無人機(jī)輔助技術(shù)在防洪工程控制網(wǎng)測量中的應(yīng)用

關(guān) 健

（撫順市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，遼寧 撫順 113008）

水利工程建設(shè)涉及到管線、地形、水下和地上建筑物等方面的測量作業(yè)，需要綜合考慮不同構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及地形環(huán)境，這使得工程測量相對復(fù)雜，需要進(jìn)行全面的測繪工作。然而，傳統(tǒng)的人工測量方法在宏觀性和效率方面存在一定的不足，一般需要投入大量的人力和時間成本，并且可能受到人為誤差的影響。此外，控制點(diǎn)的選擇難度較大，而且對于復(fù)雜的地形條件更具挑戰(zhàn)。無人機(jī)在測繪領(lǐng)域具有很高的效率和靈活性，可以快速獲取大量測量數(shù)據(jù)，并且能夠覆蓋復(fù)雜地形地貌，但無人機(jī)測繪也存在一些限制，如后期數(shù)據(jù)處理量較大，需要專業(yè)的處理軟件和技術(shù)人員，另外還會受到氣候條件和航空管制的限制。無人機(jī)測繪還需要先進(jìn)的設(shè)備和訓(xùn)練有素的操作人員[1-3]。所以，為了在保證測量成果精度的同時提高效率并解決測量難題，可以考慮利用無人機(jī)輔助技術(shù)來布設(shè)人工測繪控制網(wǎng)。

1 工程概況

撫順市望花區(qū)古城子河防洪工程是一個兼具生態(tài)修復(fù)和防洪功能的綜合項(xiàng)目，護(hù)岸全長7.036km。然而，該區(qū)域限飛高度為30m，并且被劃定為飛行管制區(qū)，這意味著單單使用無人機(jī)是難以實(shí)現(xiàn)對整個項(xiàng)目區(qū)域進(jìn)行全景航測。文章利用無人機(jī)輔助技術(shù)對撫順市望花區(qū)古城子河防洪項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行控制點(diǎn)位選擇和控制網(wǎng)布設(shè)，可以克服人工測繪中的一些問題，實(shí)現(xiàn)測繪工作的優(yōu)化調(diào)整，這樣可以提高測繪效率、精度以及宏觀性，為工程項(xiàng)目的規(guī)劃和設(shè)計提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支持。

2 研究方法

2.1 技術(shù)手段

古城子河流域?qū)俸疁貛Ъ撅L(fēng)大陸性氣候，冬季嚴(yán)寒漫長，多為西北風(fēng)，夏季炎熱多雨，春季干旱多風(fēng)沙，所以主要分析定點(diǎn)懸停、長續(xù)航、防水、抗風(fēng)等因素合理選擇無人機(jī)航測設(shè)備。研究選用四軸多旋翼大疆無人機(jī)，該航測無人機(jī)能夠在5級大風(fēng)中定點(diǎn)維持穩(wěn)定懸停，能夠達(dá)到10km測控要求，全面覆蓋望花區(qū)古城子河防洪項(xiàng)目測控區(qū)域。航測無人機(jī)搭載的2 450萬有效像素能夠在限高30m飛行條件下，實(shí)現(xiàn)帶狀測繪區(qū)數(shù)據(jù)采集；傳統(tǒng)的全站儀和GNSS接收機(jī)等測繪設(shè)備，在測繪和工程領(lǐng)域中發(fā)揮著著重要的作用，其主要參數(shù)如表1所示。其中，全站儀是一種多功能的測量儀器，可以進(jìn)行角度和距離的測量。它結(jié)合了光學(xué)儀器和電子距離測量儀的功能，能夠快速、準(zhǔn)確地測量目標(biāo)點(diǎn)的位置。GNSS接收機(jī)是一種全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收設(shè)備，用于獲取衛(wèi)星導(dǎo)航信號并確定地球上的位置。

表1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

為更好地完成業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理任務(wù)以及配合外業(yè)測量控制網(wǎng)布設(shè)要求，考慮選用表2種的軟件完成測繪圖形校準(zhǔn)、選點(diǎn)、編輯、平差和建模等工作。

