流域生態(tài)治理工程中無(wú)人機(jī)大比例尺測(cè)圖技術(shù)運(yùn)用分析

趙智

（晉中市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西 晉中 030600）

1 引言

流域生態(tài)治理具有改善環(huán)境的效果，通過(guò)無(wú)人機(jī)測(cè)圖可對(duì)生態(tài)情況進(jìn)行檢測(cè)，得到準(zhǔn)確的地形結(jié)構(gòu)，便于對(duì)流域治理效果進(jìn)行檢驗(yàn)。本文以瀟河為研究對(duì)象，圍繞項(xiàng)目展開(kāi)分析，對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)圖方法進(jìn)行全面探索，并對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行控制，確保測(cè)量結(jié)果與流域生態(tài)相匹配，以及無(wú)人機(jī)精度控制取得有效進(jìn)展，最終使流域治理狀態(tài)良好。

2 工程概況

瀟河發(fā)源于山西省昔陽(yáng)縣沾尚鄉(xiāng)陡泉山西麓的馬道嶺，在昔陽(yáng)縣境內(nèi)，其上游有白馬河和松塔河兩大支流，松塔河為主流。松塔河發(fā)源于昔陽(yáng)縣沾尚鄉(xiāng)馬道嶺，先后匯入龍泉河、木瓜河后，在壽陽(yáng)縣蘆家莊與白馬河匯合；在晉中市榆次區(qū)，在東趙鄉(xiāng)大發(fā)村龍門(mén)河匯入，在北合流涂河匯入，在源渦村出山口進(jìn)入平川區(qū)。源渦以下有澗河和牛耕河匯入，流經(jīng)清徐縣，在太原市小店區(qū)的洛陽(yáng)、南馬村之間匯入汾河。瀟河屬于用水矛盾突出的地區(qū)，隨著水資源的持續(xù)開(kāi)采，流域生態(tài)環(huán)境不斷惡化，存在地下水位下降情況。瀟河流域內(nèi)年均降水量418～483 mm，蒸發(fā)量高達(dá)2 068.5 mm，流域缺水情況嚴(yán)重。瀟河區(qū)域緊急開(kāi)展流域生態(tài)治理工程，采用無(wú)人機(jī)大比例尺測(cè)圖技術(shù)對(duì)流域情況進(jìn)行分析，對(duì)流域生態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，并把控細(xì)節(jié)部分，保障生態(tài)治理得到持續(xù)化監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的流域監(jiān)測(cè)與治理，瀟河生態(tài)環(huán)境得到顯著改善，水位埋深由治理前的30.6 m 上升至24.5 m，形成旱區(qū)濕地894 km2，讓瀟河流域在生態(tài)流量上重獲新生，流域生態(tài)治理取得突破性成果。

3 流域生態(tài)治理工程中無(wú)人機(jī)大比例尺測(cè)圖技術(shù)運(yùn)用

3.1 飛行路線

本工程流域分布范圍較廣，需對(duì)無(wú)人機(jī)飛行路線進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高對(duì)河水流域的覆蓋面，保證飛行路線滿足監(jiān)測(cè)要求。瀟河整體形狀為長(zhǎng)條狀，河道兩岸均需布設(shè)無(wú)人機(jī)，沿河道線方向飛行，對(duì)河道周邊景象進(jìn)行拍攝，便于分析河道地圖。航帶網(wǎng)法是飛行路線布設(shè)的常用方法，如圖1 所示，需根據(jù)航線進(jìn)行絕對(duì)定向控制，合理對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行使用，對(duì)河道形成全方位覆蓋。無(wú)人機(jī)飛行路線在三維坐標(biāo)體系下，便于對(duì)無(wú)人機(jī)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行描述，確保無(wú)人機(jī)能夠沿預(yù)定線路飛行，對(duì)無(wú)人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。飛行線路設(shè)計(jì)應(yīng)避免重復(fù)性，沿預(yù)定方向一次檢測(cè)成型，避免產(chǎn)生重復(fù)性的測(cè)圖工作。流域生態(tài)采用多臺(tái)無(wú)人機(jī)進(jìn)行拍攝時(shí)應(yīng)做好無(wú)人機(jī)的協(xié)同控制，讓無(wú)人機(jī)沿不同方位飛行，提高對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的覆蓋面，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行線路的綜合運(yùn)用[1]。

圖1 基于航帶網(wǎng)法的飛行路線示意圖

無(wú)人機(jī)飛行路線具有航高控制要求，以保證拍攝成圖具有良好的分辨率，對(duì)流域情況進(jìn)行大比例尺測(cè)量。無(wú)人機(jī)航高計(jì)算公式為：

式中，H為攝影航高，m；f為鏡頭焦距，m；α 為像元尺寸，m；GSD為影像分辨率。

通過(guò)這種方式，提高對(duì)航高的控制作用，根據(jù)流域影像分辨率確定航高，使航高選擇具有理論依據(jù)，保障航高能夠得到有效取值。

3.2 像控點(diǎn)布設(shè)

