傾斜攝影測量技術(shù)在測驗河段平面圖測繪中的應(yīng)用
——以大草坪水文站為例

任 彤，趙建永，馬占輝

（1.海河水利委員會水文局，天津 300170；2.河北省保定水文勘測研究中心，河北 保定 071025）

1 引言

水文測站考證是為反映水文資料一致性可能受影響的程度，與測站水文要素觀測同步，對測驗環(huán)境條件、觀測技術(shù)、數(shù)據(jù)質(zhì)量和測站測驗任務(wù)變化情況進行的相關(guān)測量、記錄、說明和行程考證的工作，是選擇水文資料整編方法和使用資料的依據(jù)[1]。測驗河段平面圖作為測站考證中的重要內(nèi)容，能夠反映測驗河段的河道情況、測驗設(shè)施的布設(shè)情況及下墊面條件變化情況，為水文測站的運行管理提供重要依據(jù)。測驗河段平面圖測繪主要依靠高精度GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，下同）和全站儀等傳統(tǒng)測量方式。由于水文測站主要建設(shè)在山區(qū)、河流、湖庫等周邊，傳統(tǒng)測量方式受地形、地貌、水域和天氣等條件限制，時常出現(xiàn)衛(wèi)星信號差和通視條件不佳等測量盲區(qū)問題，且后期繪圖過程中可能由于關(guān)鍵地物要素測量缺失或碎部點測量密度不夠出現(xiàn)補測或返工的情況，測驗河段平面圖測繪效率不高。

無人機航測作為傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有力補充，具有機動靈活、高效快速和適用范圍廣等特點，在中小區(qū)域和測量環(huán)境較復(fù)雜地區(qū)測繪方面具有明顯優(yōu)勢。以大草坪水文站為例，利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)，研究繪制測驗河段平面圖新的方式和方法，有效提升了外業(yè)作業(yè)效率和成圖的精細程度及范圍，是無人機在水文勘測工作中一次成功探索，也為無人機在水文行業(yè)的應(yīng)用提供了參考。

2 關(guān)鍵技術(shù)

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是多種技術(shù)融合的產(chǎn)物，主要包括飛行器技術(shù)、傳感器技術(shù)、姿態(tài)控制技術(shù)、通信技術(shù)和影像處理技術(shù)等，是當前測繪遙感領(lǐng)域中快速發(fā)展的高新技術(shù)，在測繪行業(yè)中廣泛應(yīng)用。該技術(shù)是在同一飛行平臺上搭載多個傳感器，同時從一個垂直和四個傾斜五個不同角度采集影像，多角度、多方位對地物進行信息采集，因此其獲取的地形、地物和地貌信息更完整、更全面。

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)由傾斜相機、GNSS、IMU（慣性測量單元，下同）系統(tǒng)和多種傳感器高度集成，如圖1 所示。攝影相機提供影像信息，GNSS、IMU 分別提供位置和姿態(tài)信息，多種傳感器為無人機提供飛行輔助。在數(shù)據(jù)后處理過程中，通過照片影像，結(jié)合飛機姿態(tài)、位置數(shù)據(jù)和像控點進行空中三角測量處理，將照片“轉(zhuǎn)化為”賦予三維坐標的點云數(shù)據(jù)或三維模型，供使用者根據(jù)需求輸出成果進行進一步應(yīng)用。

3 實例分析

3.1 大草坪水文站概況

大草坪水文站為省界水資源專用水文測站，站址位于河北省豐寧滿族自治縣湯河鄉(xiāng)大草坪村，屬潮白河系湯河流域，控制流域面積622 km2，主要承擔潮白河白河水系一級支流湯河由河北省入北京市水資源量監(jiān)測任務(wù)。按照《水文測站考證技術(shù)規(guī)范》（SL742-2017）有關(guān)要求，開展大草坪水文站測驗河段平面圖測繪工作。該水文站三面環(huán)山，周邊地形高差較大，測量條件較為復(fù)雜，本文采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)完成水文站測驗河段平面圖測繪任務(wù)。

3.2 軟硬件平臺

本次使用搭載五鏡頭的六旋翼無人機，飛機續(xù)航時間30 min，相機鏡頭為索尼ILC-E5100，垂直鏡頭焦距25 mm，傾斜鏡頭焦距35 mm，單架次飛行控制面積約0.25 km2。

無人機數(shù)據(jù)處理采用Smart3D Capture和3DReshaper 軟件，繪圖使用南方CASS 軟件，輔助軟件為Google earth，輔助設(shè)備包括高精度GNSS設(shè)備等。

