小型無人機航測技術在水利工程中的應用

藺全奎，李偉哲

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2.陜西省水利電力勘測設計研究院測繪分院,西安 710002)

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小型無人機航測技術在水利工程中的應用

藺全奎1，李偉哲2

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2.陜西省水利電力勘測設計研究院測繪分院,西安 710002)

闡述了四旋翼無人機MD4-1000外業作業流程。通過野外像控點的布設、無人機外業航攝及內業數據準備、使用Pix4Dmapper處理影像數據，最終可以生成多種測繪產品，可以導入多種類型的專業軟件完成進一步的分析處理，生成的三維模型，更加直觀。

無人機；航測；MD4-1000；Pix4Dmapper；點云

0 前 言

無人機已經逐漸走進了測繪工作，且應用優勢明顯。小型無人機航測技術將測繪工作引向了一個新的方向，它具有生產設計成本低、作業方式快捷、操作靈活簡單、環境適應性強、影像分辨率高等特點，在局部信息快速獲取方面有著巨大優勢。

本文以西安市藍田縣李家河水庫測量項目為例，李家河水庫位于西安市藍田縣境內灞河支流輞川河中游，是西安市浐河以東地區的骨干水源工程，在引漢濟渭工程建成前用于向閻良飛機城應急供水?？値烊? 690萬m3，最大壩高98.5 m(混凝土拱壩)，供水設計流量3.2 m3/s，多年平均供水量5 600萬m3。供水渠道工程采用無壓自流引水，供水渠(管)道由總干渠、北干渠、南支管組成，長度分別為18.8、28.9、21.0 km。工程總投資7.6億元。

項目航拍采用MD4-1000型四旋翼無人機系統，該系統是一種具有垂直起降小型自動駕駛無人飛行系統，可以用于執行偵察、拍攝、測繪、檢測、指揮、搜索、通信、空投等多種空中任務。該無人機可以增加系留旋翼升空平臺系統，依靠地面線纜連接在無人機上不間斷地供電并傳輸通信信號，可以24 h不中斷地停留在空中執行監視和通信任務。

數據處理采用Pix4Dmapper，是一款全自動快速無人機數據處理軟件，是集全自動、快速、專業、精度為一體的無人機數據和航空影像處理軟件。無需專業知識和人工干預，即可將影像資料快速制作成專業的、精確的二維地圖和三維模型。

1 外業航攝

1.1 像控點布設

測區為溝道地形，中間低、兩邊高，溝道兩側因為施工區域、植被遮擋等因素的影響，人工測圖難度較大，故使用無人機進行航測[1]。測圖比例尺為1∶1000地形圖。

目前絕大多數的小型無人機的定位系統為單點定位，精度相比差分定位低一些，在后期的數據處理中只能起到輔助作用。差分定位[2]已經逐漸普及到各種新型無人機當中，它擁有更高的定位精度、更準確的定位數據(POS數據)。因此可以減少像控點的布設數量，減輕外業工作強度，同時也為后續的計算工作提高了效率以及精度。這次使用的MD4-1000仍然采用單點定位方式。

使用Google Earth確定測區范圍，因為山區地物較少等因素的影響，安排在航拍之前布設像控點[3]，密度約為300 m左右布設1個，在地形變化較大的地點進行補充，采用十字形在地面標記，寬度約為10 cm，使得地面分辨率為5 cm左右的照片可以清楚地分辨出像控點。并且在實地采集檢查點以備用，用于檢查線畫圖準確度，確保滿足規范及項目要求[4]。

1.2 航線規劃

航線規劃就是根據航攝相機參數、航高、航攝比例尺、航攝區域等信息，按照航向重疊53%～75%，旁向重疊15%～60%的原則設計飛機飛行線路[5]。

相機采用索尼ILCE-7R全畫幅無反相機。參數如表1所示。

表1 索尼ILCE-7R無反相機主要參數表

相機采用35 mm定焦鏡頭，且手動對焦，固定快門時間的方式拍攝，快門速度1/1000 s，這樣保證在航拍過程中采集到清晰的影像資料。相對地面飛行高度為380 m，計算得到地面分辨率(GSD)約為5.37 cm，滿足1∶1000比例尺地形圖精度要求。設置拍照航向重疊75%，旁向重疊60%，采用S形飛行方式，航線內水平速度8 m/s。將這些計算所得的數據導入MD4-1000型無人機的航線規劃軟件mdCockpit當中，進行航線規劃[6]，如圖1。

圖1 mdCockpit規劃任務圖

1.3 飛行作業

四旋翼MD4-1000型無人機的起降點，選擇較為靈活，相對較為開闊的地面，避免下洗氣流影響旋翼飛機的起降即可。這次選擇在水庫左壩肩位置的觀景平臺上。

無人機數據傳輸系統是航測系統的重要組成部分，用來在無人機航拍時，對無人機的操控、遙測、跟蹤定位以及信息傳輸，遠距離實時操控無人機和實時獲取無人機的載荷測量信息[7]，如圖2。當MD4-1000在視距范圍之外時，通過該系統可以很好并且安全地控制、監控無人機。