表2 系統(tǒng)軟件應(yīng)用情況

2.2 控制點(diǎn)的選擇

項(xiàng)目區(qū)空氣濕潤和較高的折射率會對測繪工作產(chǎn)生一定影響，即空氣濕潤會導(dǎo)致光線的折射率發(fā)生變化，從而對測量數(shù)據(jù)精度產(chǎn)生影響。同時，較高折射率的環(huán)境會使光線更容易發(fā)生折射，需要在測繪過程中進(jìn)行相應(yīng)的校正操作。此外，項(xiàng)目區(qū)地形成南北低、中部高的特點(diǎn)也會對測繪工作帶來挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)測繪方法在長軸方向上，隨著單元測量誤差的累計測繪誤差會逐漸增大，這種單向誤差的增大會導(dǎo)致測繪域布局發(fā)生扭曲，使測繪結(jié)果準(zhǔn)確性受到影響。為了解決這些問題，可以采用微分測繪域的方法，通過將大范圍的測量區(qū)域劃分為若干個小的子區(qū)域，減小單向誤差的累積效應(yīng)，并且提高測繪的精度。在每個子區(qū)域內(nèi)獨(dú)立進(jìn)行測繪以更好地控制測量誤差，并通過控制點(diǎn)或連接點(diǎn)的設(shè)置來保證各個子區(qū)域之間的連接和一致性，如圖1所示。

圖1 測繪域的微分處理

當(dāng)像元中心點(diǎn)和εx不變而εy逐漸增大時會導(dǎo)致該空間區(qū)域出現(xiàn)扭曲，為實(shí)現(xiàn)測繪點(diǎn)位的修復(fù)與校準(zhǔn)有必要建立空間坐標(biāo)定位控制網(wǎng)[4]。在古城子河防洪工程中使用大疆無人機(jī)輔助控制點(diǎn)的選擇和布設(shè)，并利用Smart 3D軟件對航測影像進(jìn)行點(diǎn)云投影，生成實(shí)景模型帶。

在控制點(diǎn)的選擇和布設(shè)方面，研究選取高程與平面共用的標(biāo)石，并在水泥路面上刻制了方框作為控制點(diǎn)，方框尺寸為3mm×20cm×20cm，方框內(nèi)部使用紅漆標(biāo)注，以便于尋找和定位。通過V60 GNSS接收機(jī)和無人機(jī)進(jìn)行平面控制網(wǎng)的靜態(tài)觀測及測量，并根據(jù)要求進(jìn)行高程控制測量，以確保測量的規(guī)范性。針對高程控制網(wǎng)選用附合與閉合路線構(gòu)成的水準(zhǔn)路線網(wǎng)，以確保平差計算的準(zhǔn)確性，具體的相關(guān)要求可參考表3。

表3 無人機(jī)取樣點(diǎn)及四等水準(zhǔn)測量要求

2.3 控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

研究采用CGCS2000坐標(biāo)系，高程投影面為0，該項(xiàng)目主要坐標(biāo)系選取統(tǒng)一坐標(biāo)，高程系統(tǒng)等間距0.5m，以古城子河為基準(zhǔn)高程[8]。文章選擇撫順市國土資源局復(fù)測的D級、E級控制網(wǎng)成果為平面起算點(diǎn)，由于二等、三等水準(zhǔn)網(wǎng)成果經(jīng)過測繪部門的驗(yàn)收，故選取該成果作為高程起算點(diǎn)可以確保其精度和可靠性，具體如表4所示。

表4 D級和高程控制點(diǎn)起算坐標(biāo)

3 控制網(wǎng)精度及平差計算

3.1 平面控制網(wǎng)分析

通過中海達(dá)HGO 2.0軟件的基線處理和相關(guān)計算，以及對數(shù)據(jù)的檢查和評估，可以確保控制網(wǎng)的精度和可靠性達(dá)到設(shè)計要求。經(jīng)基線處理生成70個同步環(huán)和25個異步環(huán)，這些環(huán)路的形成和閉合差的符合要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。針對三維無約束平差，其絕對值都符合V△Z≤3σ、V△Y≤3σ、V△X≤3σ要求[9]，其中V表示絕對值，σ表示對應(yīng)基線改正數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，這表明基線處理結(jié)果的精度滿足要求，并且基線測量數(shù)據(jù)的誤差控制得較好。最后，通過對最弱點(diǎn)和最弱變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以針對性地進(jìn)行校正和改進(jìn)，提高整個控制網(wǎng)的精度和準(zhǔn)確性，如表5所示。

