水利水電工程中無人機航測成圖的應用分析

楊坤

（黔西南州水利電力勘測設計院，貴州 黔西南 562400）

0 引言

無人機航測技術是現(xiàn)代信息化高速發(fā)展的產物，集成了多項高新技術，具有快速性、機動性和靈活性等優(yōu)勢，在當前水利水電工程建設中有著十分廣泛的應用。無人機搭載著高分辨率的攝像機，同時還可以搭載不同類型的傳感器，可以獲得實時、準確且高質量的測繪數(shù)據(jù)，為水利水電工程測繪工作提供了真實可靠的數(shù)據(jù)信息，全面保證了設計方案和施工方案的科學性、實用性和經濟性。

1 無人機航測外業(yè)流程

無人機為攝影注入了新的活力，開拓了新的視角。通過在無人機上安裝小型攝像機，徹底突破了傳統(tǒng)拍攝的局限性。在無人機航測技術的支撐下，完全打破了傳統(tǒng)拍攝工作中的障礙，輕松實現(xiàn)了跨越地理空間、人為屏障等局限，不僅提高了攝影效率，而且降低了工作人員的危險系數(shù)。無人機航測技術有著獨特的視角，可以排梳很多垂直正射鏡頭，在拍攝過程中，還可以自主躲避障礙，且支持自動跟隨，大大降低了飛行拍攝的難度，安全性和精準度得以顯著提升。更重要的是，拍攝成本低廉。在開展水利水電工程測繪工作時，想要充分發(fā)揮無人機航測技術的應用優(yōu)勢，離不開良好拍攝環(huán)境的支撐，因而有必要做好全面的準備工作，包括拍攝時間的制定、選擇合理飛行路線、明確拍攝位置等內容，以確保無人機航測作業(yè)高質量、高效率開展。

相較于傳統(tǒng)測量方式，無人機航測技術具有顯著優(yōu)勢，尤其在控點布設方面，可以全面解決人工誤差問題。無人機航測外業(yè)流程具體為[1]：①根據(jù)測量工作的實際要求，明確比例尺的規(guī)格。②合理應用Google Earth 軟件，該軟件的作用在于可以快速準確的鎖定具體測量位置。在此基礎上，對各個控制點位置進行合理布設。③在設置布控點配置時，為了保證測量工作質量符合實際要求，應對測量環(huán)境的地理條件進行綜合全面的分析，從而選擇適合的測量方法，以獲得理想的測量目標?，F(xiàn)階段，常用的測量方法有導線測量、RIK 測量、空中三角測量、GPS 靜態(tài)測量，具體測量方法應根據(jù)實際情況而定，以保證測量數(shù)據(jù)的可靠性及科學性。④在設計飛行路線時，為了保證飛行航線的合理性及科學性，需要綜合考慮多種影響因素，如飛行路程、航向重疊度、飛行高度等。在具體測量工作中，技術人員應根據(jù)實際測量環(huán)境，合理調節(jié)無人機攝像頭的焦距。同時，通過科學檢驗以及精密計算，合理設置相關參數(shù)，確保將無人機航測成圖的精準度控制在預期范圍內。

2 無人機航測內業(yè)處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

無人機內部設置存儲卡，可以將測量到的信息數(shù)據(jù)進行自動保存，然而這些原始數(shù)據(jù)不可以直接應用，需要經過加工處理后方可使用。因為在整個航測過程中，無人機收集到許多無關緊要的信息數(shù)據(jù)，需要將沒有利用價值的信息數(shù)據(jù)刪除，才能得到具有針對性的重要信息數(shù)據(jù)，如偏旋角度、航向傾角等，從而為水利水電工程測量工作提供既可靠又科學的數(shù)據(jù)支持。因此，當無人機航測工作結束之后，技術人員應及時導出儲存在內存卡中的信息數(shù)據(jù)，利用專業(yè)的處理軟件，對航拍位置和影像等重要信息進行處理。然后通過整理和對比收集到的影像數(shù)據(jù)信息，便可以呈現(xiàn)出清晰具體的地理圖像縮略圖，為設計人員提供科學依據(jù)。

2.2 解算數(shù)據(jù)

通常情況下，解算收集到的航測數(shù)據(jù)，總共分為4個步驟，即新建項目、添加控制點、處理數(shù)據(jù)和導出數(shù)據(jù)。具體來說，利用DAT Matrix 軟件，導入航測圖像數(shù)據(jù)，在相應位置建立坐標，確保無人機航測收集到的數(shù)據(jù)圖像與POS 數(shù)據(jù)高度匹配[2]。之后利用計算技術，對這些匹配數(shù)據(jù)進行深層次優(yōu)化。不僅如此，為了對空中區(qū)域位置進行有效標記，還需要將具體文件以及布局數(shù)據(jù)導入控制點編輯器中。另外，利用局部處理系統(tǒng)，根據(jù)實際標準，合理調整圖像控制點的具體位置，通過對局部信息進行有效處理，便可以獲得高精度的圖像控制點數(shù)據(jù)。

