1600型，該無人機(jī)可以快速處理后期數(shù)據(jù)，對(duì)相機(jī)拍攝時(shí)的位置信息進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的獲取，技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 無人機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2 影像傳感器

該無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)選用全畫幅微單非量測(cè)索尼NEX-7相機(jī)作為影像傳感器，考慮到非量測(cè)相機(jī)沒有框標(biāo)，且不能記錄內(nèi)方位元素，所以必須校驗(yàn)相機(jī)參數(shù)，從而滿足數(shù)據(jù)處理以及攝影測(cè)量需求。

2.3 后處理軟件

以INPHO軟件的Ortho Vista模塊和Pix4Dmapper軟件作為攝影測(cè)量后處理軟件，Ortho Vista模塊可以分幅輸出、勻光勻色、自動(dòng)鑲嵌來源任意的數(shù)字正射影像，具有自動(dòng)處理、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。此外，將影像數(shù)據(jù)利用Pix Dmapper軟件可快速轉(zhuǎn)變成精度較高且符合要求的產(chǎn)品形式。

2.4 航測(cè)流程

將無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于涉河項(xiàng)目現(xiàn)狀調(diào)查，主要包括DOM制作、空三加密、影像控制測(cè)量、無人機(jī)航空攝影、航線設(shè)計(jì)、航區(qū)規(guī)劃等流程，如圖1所示。

圖1 無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)調(diào)查流程

步驟1：相機(jī)校驗(yàn)。在使用、運(yùn)輸過程中產(chǎn)生劇烈振動(dòng)或按規(guī)范要求快門曝光次數(shù)超過20 000次以后，必須用專門的軟件重新校驗(yàn)相機(jī)以獲取光學(xué)畸變差、主點(diǎn)坐標(biāo)、焦距等參數(shù)。

步驟2：航線設(shè)計(jì)與航區(qū)規(guī)劃。航線設(shè)計(jì)過程中，為提高工作效率可以按照“S”字型沿河道走向設(shè)計(jì)，航區(qū)規(guī)劃時(shí)要充分考慮地形高差以及河流彎曲走向趨勢(shì)。

步驟3：布測(cè)像控點(diǎn)。在遵循盡量共用、測(cè)區(qū)內(nèi)均勻分布、易于立體測(cè)量與判刺、目標(biāo)影像清晰等原則的基礎(chǔ)上合理布設(shè)像控點(diǎn)，科學(xué)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)完成測(cè)量。

步驟4：航空攝影。航攝之前要全面考慮風(fēng)力等級(jí)、光照條件、大氣透明度等因素合理設(shè)定航攝時(shí)間，為了選取合適的起降場(chǎng)地還應(yīng)實(shí)地勘探現(xiàn)場(chǎng)情況。

步驟5：空中三角測(cè)量。將空中三角測(cè)量區(qū)域網(wǎng)與光束法相結(jié)合進(jìn)行空三加密，該方法可以利用逐點(diǎn)加算的方式修正地球曲率的影響，以及因大氣折光、攝像材料變形、航攝機(jī)物鏡畸變等物理因素造成的像點(diǎn)誤差，在大大降低測(cè)量野外控制點(diǎn)工作量的情況下，實(shí)現(xiàn)加密精度的顯著提升。

步驟6：DOM制作：針對(duì)影像數(shù)字分幅裁剪、鑲嵌、勻光勻色、微分糾正等工作可以用INPHO軟件的Ortho Vsta模塊完成。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 內(nèi)外業(yè)航測(cè)

阿哈來河是柳河右岸一級(jí)支流，發(fā)源于遼寧省阜新縣八家子鄉(xiāng)七家子村，流經(jīng)遼寧省阜 新縣，在遼寧省阜新縣舊廟鎮(zhèn)哈四村匯入柳河。流域面積 568km2，河流長(zhǎng)度 53km，該河流洪水暴漲暴落，具有山溪型河流特征。以細(xì)河干流阜新段為例，在涉河項(xiàng)目調(diào)查中深入探討了無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程，具體如下：

1)無人機(jī)航攝?？紤]河道采砂和涉河項(xiàng)目建設(shè)情況，將細(xì)河干流阜新段劃分成10個(gè)航攝分區(qū)，起降10個(gè)架次無人機(jī)共獲取3126張影像。設(shè)定的航拍地面分辨率為8cm，旁向與航向重疊度為60%、75%，成圖比例尺1∶1000，相對(duì)航高與航線間距582m、295m，攝影基線長(zhǎng)95m。

2)像控點(diǎn)測(cè)量與布設(shè)。對(duì)于項(xiàng)目位置精度，涉河項(xiàng)目現(xiàn)狀調(diào)查的有關(guān)要求不高，所以可沿河流走向在河道兩岸每隔2km布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)。此外，為符合DOM鑲嵌精度要求及像控點(diǎn)盡量共用的原則，可以適當(dāng)增加航線重疊接合處的像控點(diǎn)，本項(xiàng)目共布設(shè)56個(gè)全部為平高點(diǎn)的像控點(diǎn)，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范完成像控點(diǎn)測(cè)量。

