對無人機(jī)航測高效生產(chǎn)河道劃界地形圖的探討

余 憶

（遵義水利水電勘測設(shè)計研究院（有限責(zé)任公司）,貴州 遵義 563000）

1 項目概況

該河流由匯川區(qū)毛石鎮(zhèn)與松林鎮(zhèn)邊界附近開始,經(jīng)過毛石鎮(zhèn)、沙灣鎮(zhèn)、山盆鎮(zhèn)、官倉鎮(zhèn),最終匯聚于桐梓河,本次劃定河道管理范圍干流全長48 km左右。該項目測圖區(qū)域主要由灌木、林地、荒地、部分耕地、農(nóng)村房屋、農(nóng)村道路、水域等組成,地表植被覆蓋較為嚴(yán)重。其中河道地形高差大約在600 m左右,兩岸多數(shù)為陡峭山林,總體測量條件較為惡劣。

2 外業(yè)航飛

航飛數(shù)據(jù)就像傳統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集一樣,航飛數(shù)據(jù)的好壞直接關(guān)系到最終的測量成果質(zhì)量。如果航飛數(shù)據(jù)質(zhì)量較差,即使內(nèi)業(yè)處理方法再怎么先進(jìn)、平差模型再好,也很難解決最終質(zhì)量差的問題。而本次測區(qū)地形起伏較大,很難做到不改變航高而飛出高分辨的原始影像。再加上測圖植被與水域覆蓋面積相對較多,在空三連接點匹配時,會影像匹配點精度,最終影響空三成果質(zhì)量。在這樣的條件下,如何把握效率與質(zhì)量,優(yōu)化外業(yè)航飛變得尤為困難且重要。

首先,無人機(jī)的選擇,往往固定翼無人機(jī)在航飛速度上要遠(yuǎn)超于旋翼機(jī),所以在效率上固定翼較旋翼機(jī)是有明顯優(yōu)勢的,特別是在這種長距離的帶狀航飛項目上,固定翼成為了不二選擇。其次,在保證精度的條件下,可以適當(dāng)增加航高,這樣可以減少因為變高而引起的時間浪費。最后在重疊度的選擇上也可以適當(dāng)優(yōu)化,在滿足精度的條件下,并不是重疊度越高成果質(zhì)量就越好,適當(dāng)降低重疊度也可以提高航飛效率,同時還能提高一定的空三效率。

在本次航飛中,利用固定翼無人機(jī),完成了面積為33 km2的航飛。航飛時根據(jù)地形變化情況及航飛安全距離情況,分兩個起飛點,航高設(shè)置為600 m。重疊度選擇航向80%,旁向60%。根據(jù)河道蜿蜒情況一共劃分21 個架次,總共航飛影像數(shù)2266 張,最終在2 天內(nèi)完成了這個48 km的航飛項目。

3 少量像控及布設(shè)

像控的布設(shè)對航測成果的最終精度有著至關(guān)重要的影響,因此對外業(yè)像控測量必須要有嚴(yán)格的把控方案。在河道劃界項目中,往往測區(qū)大部分都屬于天然河道。在這些河段,通常存在交通不便,植被覆蓋較多等現(xiàn)象。所以外業(yè)測量時很可能會遇到人無法去,或者常用的RTK信號差等問題。因此,在像控測量時很難像其他項目一樣,能夠輕松測量出較為密集的像控點。為此,在平差時,采用高精度pos與少量控制點聯(lián)合平差的方法（高精度pos通過目前較為成熟的PPK技術(shù)獲得）,該方法能夠有效減少外業(yè)像控點的密度[1]。

因此,首先在像控采集上,通常按照300 m一對的方法覆蓋整個測區(qū),現(xiàn)在只需要1 km左右一個覆蓋測區(qū),但對于河道彎道較大的地方必須增加像控布設(shè)。從像控工作量來說就減少了一大半,并且解決了那些人無法達(dá)到的天然河道區(qū)域的問題。其次,在外業(yè)RTK使用時,采用CORS系統(tǒng)采集坐標(biāo)數(shù)據(jù),非常有效地解決傳統(tǒng)RTK架基站、及增加控制點所浪費的時間。

本次像控測量中,根據(jù)1 km左右一個像控的要求,結(jié)合河道蜿蜒狀況及實際測量條件,總計測量29 個像控點,并在河道蜿蜒處、分區(qū)接邊處等精度薄弱的地方按照均勻分布的原則測量了18 個檢查點。最終項目分兩個組在1 天之內(nèi)完成了像控及檢查點的測量。

4 空三處理

空三處理是無人機(jī)航測中非常重要的環(huán)節(jié),同樣,因為數(shù)據(jù)量大,消耗的時間也是非常多。首先,在空三處理時,往往會先給上一個初始的相機(jī)參數(shù),而這個參數(shù)的準(zhǔn)確性也會影響空三的精度,甚至導(dǎo)致空三重做的情況。所以需要一個準(zhǔn)確的參數(shù),避免重復(fù)工作浪費時間。平時也可以對相同的相機(jī),在不同的工程中計算統(tǒng)計出一套較為穩(wěn)定的參數(shù),在以后的工程中,就可以直接使用這個參數(shù)進(jìn)行初始空三處理,從而減少計算機(jī)每次重新計算相機(jī)參數(shù)的時間。其次,在空三時,影像匹配占據(jù)了大量的時間,而對它有著直接影像的因素就是影像的重疊度,往往重疊度的增加會導(dǎo)致成倍的空三時間浪費。因此,在航飛時,應(yīng)注意重疊度的把握。在內(nèi)業(yè)中遇到重疊度太高的時候,也可以適當(dāng)抽片來提高空三效率。最后,對于像控刺點,一方面通過對重疊度的把握,減少了刺點時的影像數(shù)量,從而有效地減少刺點工作量。另一方面,由于后差分?jǐn)?shù)據(jù)的引用,在平差時,讓差分?jǐn)?shù)據(jù)與控制點數(shù)據(jù)聯(lián)合參與平差,用每張影像的外方位線元素當(dāng)做已知數(shù)據(jù),因此并不需要再像傳統(tǒng)無人機(jī)航測一樣需要完全由控制點來控制空三過程中的誤差,在控制點刺點時可以省去大量的刺點時間,但由于影像畸變問題,再加上河道地形復(fù)雜問題,仍然需要少量控制點的約束[2]?？傮w來說對于效率的提升,已經(jīng)有了非常明顯的效果。而本次項目中,對2266 張影像分6 個區(qū)處理,加上47 個像控點及檢查點的刺點平差,總計空三消耗時間約1天。