2.3 其他數(shù)據(jù)計算方法

單歷元計算法是一種全新的數(shù)據(jù)解決方法，為無人機航測技術的應用拓展了新思路。該計算方法的實施主要分為5 個步驟：①通過靈活運用現(xiàn)有技術手段，使GPS 點與實際坐標位置更加貼近，同時最大限度減少坐標點定位的誤差（上下浮動必須在2m 以內）。②合理選擇衛(wèi)星星座，通常選擇幾何形狀最好、PODP 值最小的衛(wèi)星。另外，使用雙差分方程來計算衛(wèi)星的具體坐標。③為了組建一個科學合理的模糊搜索空間，獲得衛(wèi)星具體的坐標位置之后，需要對所有模糊函數(shù)值進行計算，然后合理選擇計算結果。④模糊搜索空間建立完成之后，采用最小二乘估計法和雙差分方程計算殘差平方和。⑤使用F 檢驗，明確最終的數(shù)據(jù)模糊度。

3 立體測圖和DEM、DOM 的生成研究

3.1 立體測圖的研究

在立體測圖方面，主要是運用了全數(shù)字攝影測量工作站。該工作站主要負責業(yè)內數(shù)據(jù)信息的采集，通過合理運用加密材料，實現(xiàn)測區(qū)數(shù)據(jù)的恢復。與此同時，在自動相對定向的作用下，各模型會重現(xiàn)定向以形成核線。這樣一來，可以將無人機航測采集到的信息數(shù)據(jù)以成圖模型呈現(xiàn)，且各模型都存放在單獨的文件中，通過相應程序將其轉換為CASS 形式的數(shù)據(jù)。

3.2 DEM 與DOM 生成

通過調整色彩和糾正影像等步驟，便可以生成DOM。通過EPT 模塊，合理運用已經完成的參考影像，并對影像色彩進行適當調整。與此同時，裁切圖幅以及影像的鑲嵌等作業(yè)，能夠實現(xiàn)一次性全自動完成。

4 無人機航測在水利水電工程中的具體應用

4.1 在工程測繪中的應用

傳統(tǒng)航空測量技術靈活性不強，很容易受復雜氣候的影響，導致圖像清晰度不盡人意。衛(wèi)星遙感技術時效性不高，在測量過程中容易受到諸多因素限制，為了獲得更加準確的測量結果，需要反復監(jiān)測和測量，難以滿足現(xiàn)代水利水電工程多元化的測繪需求[3]。與傳統(tǒng)航空測量技術相比，無人機航測成圖技術的應用優(yōu)勢十分顯著。通過將荷載數(shù)據(jù)遙感設備安裝在無人機上，便可以實現(xiàn)對測量目標的全面觀測，根據(jù)實際要求，對收集到的數(shù)據(jù)進行合理處理，從而獲得高分辨率的圖像，為相關設計工作提供了巨大便捷。值得注意的是，為了更好地滿足水利水電工程測量需求，技術人員有必要對遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行檢校和測試。無人機航測技術可以為工作人員提供不同時段的合成監(jiān)測圖像，為工程現(xiàn)場水域變化情況的判斷提供依據(jù)。同時，還可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，對水流速度和水流方向進行計算，為后續(xù)設計工作的開展提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

4.2 在水域環(huán)境檢測中的應用

在水利水電工程實施過程中，為了確保工程質量符合實際使用標準，需要對整個管理過程中進行動態(tài)監(jiān)測，尤其是施工現(xiàn)場的水域環(huán)境，通過實時化監(jiān)測，為水利水電工程管理工作提供真實、可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)[4]。無人機航測技術可以對測量目標進行準確定位，并對測量目標進行實時監(jiān)測，以便對工程范圍內的水域變化情況進行實時掌握。與此同時，通過對基礎數(shù)據(jù)進行科學整理和處理，從而對其中有價值的數(shù)據(jù)進行有針對性的提取，確保水利水電工程管理規(guī)范性、科學性及合理性開展。

4.3 在水土保持中的應用

避免水土流失是水利水電工程建設過程中的重點關注內容，尤其是高原地區(qū)，地質情況復雜不說，水流流失速度非常快，加之工程規(guī)模比較大，如何有效避免水土流失是個重要課題。無人機航測成圖技術可以對土壤侵蝕情況進行全面調研，之后利用GIS 技術對工程范圍內土壤侵蝕量進行準確計算，從而形成清晰且全面的圖像，便于技術人員及時、準確地了解水土流失情況，在此基礎上，制定科學可行的措施，最大限度減少水土流失。