3.3 技術(shù)路線

技術(shù)路線，如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

3.3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要包括影像采集和像控點采集。在山區(qū)測繪環(huán)境中，能發(fā)揮旋翼無人機快速、高效和靈活特點，避免測量人員攜帶設(shè)備登山和山區(qū)衛(wèi)星定位信號不穩(wěn)定等情況。此次航測外業(yè)人員投入3 人，作業(yè)時間80 min，在保證測量精度前提下，極大提升了外業(yè)作業(yè)效率。

測驗河段平面圖中不僅包括測站測驗河段的范圍，而且包含測站所有水文測驗設(shè)施，測驗河段附近村莊、橋梁、鐵路、公路和主要水工建筑物等地形地物應(yīng)完整繪入，山地應(yīng)繪制等高線。根據(jù)規(guī)范要求，考慮水文站重點關(guān)注區(qū)域和周邊地形高差，為保證后期建模和DOM（數(shù)字正射影像，下同）精度，使用分區(qū)域影像獲取方式進行飛行作業(yè)，該航測任務(wù)共分3個區(qū)域。

大草坪水文站布設(shè)了100 m長測流槽，水文信息采集設(shè)施均集中在測流槽上下游30 m 范圍內(nèi)，周邊有縣道509和跨河橋，因此確定區(qū)域1為重點飛行區(qū)域，該區(qū)域飛行高度70 m，航向和旁向重疊度為80%。測驗河段周邊山地區(qū)域，由于高差較大，且無重點關(guān)注的地物要素，建模精度要求相對較低，為提高單架次作業(yè)效率，區(qū)域2 和3 飛行高度設(shè)定為120 m，航向和旁向重疊度為70%。為保證山區(qū)飛行安全，飛行區(qū)域范圍通過Google earth 經(jīng)初步測量山體高度后劃定，再導入飛控系統(tǒng)中進行航跡規(guī)劃，避免出現(xiàn)撞機等危險情況發(fā)生，區(qū)域劃分和區(qū)域1 航跡規(guī)劃如圖2所示。

此次航測像控點使用RTK（實時動態(tài)定位，Real-Time Kinematic）技術(shù)進行測量，像控點測量平面控制采用CGCS2000 坐標系統(tǒng)，高程控制采用國家85高程基準。測區(qū)外圍邊角布設(shè)像控點，其余像控點均勻布設(shè)在測區(qū)，高低錯落，高程分布合理[2]。本測區(qū)共采集像控點12個，其中4個作為校核點，供精度檢驗時使用。

3.3.2 無人機內(nèi)業(yè)處理

無人機內(nèi)業(yè)處理主要包含空中三角測量和三維建模，傾斜攝影技術(shù)將部分外業(yè)工作轉(zhuǎn)化為內(nèi)業(yè)工作，使得外業(yè)工作得到了簡化，同時內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作技術(shù)變得尤為關(guān)鍵。

（1）空中三角測量?？罩腥菧y量是傾斜攝影技術(shù)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的核心，其算法是根據(jù)少量的野外控制點，求解未知點坐標和影像的外方位元素，以獲得加密點的高程和平面位置的測量方法。采集像控點是獲取野外控制點的方法之一，此次數(shù)據(jù)處理采用解析空中三角測量方法，即電算加密法?？罩腥菧y量主要包含影像匹配和絕對定向兩個過程，其精度會直接影響整個數(shù)字測圖過程和輸出結(jié)果質(zhì)量，本次使用Smart3D capture 軟件進行空中三角測量、三維建模和DEM（數(shù)字高程模型，下同）、DOM 等主要成果輸出。

影像匹配又稱相對定向，利用同名光線對對相交的原理，自動提取足夠的分布合理的同名像點，并計算該立體像對的相對方位元素的過程[3]。此次無人機影像匹配采用基于特征點的圖像配準方法，先提取圖像的特征信息（特征點），然后進行特征匹配，最后確定影像相對位置和姿態(tài)，同時解算出特征點及其他未知點的坐標，并形成獨立的相對坐標系統(tǒng)，完成相對定向。

絕對定向是利用像控點將相對定向建立的相對坐標系轉(zhuǎn)換為絕對坐標系的過程，處理中對8個像控點進行平差計算，建立絕對坐標系，后采用坐標系變換矩陣，通過如下七參數(shù)模型（數(shù)學方程組）對坐標系進行平移、旋轉(zhuǎn)和尺度縮放，進而實現(xiàn)相對坐標系向絕對坐標系的轉(zhuǎn)換，完成絕對定向。空中三角測量成果為點云數(shù)據(jù)，如圖3所示。