無(wú)人機(jī)大比例尺測(cè)圖需對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，用于對(duì)指定流域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保無(wú)人機(jī)測(cè)圖具有一定的針對(duì)性。像控點(diǎn)需按照規(guī)范進(jìn)行布設(shè)，做好像控點(diǎn)間距的控制，如1∶1000 航空比例尺測(cè)量時(shí)，像控點(diǎn)間距一般在250 m 左右，確保滿足大比例尺測(cè)圖條件。像控點(diǎn)布設(shè)注重實(shí)際環(huán)境的考量，對(duì)像控點(diǎn)的具體坐標(biāo)進(jìn)行確定，做好像控點(diǎn)的標(biāo)記工作，保證像控點(diǎn)能夠覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域。如圖2 所示，為八點(diǎn)法布設(shè)像控點(diǎn)，在每段航帶網(wǎng)內(nèi)布置8 個(gè)平高像控點(diǎn)，每個(gè)航帶內(nèi)像素點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)，便于對(duì)像控點(diǎn)誤差進(jìn)行控制。需注意，像控點(diǎn)觀測(cè)期間應(yīng)避免使用對(duì)講機(jī)、手機(jī)等設(shè)備，防止對(duì)信號(hào)源造成影響，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的測(cè)圖精度下降。通常情況下，以特征鮮明的位置作為像控點(diǎn)，確保與地表形成鮮明對(duì)比，提高對(duì)周圍地物特征的辨識(shí)能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)像控點(diǎn)的精準(zhǔn)定位。針對(duì)不存在明顯像控點(diǎn)的情況，可布設(shè)人工像控點(diǎn)，如采用紅色油漆標(biāo)記地塊，增強(qiáng)地物的可辨識(shí)性，使像控點(diǎn)布設(shè)能發(fā)揮效果。

圖2 八點(diǎn)法布設(shè)像控點(diǎn)

3.3 數(shù)據(jù)采集

無(wú)人機(jī)測(cè)圖過(guò)程中，需采用合理化的數(shù)據(jù)采集形式，保證數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性和全面性，得到清晰的流域生態(tài)影響。數(shù)據(jù)采集應(yīng)用RTK 模式，對(duì)流域情況進(jìn)行密集匹配，確保大比例尺狀態(tài)下數(shù)據(jù)采集能精準(zhǔn)無(wú)誤，保障數(shù)據(jù)采集過(guò)程能夠順利進(jìn)行。數(shù)據(jù)采集具有拍攝間距的要求，在地面分辨率1.5 cm、航向重疊率80%情況下，拍攝間距通?？刂圃?0～15 m，形成具有連續(xù)性的拍攝圖像，便于生成地圖全景。數(shù)據(jù)采集需在無(wú)風(fēng)、晴朗的天氣下，消除拍攝過(guò)程對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響，得到準(zhǔn)確信息，降低環(huán)境因素影響。數(shù)據(jù)采集需注重銜接區(qū)域的覆蓋，確保首尾圖像連接的精準(zhǔn)程度，根據(jù)重疊度情況實(shí)現(xiàn)有效連接，防止測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況[2]。

3.4 空三測(cè)量

空三測(cè)量是實(shí)現(xiàn)三維建模的關(guān)鍵，通過(guò)無(wú)人機(jī)采集準(zhǔn)確的流域信息，需要滿足測(cè)量環(huán)境條件的要求，獲得流域像素點(diǎn)的精準(zhǔn)位置。空三測(cè)量需要對(duì)影像單元進(jìn)行密集處理，結(jié)合比例尺情況對(duì)拍攝視角進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證拍攝后影像能夠與實(shí)際場(chǎng)景相符，通過(guò)測(cè)量操作對(duì)誤差進(jìn)行限制?？杖郎y(cè)量需具有精密的導(dǎo)軌條件，以無(wú)人機(jī)所在位置為原點(diǎn)，構(gòu)建X軸和Y軸方向的導(dǎo)軌，采用坐標(biāo)法對(duì)流域中像素點(diǎn)視差情況進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)對(duì)視差的有效控制。視差計(jì)算方法如下：

式中，xi、yi為測(cè)點(diǎn)的X、Y軸坐標(biāo)。

視差分析是保證空三測(cè)量精度控制的關(guān)鍵，需關(guān)注公共點(diǎn)的連接情況，確保視差中的同名點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，提高視差控制方法的有效性?？杖郎y(cè)量易產(chǎn)生視差問(wèn)題，可通過(guò)視差計(jì)算消除誤差，將誤差控制在3 個(gè)像素點(diǎn)內(nèi)，防止在實(shí)際測(cè)量環(huán)境中產(chǎn)生較大偏移，實(shí)現(xiàn)對(duì)空三測(cè)量坐標(biāo)位置的精準(zhǔn)確定。

3.5 三維建模

流域生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)需要進(jìn)行三維建模，根據(jù)圖像采集情況生成數(shù)字表面模型，同時(shí)需要對(duì)三維模型的誤差進(jìn)行修正，提高流域地圖的建模效果。三維建?；诳臻g坐標(biāo)展開(kāi)計(jì)算，如圖3 所示，點(diǎn)A為機(jī)載GPS 天線相位中心，點(diǎn)S為航攝儀投影中心，根據(jù)坐標(biāo)分量的控制條件，可得到如下三維模型關(guān)系：