4.4 利用航攝成圖技術

航攝成圖技術主要用來外業(yè)像控點布設的測量。測量之前，要明確實際布標，測量之后，根據(jù)測量結果對地物點進行合理布設，接下來，對平面控制點、高程控制點和平高點進行測量和布設。在實際應用中，測量人員需要將航線首尾端的控制點布設在方向線垂直直線。根據(jù)測量區(qū)域的實際情況，對無人機航線進行合理選擇，以保證測量數(shù)據(jù)的準確性，最大限度減少測量誤差[5]。為了保證無人機航測成像效果，拍攝時間最好選擇在云霧少和無揚塵的時間段，當然，還需要綜合考慮地表植物對成像效果的影響。條件允許的情況下，測量人員應充分利用季節(jié)因素，對拍攝時間進行合理控制，從而更好的滿足水利水電工程測繪需求。

5 無人機航測成圖技術應用注意事項

無人機航測成圖技術的應用優(yōu)勢十分顯著，但不可否認，該項技術仍舊存在一些應用缺陷。受體積和荷載量的限制，目前難以在無人機上搭載云臺，故而POS記錄的數(shù)據(jù)通常為飛機姿態(tài)而非相機姿態(tài)，圖像質量的穩(wěn)定性和可靠性比較差。換句話來說，無人機航測成圖技術在實際使用過程中很容易受外界環(huán)境因素的影響。為了保證圖像質量，需要合理選擇拍攝時間，確保在晴朗、無風、能見度良好的情況下開展拍攝作業(yè)。同時還需要根據(jù)測繪要求及具體地形條件，計算好行高，并制定科學完善的航拍實施方案。

空中三角測量精度完全取決于像控點的測量精度和布設，為了能夠快速準確的評判像控點目標，航拍測量前，需要做實地標志，均勻布設在各個測區(qū)內，以白色十字為主。這種測量方式不僅需要耗費大量時間，而且無形中增大了成本。通過與像片刺點結合使用，既能夠保證精準度，又有助于節(jié)省成本。像控點平面坐標和高程施測方法均采用了傳統(tǒng)測量方法，即GPS 網(wǎng)、全站儀導線等方法，標記好每個像控點。在實際操作中，很多測量人員由于未能透徹理解刺點要求，只是根據(jù)平時點繪制草圖，以至航拍是無法明確部分點的準確位置。因此，為了保證測量質量和效率，測量人員必須具備豐富的測量經驗和精湛的專業(yè)技術，方能精確地刺點并詳細描述其準確位置。

已知點的選取是空中三角測量中的重難點，所有滿足精度的像控點都可作為選取對象[6]?；谠擁椬鳂I(yè)的復雜性，為了獲取理想的解算結果，需要反復測量。在解譯工作中需要重點注意以下問題：①立體建模。在建模時，如果影像重疊度過大，則需要進行抽稀處理。因為兩張成像圖片的像主點間的正方形內精度最高，一旦影像重疊度超出規(guī)定范圍，那么兩張圖像主點之間距離會相應縮短，為了滿足圖像精度要求，會頻繁出現(xiàn)模型切換現(xiàn)象，導致工作效率大大折扣。②地貌測繪中高程點的點位選取。高程點通常會布設在明顯地形點和地物點上，山頭盡量選擇最高處，鞍部點選在最低處，同時還要盡量避開存在矛盾的地物點，如比較突出的石頭等。在進行等高線繪制時，應先繪制曲線，之后繪制首曲線。如果地形比較復雜的話，則先繪制山脊線、山谷線，目的是避免山行曲線發(fā)生扭偏。③受外界環(huán)境及軟硬件的影響，最后生成的線劃圖精度仍舊無法滿足相關淹沒調查的要求，為了保證測量工作的有效性，需要在淹沒線附近利用傳統(tǒng)測量法進行配合補充測量。④外業(yè)調繪。由于內業(yè)成圖存在一定的局限先，受其影響，需要進行外業(yè)補測和調繪。與建筑工程相比，水利水電工程建設具有一定的復雜性和特殊性，其外業(yè)調繪工作涉及方面比較多，包括管線、垣柵的調繪，地理名稱的調查和注記，內業(yè)不能確定的植被類別、范圍等調繪以及單獨居民地的層數(shù)、結構的調繪。在這種情況下，要想順利進入并開展下一道工序，則需要保證外業(yè)調繪的成果。

6 結語

綜上所述，水利水電工程常常會面臨地形地貌非常復雜的環(huán)境，傳統(tǒng)測量模式存在很大局限性，難以滿足當前多元化的發(fā)展需求，與之相比，不論是在經濟效益方面還是在工作效率方面，無人機飛機測量方式的應用優(yōu)勢更加明顯，為水利水電工程建設創(chuàng)造了新局面。無人機具有全時性、實效性等特點，可以為水利水電工程提供實時化信息數(shù)據(jù)，在工程測量工作中發(fā)揮著至關重要的作用。由于無人機容易受外界環(huán)境的影響，想要獲得高品質圖像，需要不斷升級無人機性能，提高數(shù)據(jù)采集的精準度，為水利水電工程建設發(fā)展做出更多貢獻。