無人機低空遙感技術在丹江口庫區(qū)地形測量中的應用研究

胡立 張振軍 魏猛 周明

摘要：作為南水北調中線工程的水源地，丹江口水庫具有重要的戰(zhàn)略地位，開展丹江口水庫全庫區(qū)地形測量具有重要意義。地形測量利用全站儀、GNSS、水準儀等儀器設備的傳統(tǒng)方法，需要耗費大量人力物力，且效率低。作為一種新的地理信息獲取技術，無人機航空攝影測量技術精度可靠，成本經濟。依托無人機平臺從空中進行測量，利用像控點的布設和影像點云分類處理生成DTM（數字地面模型），通過實際數據驗證無人機航拍的點云數據精度滿足1∶2 000比例尺地形圖要求。結果表明：無人機低空遙感技術在丹江口庫區(qū)地形測量中應用效果較好，可應用于更多領域的地形測量中。

關鍵詞：地形測量;無人機;航空攝影;丹江口水庫

中圖法分類號：P231 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.008

文章編號：1006 - 0081（2021）12 - 0049 - 05

0 引 言

無人機低空遙感技術精度可靠、數據量大、高冗余[1]、技術成熟、操作簡單、成本經濟、作業(yè)風險低[2-3]，現(xiàn)已廣泛應用于各種領域的小比例尺地形測量中。其點云數據平面精度較高，但高程精度偏低，在大比例尺測量案例中應用較少。如需在大比例尺地形測量中獲得較高的精度，需對無人機外業(yè)測量和內業(yè)點云數據處理進行嚴格把控，外業(yè)測量時合理布設像控點能有效提高點云數據精度[4-5]，應用商用密集影像匹配點云軟件完成DOM和DSM生成，進行影像點云分類處理對地表植被進行分類、過濾生成DTM，可以進一步提高點云中誤差[6-7]，使其滿足1∶2 000比例尺地形測量要求[8]。本文將進一步闡述點云分類的方法和具體操作步驟與配置參數。

丹江口水庫5～10 a需進行一次全庫區(qū)地形測量[9]。作為南水北調中線工程的水源地，丹江口水庫控制流域面積9.5萬km2，占漢江流域面積的60%;多年平均徑流量為388億m3，占漢江流域的70%;正常蓄水位170.0 m，壩頂高程176.6 m，為不完全多年調節(jié)水庫。丹江口水庫庫容復核項目要求，庫區(qū)支流地形測量比例尺為1∶2 000，庫區(qū)干流比例尺為1∶5 000。以往庫區(qū)地形測量都是用傳統(tǒng)測量方法，需要耗費大量人力、物力，且質量難以保證、外業(yè)風險高。本文以丹江口水庫庫容復核項目為案例，引入無人機低空遙感技術，從外業(yè)像控點的布設和點云數據處理方法等技術手段來提高點云精度，經精度分析驗證，無人機低空遙感技術在丹江口庫區(qū)地形測量中有較好的應用效果。

無人機低空遙感技術首次應用于丹江口庫區(qū)地形測量中，保證了測量精度，提高了外業(yè)工作效率，有利于科學地掌握水庫淤積變化規(guī)律、制定正確的水庫調度方案。對貫徹落實“長江大保護”戰(zhàn)略、河湖長制決策部署，提升水利工程管護水平，提高南水北調中線工程供水效益，實現(xiàn)漢江水資源科學配置和可持續(xù)利用具有重要意義。

1 數據采集

無人機低空遙感技術作業(yè)流程為：任務接受→現(xiàn)場勘察→布設、測量像控點→測量精度檢查點→區(qū)塊劃分、航線規(guī)劃→無人機航拍→數據獲取。

無人機外業(yè)測量從接收任務開始，首先需對測區(qū)進行查勘，確定無人機的起降場地和測區(qū)的基本地物地貌。合理布設像控點，像控點可采用千尋CORS等網絡RTK進行測量，對每個點進行不低于60個歷元的采集。進行像控點采集的作用是根據測區(qū)范圍和特點，在邊界上均勻布設測點見圖1，同時在保證數據密度、分布均勻的前提下，對無人機采集的數據進行核對校正。用RTK在地面采集一些精度檢查點，用于檢查驗證成果的平面精度和高程精度。區(qū)塊劃分、航線規(guī)劃等準備工作后，即可進行無人機航拍數據獲取。