3)空中三角測(cè)量。該方法主要是在室內(nèi)對(duì)野外測(cè)量的少量控制點(diǎn)進(jìn)行加密，從而獲取其平面位置與高程。主要包括絕對(duì)定向(區(qū)域網(wǎng)平差)、像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺、相對(duì)定向(同名像點(diǎn)自動(dòng)匹配)等步驟。采用空中三角測(cè)量每個(gè)航測(cè)分區(qū)時(shí)，所應(yīng)用到的軟件為Pix4Dmapper，從而獲取數(shù)字正射影像圖反映各航測(cè)分區(qū)的實(shí)際情況。

4)DOM制作。采用Pix4Dmapper軟件和INPHO軟件的Ortho Vista模塊完成每個(gè)航攝分區(qū)數(shù)字正射影響的提取及其分幅、鑲嵌、重采樣、勻光勻色等處理。其中，勻光勻色處理能夠使數(shù)字影像間的層次更加分明、反差適中、色調(diào)均勻，即縮小色調(diào)差異?？紤]實(shí)際要求，采用0.2m的間距完成重采樣處理，選擇合適的鑲嵌線保證數(shù)字正射影像鑲嵌后紋理清晰、自然過度、拼接痕跡不明顯。結(jié)合河流走向彎曲且為條帶狀數(shù)字正射影像的實(shí)際情況，為了防止出現(xiàn)對(duì)圖幅標(biāo)準(zhǔn)分幅過程中僅有少部分?jǐn)?shù)據(jù)的情況，可對(duì)正射影響利用自由分幅的方式處理。

3.2 涉河項(xiàng)目調(diào)查

內(nèi)業(yè)調(diào)查、外業(yè)調(diào)查為涉河項(xiàng)目調(diào)查的兩大內(nèi)容，其中內(nèi)業(yè)調(diào)查是在數(shù)字正射影像上利用數(shù)字采集軟件獲取涉河項(xiàng)目的屬性、面積、數(shù)量、位置等信息；外業(yè)調(diào)查主要是補(bǔ)充影像中遺漏的涉河項(xiàng)目及其屬性，通過統(tǒng)計(jì)分析內(nèi)外業(yè)調(diào)查資料形成涉河項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)成果。

3.3 在河長(zhǎng)制工作中發(fā)揮的作用

無人機(jī)航測(cè)作為一種新興的測(cè)繪技術(shù)，在小區(qū)域地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，這是河道監(jiān)管手段的有力補(bǔ)充。對(duì)河長(zhǎng)巡河無人機(jī)“天眼”將發(fā)揮有益補(bǔ)充作用，推進(jìn)巡河智慧水務(wù)新模式的開啟。此外，綜合“無人機(jī)+大數(shù)據(jù)”平臺(tái)，通過設(shè)置河流水情、水質(zhì)、排污、漂浮物等監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，運(yùn)用科技手段形成人機(jī)、空地相結(jié)合的新型巡河模式，讓無人機(jī)無死角、全范圍的觀察河涌情況，發(fā)揮“巡河員”的作用。對(duì)違章建筑、排污口、水面漂浮物等一覽無余，采用在線監(jiān)控、無人機(jī)航拍技術(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水環(huán)境、水生態(tài)和水質(zhì)變化狀況，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和畫面納入智慧河長(zhǎng)管理信息平臺(tái)，可以作為歷史資料留存。未來，還可用于治理效果測(cè)評(píng)或潛在隱患的及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

4 結(jié) 論

文章結(jié)合遙感、無人機(jī)等現(xiàn)代測(cè)繪手段，在分析傳統(tǒng)涉河項(xiàng)目現(xiàn)狀調(diào)查工作模式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)航測(cè)技術(shù)方案。無人機(jī)航測(cè)技術(shù)能夠?qū)⒋罅康囊巴庾鳂I(yè)轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)，借助INPHO、Pix4 Dmapper等專業(yè)攝影測(cè)量軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)查區(qū)域內(nèi)正射影響數(shù)據(jù)的大范圍快速提取，通過處理獲取的正射影像數(shù)據(jù)形成高精度的矢量數(shù)據(jù)和調(diào)查區(qū)域影像成果，為河道管理決策提供數(shù)據(jù)保障與參考依據(jù)。在項(xiàng)目實(shí)施過程中應(yīng)用無人機(jī)航測(cè)的復(fù)雜場(chǎng)景數(shù)據(jù)調(diào)查、成本低、機(jī)動(dòng)靈活、高效便捷等優(yōu)勢(shì)，可以大大縮減野外調(diào)查工作量和數(shù)據(jù)的工薪周期，在提高調(diào)查工作效率的同時(shí)降低項(xiàng)目的實(shí)施成本。

總體而言，隨著續(xù)航、精度、傳感器等技術(shù)的不斷發(fā)展，在水利工程領(lǐng)域無人機(jī)航測(cè)所發(fā)揮的重要作用日趨突出，為水資源合理開發(fā)、水環(huán)境監(jiān)測(cè)和水利項(xiàng)目管理等提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。