式中：m為尺度變化參數(shù)；ΔX0、ΔY0、ΔZ0為平移變化參數(shù)；εz、εY、εX為旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

（2）三維建模。空中三角測量完成后，獲得具有絕對坐標的密集點云數(shù)據(jù)。由于測區(qū)有房屋、橋梁、道路、水文設(shè)施和其他地物，無法直接獲取DEM 數(shù)據(jù)。為此，先采用三維表面模型重建法，通過不規(guī)則三角網(wǎng)格模擬地物和地形表面，對點云數(shù)據(jù)進行三維建模，獲取DSM（數(shù)字地表模型，下同）[4]；后將DSM數(shù)據(jù)導入3DReshaper 模型處理軟件中，人工剔除房屋、橋梁道路、水文設(shè)施和其他地物，同時根據(jù)DSM模型進行高程數(shù)據(jù)內(nèi)插，生成水文站周邊山地區(qū)域等高線，從而獲取水文站測驗河段完整的DEM數(shù)據(jù)。

DOM 制作是以DSM成果為基礎(chǔ)，對原始影像進行輻射校正、幾何校正，把中心投影轉(zhuǎn)換為垂直投影，并經(jīng)過整體調(diào)色、鑲嵌、裁切等步驟后對地面高程DSM 進行紋理映射，消除各種畸變和位移誤差，最終得到具有包含地理信息的影像地圖。大草坪水文站數(shù)字正射影像，如圖4所示。

圖4 大草坪水文站數(shù)字正射影像

3.3.3 測驗河段平面圖繪制

大草坪水文站測驗河段平面圖主要由包含多種地圖要素的DLG（數(shù)字線劃圖，下同）和水文測站山區(qū)地形等高線（DEM）組成。山區(qū)等高線數(shù)據(jù)獲取方法已經(jīng)詳細說明，下面重點介紹根據(jù)DOM 繪制DLG的方法。

測驗河段平面圖中DLG 是對DOM 中包含的地物要素進行矢量化處理，輸出一種矢量化數(shù)據(jù)文件，其數(shù)據(jù)量小，便于分層，能快速生成包含多種信息的平面地圖[5]。

本文使用南方CASS 軟件進行DLG 繪制，首先在CASS 軟件使用光柵圖像工具插入DOM，人工對影像地圖進行坐標校正，再利用影像地圖將房屋、橋梁、道路等基本特征地物和河堤、水尺、水位自記井和站房等水文相關(guān)要素進行矢量化處理，得到DLG成果。將DLG 與DEM 兩項成果數(shù)據(jù)同時導入CASS軟件中可實現(xiàn)自動整合，最終獲取完整的水文站測驗河段平面圖。

經(jīng)統(tǒng)計，此次無人機內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時間約3 d、繪圖時間約3 d，總耗時約6 d。在測圖范圍和測圖精細程度等方面，無人機航測繪圖較傳統(tǒng)繪圖手段均有較大提升，成圖更具有實用性和參考價值，可以為測站運行管理提供有力支撐。無人機航測繪圖與傳統(tǒng)繪圖對比，如圖5所示。

圖5 無人機航測繪圖與傳統(tǒng)繪圖對比

3.4 精度檢驗

《1∶500 1∶1000 1∶2000 外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程》（GB/T14912-2017）有關(guān)要求，詳見表1—2。

表1 地物點平面位置精度m

將校核點與DEM 中對應(yīng)的驗證點進行比對，計算得到DEM 平面中誤差：X 方向為0.041 m，Y 方向為0.045 m，均小于0.3 m；計算得到DEM高程中誤差為0.131 m，小于0.17 m（1∶500 地形圖的平地等高距0.5 m 的1/3）。由此可見，DEM 平面和高程中誤差均滿足標準中1∶500 比例尺要求，而大草坪水文站測驗河段平面圖比例尺為1∶500。

4 結(jié)語

本文以大草坪水文站為例，采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)，提出測繪測驗河段平面圖的新方法。該方法可極大提升測量外業(yè)作業(yè)效率，提高測驗河段平面圖繪制的精細程度和范圍，更好地為水文測站運行管理提供服務(wù)。但傾斜攝影測量技術(shù)在內(nèi)業(yè)處理如涉及水面和復(fù)雜水工建筑物成圖方面尚存在一定短板，下一步將通過控制約束和分區(qū)塊處理等方式探索新的內(nèi)業(yè)處理方法，繼續(xù)升級完善該技術(shù)，以便使其進一步在水文行業(yè)中得到推廣應(yīng)用。