5 空三精度

通過以上策略,在6 個分區(qū)中完成對所有像控點及檢查點刺點平差,最終得出的空三精度情況見圖1、圖2。

圖1 控制點殘差折線

圖2 檢查點殘差折線圖

由圖1、圖2 可以看出,即使在增加航高、減少像控的條件下,由于后差分?jǐn)?shù)據(jù)的加入,空三精度仍然是非常理想的。數(shù)據(jù)具體表現(xiàn)為控制點平面誤差不超過0.15 m,高程誤差不超過0.3 m,檢查點平面誤差不超過0.2 m,高程誤差不超過0.3 m。經(jīng)統(tǒng)計計算,控制點平面中誤差0.078 m,高程中誤差0.093 m,檢查點平面中誤差0.114 m,高程中誤差0.104 m。該數(shù)據(jù)充分表明了空三成果的精度較高,而對檢查點的殘差統(tǒng)計更是表明了空三成果的高質(zhì)量與可靠性。但從誤差較大的點位分布來看,仍然與以往航測相同,表現(xiàn)為測區(qū)兩端誤差相對較大,以及河道轉(zhuǎn)彎處精度較差。所以在像控布點時,也需要特別注意這些精度較為薄弱的區(qū)域。但總體來說,通過以上方法完成的空三成果,根據(jù)無人機(jī)航測空三規(guī)范,該空三精度是完全滿足該河道劃界項目要求的。

6 立體測圖

在航測成圖時,通常用的方法主要為立體測圖與裸眼三維測圖[3],兩種測圖方法采用不同的原理進(jìn)行采集,對于不同的項目兩種測圖方法在實用性上也有著較大的差異,所以對于測圖方法的選擇非常關(guān)鍵。

在河道劃界項目中,河道兩邊通常均有較多的植被遮擋。而在三維測圖中一旦遇到植被,因為植被的影響,在點云匹配時,匹配點均在植被上,造成錯誤的地形模型數(shù)據(jù),所以在遮擋區(qū)域,三維測圖很難準(zhǔn)確測出正確的地形數(shù)據(jù)。而在立體測圖中,它的地形數(shù)據(jù)均是靠人的立體視覺來判斷,所以測圖時,只要少量區(qū)域沒有被完全遮擋,就可以通過未遮擋區(qū)域來判斷出需要的地形數(shù)據(jù)。再者,河道劃界項目往往處于高差較大,地形較為復(fù)雜的區(qū)域,一旦遇到野外植被較多的地方,更是無法直接在三維模型中測量地形數(shù)據(jù)。

測圖中,在判斷地物時,以裸眼三維測圖,肉眼所看到的是某一個視角上的平面,通常很難一次性看出地物的棱角及高程變化,必須經(jīng)過多次切換視角才能準(zhǔn)確判斷,特別是像一些不是特別規(guī)則的坎等,對于這些地物的邊線很難直觀快速的判斷。而在立體測圖中,通過立體視覺能夠清晰直觀的感受出每一處有高程變化的地形地物,對于坎、斜坡等地貌邊線能夠直接準(zhǔn)確的判斷出它的位置及高程。

在河道劃界項目中,無論是植被遮擋,還是地形的復(fù)雜性,都是非常常見的技術(shù)難點,也是地形圖的主要涉及要素。而立體測圖正是解決這些問題的關(guān)鍵手段,在河道劃界項目中它能夠非常有效的提高畫圖效率。

7 測圖成果

根據(jù)山區(qū)河道劃界地形圖測圖要求,以兩岸各70 m寬,等高距2 m,成圖比例尺1∶2000,完成了混子河河道劃界項目47.8 km帶狀地形圖測量。地形圖表現(xiàn)為,測區(qū)灌木、成林較多,植被覆蓋較為嚴(yán)重,涉及部分耕地、居民居住地及涉水設(shè)施,且河道兩邊地形高差較大,充分代表了山區(qū)河道劃界項目地形圖的特點。測圖成果見圖3、圖4。

圖3 混子河河道地形圖（概圖）

圖4 混子河河道局部地形圖

8 結(jié)語

隨著無人機(jī)航測技術(shù)的出現(xiàn),測繪效率得到了質(zhì)的飛躍,而如今,航測技術(shù)的如何使用,更是提高測量產(chǎn)品生產(chǎn)效率的重要手段。在河道劃界項目中,通過在外業(yè)航飛、像控布設(shè)、空三處理過程中,對傳統(tǒng)技術(shù)手段的優(yōu)化,能夠非常有效的提高作業(yè)效率,而最終測圖時,利用立體測圖的手段更是提高河道劃界地形圖成圖效率的關(guān)鍵手段。