圖3 無(wú)人機(jī)大比例尺測(cè)圖三維模型

式中，式中，XA、YA、ZA和XS、YS、ZS分別為點(diǎn)A、S兩點(diǎn)的空間坐標(biāo)；R表示影像外方位元素的3 個(gè)角元素u、v、w所構(gòu)成的正交變換矩陣。

通過(guò)三維建模可對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，得到無(wú)人機(jī)的最佳控制條件，對(duì)無(wú)人機(jī)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用坐標(biāo)法對(duì)流域生態(tài)進(jìn)行測(cè)量。三維模型解算過(guò)程中需要具有清晰的層次感，基于DEM 數(shù)據(jù)對(duì)影響進(jìn)行糾正，形成多角度的影像映射，同時(shí)確保影像具有連續(xù)性，對(duì)三維模型的完整性進(jìn)行控制[3]。

三維建模過(guò)程中需實(shí)現(xiàn)紋理的貼合控制，通過(guò)紋理控制提高圖像的清晰度，形成紋理清晰的流域生態(tài)影像。圖像紋理基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)展開(kāi)修正，根據(jù)多圖像對(duì)比生成AI 算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)紋理的自動(dòng)校正，提高對(duì)地圖紋理的處理效率。大比例尺地圖需要具有清晰的紋理，否則將會(huì)影響到流域生態(tài)的辨識(shí)效果，不利于地形圖具體情況的掌控，可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)模型有效貼合具有必要性。

3.6 成圖指標(biāo)

無(wú)人機(jī)測(cè)圖過(guò)程中需對(duì)成圖質(zhì)量進(jìn)行控制，結(jié)合成圖指標(biāo)的要求，掌握成圖質(zhì)量控制的要點(diǎn)。成圖指標(biāo)控制包括以下兩個(gè)方面。

1）成圖質(zhì)量指標(biāo)。無(wú)人機(jī)拍攝過(guò)程中，需避免出現(xiàn)圖像不清晰的情況及圖像中出現(xiàn)盲區(qū)或盲點(diǎn)，導(dǎo)致地圖的關(guān)鍵區(qū)域存在遮擋，無(wú)法對(duì)指定流域情況進(jìn)行識(shí)別。

2）成圖精度指標(biāo)。大比例尺測(cè)圖在誤差方面具有較高要求，需要合理對(duì)像控點(diǎn)、空三測(cè)量、三維建模過(guò)程進(jìn)行分析，掌握誤差控制的關(guān)鍵點(diǎn)，防止因誤差未達(dá)標(biāo)而增加額外工作量，導(dǎo)致流域的成圖精度不足。成圖指標(biāo)需要結(jié)合圖像的實(shí)際情況，將像控點(diǎn)導(dǎo)入圖像中，解決空三加密中的殘差問(wèn)題，保證空三加密中的圖像銜接效果，便于生成三維建模的實(shí)景模型，提高成圖指標(biāo)控制的有效性。成圖指標(biāo)控制核心在于數(shù)據(jù)處理，根據(jù)數(shù)據(jù)精度情況進(jìn)行匹配，結(jié)合成圖指標(biāo)情況進(jìn)行控制，去除不精準(zhǔn)的控制點(diǎn)，對(duì)精度不足情況進(jìn)行重測(cè)，導(dǎo)入準(zhǔn)確的空間信息，進(jìn)而降低誤差的影響范圍[4]。

3.7 精度控制

誤差控制是保證成圖質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，需對(duì)流域平面中誤差控制效果進(jìn)行分析，確保誤差控制能發(fā)揮作用，防止產(chǎn)生較大誤差。平面位置中誤差控制情況如表1 所示，在比例尺為1∶500、1∶1000、1∶2000 情況，不同平面位置誤差情況均小于檢查點(diǎn)精度等級(jí)要求，說(shuō)明成圖的精度控制效果良好。

表1 平面位置中誤差控制情況

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)人機(jī)大比例尺測(cè)圖在流域生態(tài)治理中具有重要作用，需確保測(cè)圖技術(shù)應(yīng)用的合理性，解析測(cè)圖的精度控制過(guò)程，提高對(duì)成圖質(zhì)量的控制效果。無(wú)人機(jī)測(cè)圖速度快、適度高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)流域生態(tài)的可視化測(cè)繪，并借助三維模型進(jìn)行分析，發(fā)揮實(shí)景測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，生成的地形圖更具可靠性。無(wú)人機(jī)測(cè)圖具有較高的技術(shù)要求，需采用規(guī)范的操作形式，做好無(wú)人機(jī)飛行控制與成圖效果，降低無(wú)人機(jī)測(cè)圖中的誤差影響。基于精度控制方法確保無(wú)人機(jī)測(cè)量與流域環(huán)境相適應(yīng)，提高對(duì)誤差的制約能力，得到具有分析價(jià)值的流域地形圖，實(shí)現(xiàn)流域治理效果的精準(zhǔn)分析。