表5 三維無約束四等網(wǎng)平差表

通過二維約束平差計算，對起算點(diǎn)ZS17、22GE68和22GE31的兼容性進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明，這些抽樣點(diǎn)的精度較高，并且能夠滿足平差約束點(diǎn)的計算要求。經(jīng)二維約束平差計算，確定最弱變Ⅳ01~Ⅳ03相對中誤差1:120 418以及最弱點(diǎn)位中誤差的最大值2.91mm，說明最弱變中的誤差相對較小，相對于基線長度而言誤差的比例符合了1/40 000精度要求[5-7]。

3.2 高程控制網(wǎng)

采用KS地面控制測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行高程數(shù)據(jù)的測量和平差計算，得出的高程數(shù)據(jù)精度符合規(guī)范要求，具體過程可概括如下：先根據(jù)4等水準(zhǔn)觀測法測定高程控制網(wǎng)，得到20個測點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)。然后通過KS地面控制測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行高程數(shù)據(jù)的平差計算，得到高程控制網(wǎng)的平差值，根據(jù)水準(zhǔn)線路20.46km、20個測段點(diǎn)數(shù)和高程數(shù)據(jù)的平差值確定高程值，并計算平均、最長和最短測算長度1.02km、8.10km和0.08km。先驗(yàn)、后驗(yàn)單位的中誤差分別為5.00mm和17.12mm，以中誤差17.12mm作為評定精度[8-9]。另外，最弱點(diǎn)高程和最弱測段的中誤差分別為17.28mm、17.00mm，高程控制網(wǎng)高程閉合差9mm符合±90.46mm的規(guī)范要求，最弱點(diǎn)高程中誤差17.28mm符合±25mm的規(guī)范要求。經(jīng)統(tǒng)計分析，高程測量各項(xiàng)精度指標(biāo)均符合三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范要求。

3.3 高程點(diǎn)外業(yè)和控制點(diǎn)邊長檢查

結(jié)合同精度外業(yè)高程檢測結(jié)果確定檢測點(diǎn)之間的高差值均符合±30iL1/2精度要求，測量結(jié)果符合規(guī)范要求，計算可靠，并且復(fù)測閉合路線高程閉合差發(fā)現(xiàn)結(jié)果合格，高程點(diǎn)外業(yè)檢測和復(fù)測成果如表6所示。

表6 高程控制點(diǎn)與閉合差復(fù)測成果

采用Random函數(shù)隨機(jī)抽樣檢查項(xiàng)目現(xiàn)場各控制點(diǎn)邊長，檢查精度如表7所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場各控制點(diǎn)均滿足1/40 000的控制要求。

表7 控制點(diǎn)邊長抽樣檢查精度

3.4 控制點(diǎn)擬合分析

研究使用Matlab回歸計算工具箱來進(jìn)一步檢驗(yàn)控制點(diǎn)布設(shè)方法的適用性與可靠性，并通過回歸計算建立了適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛠頂M合平面和立面上的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，控制點(diǎn)位的高程數(shù)據(jù)經(jīng)過多次校準(zhǔn)后與立面上的精度數(shù)據(jù)非常接近，可信度較高。雖然平面和立面上的精度數(shù)據(jù)有些差異，但最大誤差(10cm)仍然在可接受范圍內(nèi)，達(dá)到精度要求。誤差沿東西向分布，這可能是由于東西向的軸距較短，導(dǎo)致誤差稍微增加。然而，由于誤差較小，研究未集中修正東西向誤差，因此控制點(diǎn)位的精度仍然符合實(shí)際情況。

4 結(jié) 論

根據(jù)前文分析結(jié)果，在邊長及野外檢查、高程和平面控制網(wǎng)布設(shè)等多個方面，研究利用無人機(jī)輔助水利工程測量控制網(wǎng)布設(shè)均符合精度要求。無人機(jī)在布設(shè)控制點(diǎn)位方面的應(yīng)用能夠大幅度提高選取效率，并具有較高的精度。為確保無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行多次校準(zhǔn)和驗(yàn)證，以保證控制點(diǎn)位數(shù)據(jù)與立面上精度數(shù)據(jù)的一致性及高精度；經(jīng)多次校準(zhǔn)后的控制點(diǎn)位數(shù)據(jù)與平面上控制點(diǎn)位精度有所差異，但誤差最大值不超過10cm，能夠達(dá)到精度要求，研究所用控制點(diǎn)布設(shè)方法的研究意義和實(shí)用效果較好。