項目外業(yè)數據采集主要設備為“飛馬E2000”型無人機，作業(yè)時的航向重疊率為80%，旁向重疊率為60%，飛行高度為200 m。系統(tǒng)參數如下：

為保證安全，無人機外業(yè)操作需2人協(xié)同完成，1名操作人員和1名協(xié)助人員。外業(yè)測量每天可以進行6架次的飛行，每架次完成4～5 km2的地形測量，每天能完成約20 km2的有效地形測量（無人機測量需略超出測區(qū)范圍）。根據以往的經驗依靠人力利用GNSS接收機測量1∶5 000比列尺的地形，單人每天約測量0.4 km2，完成20 km2地形測量需要10人約5 d的工作時間。如表1所示，無人機的工作效率是傳統(tǒng)測量方法的25倍左右，隨比例尺的增大，傳統(tǒng)測量方法的工作工時還會增加。無人機低空遙感技術的引入大大提高了外業(yè)測量的工作效率。

2 數據處理

利用商用密集影像匹配點云軟件完成DOM和DSM生成、影像點云分類生成DTM等工作后，結合項目闡述數據處理，處理流程如下：①采用supermap idesktop等軟件進行精度統(tǒng)計;②在EPS平臺下進行生成三維垂直模型、對DOM（數字正射影像）進行切片生成EMG文件、導入陸上高程點、應用DTM生成陸上等高線（shp文件）、固定斷面線、水下高程點、無人機航測區(qū)塊面等。其中，固定斷面線用來判斷繪制區(qū)域所在的位置，進而確定制圖的垂直范圍;水下高程點用來參考處理復雜水域的水陸分界線;無人機航測區(qū)塊面文件用來確定制圖的水平范圍，更好地處理相鄰區(qū)塊的接邊關系。

2.1 影像點云分類生成DTM

由于無人機航拍的點云是物體表面的三維坐標數據，有植被覆蓋區(qū)域的高程為植被表面高程，要想獲得植被下地表的高程需要進行點云的分類，通過商用軟件自動加人機交互手工再分類的方法可以達到較好的效果，實現(xiàn)的流程如下。

2.1.1 點云窗口設置

實踐證明，選擇1/4圖像尺寸不會顯著影響成果精度，對圖形工作站的配置要求大大降低且處理速度明顯加快。在計算機配置較高的情況下也可選擇1/2圖像尺寸。進行分類點云，如圖2所示。不選生成三維網格紋理，即不生成三維實景模型。

2.1.2 DSM、正射影像和指數設置

（1）輸出xyz格式的離散點。

（2）輸出DTM，即數字地面模型。

（3）根據項目需求設置DTM分辨率。

（4）根據需要，設置輸出等高線數據格式，具體設置見圖3。

加載工程文件，運行點云分類。點擊生成DTM，即應用分類后的點云生成DTM。點擊Generate contour lines（DTM），即應用DTM生成等高線。

2.2 無人機測量精度統(tǒng)計

采用supermap idesktop GIS平臺軟件進行無人機測量精度統(tǒng)計，技術流程為：①打開supermap idesktop GIS平臺軟件;②新建數據源，導入數據集，導入DOM和DSM文件;③導入像控點和精度檢測點的數據，格式為xlsx;④對精度屬性點進行幾何屬性計算;⑤提取DSM對應的高程值;⑥把空間數據擴展為屬性字段;⑦點擊數據—追加列，進行數據集匹配;⑧瀏覽像控點屬性表，刪除nodata值部分。

操作完畢更新列表數據，進行字段計算，即完成了無人機測量精度統(tǒng)計。

2.3 無人機測量精度驗證

選取試驗區(qū)域中的一個區(qū)塊對無人機航測的精度進行驗證，在EPS平臺下，依據EMG影像和DSM模型，調入之前實地測量的精度檢查點，檢查點均勻分布航測區(qū)域。在EMG影像的相同位置提點，如圖4藍色小方框所示。

統(tǒng)計結果如表2所示，提取點與RTK實地測量點對比平面最大誤差為0.09 m，平面中誤差為[ΔX2+ΔY2N]=0.04 m;高程最大誤差為0.08 m，高程中誤差為[ΔZ2N]=0.05 m。驗證結果表明無人機航拍數據精度滿足1∶2 000地形測量要求。

2.4 數字線劃圖DLG的繪制

利用商用密集影像匹配點云軟件經過影像點云智能分類后形成如下數據源：數字表面模型DSM、數字正射影像DOM、影像智能分類后的數字地面模型DTM、由DTM生成的等高線contours。

在GIS平臺下對點云分類后生成的高精度DTM 數據根據測圖比例尺的需要進行高程點提取，如1：2 000的地形測量，岸上點距要求為20～40 m，故在GIS平臺里可以把像元大小設置成20～40 m區(qū)間。

在EPS平臺下做超大圖像的切片，創(chuàng)建超大圖像EMG。在EPS平臺下應用DOM和DSM合成2.5維模型（*.dsm），圖5～6是截取生成小部分的航測圖EMG影像和DSM模型。

數字線劃地圖DLG的制作僅需要.dsm和.emg文件即可，在EPS的平臺下依次調入contours（等高線）文件、項目的邊界線、分類點云后的DTM在 GIS平臺下提取的高程點。以影像數據為依據，繪制河流及塘等的水邊以及路、房屋等地物。依據提取的高程點適當修改等高線，根據等高線即可計算出相應庫容。

傳統(tǒng)測量方法是利用全站儀、GNSS接收機等儀器設備在測區(qū)測量地形點，通過離散點插值建模，繪制等高線。由于庫區(qū)地貌復雜，有些水邊和陡坡人力無法到達，以及山區(qū)林地遮擋GNSS信號等原因導致地物地貌的測繪偏差較大。故通過無人機航測影像密集匹配點云分類進行地貌表達的方法更貼近真實地貌，達到更高的精度。

3 結 論

本文依據丹江口水庫庫容復核項目，引入無人機航空攝影測量技術，通過外業(yè)數據采集和內業(yè)數據處理，繪制出測區(qū)數字線劃圖DLG，從而計算出丹江口水庫的真實庫容，得出如下結論。

（1）無人機低空遙感技術極大地提高了外業(yè)工作效率，可以應用到更多的領域及行業(yè)。

（2）人力無法達到的水邊和山區(qū)林地危險地帶，可以通過無人機航拍影像圖真實客觀地反應出來，再通過數據處理分析繪制出來，增強數據成果表達可視化效果，保證數據完整性與可靠性。

（3）經數據驗證，低空無人機遙感技術滿足規(guī)范要求。

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[9] SL 339-2006 水庫水文泥沙觀測規(guī)范[S].

（編輯：李 晗）

Application of UAV low-altitude remote sensing in landform survey

of Danjiangkou reservoir area

HU Li 1， ZHANG Zhenjun1， WEI Meng 2，? ZHOU Ming1

（1. Hanjiang River Bureau of Hydrology and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology ， Changjiang Water Resources Commission，Xiangyang 441000， China;? ?2. Middle Changjiang River Bureau of Hydrology and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology ， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430012，China）

Abstract： Danjiangkou Reservoir， as the water source of the Middle Route Project of South-to-North Water Diversion， has a very important strategic position and it is of great significance to carry out the topographic measurement in the whole Danjiangkou Reservoir area. In the topographic survey of Danjiangkou reservoir area， traditional methods were used in the past， such as total station， GNSS， level instrument and other equipment， which requires a lot of manpower and material resources， and efficiency is low. As a new geographic information acquisition technology， UAV aerial photogrammetry technology has reliable accuracy and cost economy. Based on UAV platform for aerial measurement， the DTM（digital ground model） was generated through the image control point layout and the image point cloud classification processing and other technical means， and the actual data verified that the accuracy of the point cloud data of the aerial photography of UAV meets the requirements of 1：2000 scale. The results show that UAV low-altitude remote sensing technology is used well in Danjiangkou reservoir area， and can be applied to topographic measurement in more fields.

Key words： topographic survey; UAV; aerial photography; Danjiangkou Reservoir