圖2 飛行數據監控界面圖

監控操作員應時刻注意無人機狀態信息，在確認飛機起飛，平穩滯空后，操控手操作使用進入自動巡航模式(Waypoint)，MD4-1000自動爬升高度至指定航拍高度，并自動進入航線開始航拍。視距外飛行階段，監控操作員須密切監視無人機的飛行高度、發動機轉速、機載電源電壓、飛行姿態等，一旦出現異常，應及時人工干預，取消任務并自動返航。

結束航拍任務后開始下降，應該階梯式降低高度，在達到視距范圍以內后，避免下洗氣流引起的旋翼機失速，造成事故，應使用落葉式降落辦法[8]，安全降落，檢查無人機以及其狀態信息并回收。同時檢查相片質量是否符合要求。

2 內業處理

2.1 數據準備

飛行結束后，由機載內存卡導出飛行記錄數據文件，最重要的信息是位置與姿態系統(position and orientation system，POS)信息，包含有每張航片的拍攝時刻的位置(X，Y，Z)、旁向傾角(Omega)、航向傾角(Phi)、像片旋角(Kappa)等信息，根據航拍導出的相片數據進行比對，建立航帶影像縮略圖，進行航帶整理，人工判斷航帶是否正確，如果不正確需要重新進行航帶整理，直至航帶排列正確[4]確認POS數據完整無誤，存儲備用。

同時準備相機的檢校參數(表2)，在Pix4Dmapper項目中錄入相機檢校參數，使得在計算中，軟件自動對影像進行畸變差改正[9]。

表2 相機檢校參數表

確定像控點的平面控制系統為獨立坐標系，高程控制網為1985國家高程基準。整理包含像控點的影像，并標記其所在位置。

2.2 數據解算

2.2.1 新建項目

打開Pix4Dmapper軟件，新建項目，導入航拍影像數據，修改圖像坐標系，默認為WGS84系統下的經緯度，并導入影像的POS數據，使得所有航拍影像都匹配到其位置信息。根據相機檢校參數修改軟件的參數信息，以達到最優化數據處理。

2.2.2 加入像控點

打開“控制點編輯器”，選擇控制點坐標系，尋找測區合適的坐標系，如果沒有，可以從ArcGIS中導出一份包含坐標系定義的文件再導入進去。之后導入外業完成布設的像控點數據，并且在“平面編輯器”中標記像控點所在的航片。

2.2.3 數據處理

選擇本地處理，打開“選項”，勾選第一步“初始化處理”進行“全面高精度”處理，點擊“開始”，完成對項目的第一步處理。根據第一步預處理的點位精度，調整每一個像控點的刺點位置，并再次進行處理數據，直到滿足像控點的精度要求，且使用檢查點也通過檢查，即完成必須的本地處理任務[10]。

數據質量檢查結果如圖3，“Image”表示平均每張照片有92 621個匹配點；“Dataset”表示總共263張照片中有255參與本地處理且符合軟件要求；“Camera Optimization”表示相機的初始參數和Pix4D軟件中計算得出的相機優化參數差異為0.06%；“Matching”表示矯正照片間相互匹配的鍵值數為23611.7；“Georeferencing”表示本地處理中使用了9個像控點，軟件測算點位精度為0.031 m。對號符號表示符合軟件解算的要求。

圖3 數據質量檢查圖

2.2.4 數據導出

Pix4Dmapper擁有種類繁多的數據導出類型，以應對各種任務的需求，例如：未畸變影像、加密點云(圖4)、三維網格紋理、數字高程模型(DEM)、數字表面模型(DSM)、數字正攝影像圖(DOM)、谷歌地圖瓦片數據、等高線等等。

在航天遠景的MapMatrix軟件中建立立體模型，對空三成果進行精度檢測。根據實地測量檢查點對比結果平面誤差小于5 cm，高程誤差小于0.3 m，符合規范及項目設計要求，可以進行數字化測圖，生產數字線畫圖(DLG)。數字表面模型(DSM)與之前檢查的精度一致，但是兩側的植被以及構筑物影響使用，則需要進一步處理成為數字地面模型(DTM)來表示實際地形特征，這樣更便于使用且精度更高。根據報告中的數據顯示，數字正攝影像圖(DOM)的平均地面采樣距離(GSD)為3.91 cm，滿足規范中8～15 cm的要求[11]。

圖4 Pix4D中加密點云展示壩體圖

由高分辨率影像生成的加密點云上，我們可以進行測距、面積和體積測量、多段線繪制等等工作，并且模型對象元素可以加載到ArcGIS當中(圖5)；加密點云可以導入AutoCAD Civil 3D或者CATIA等[12]；正攝影像圖可以導入AutoCAD或者Global Mapperd等軟件之中[13]，在不同類型的軟件中進行進一步的分析及處理工作[14]。

圖5 ArcGIS中DEM與DOM模型疊加圖

3 結 論

小型無人機航測技術擁有靈活的運輸和起降優勢，為水利工程中較為偏僻的地區調查勘測提供了有利的實施條件[15]，同時結合航測內業處理軟件，應對更多、更復雜的地質災害等的應急測繪保障。通過系留電源系統，還可以進行項目的實時監控，提供更多用于測繪等工作的信息。

在水利工程的設計和建設過程中，利用航測軟件生成多種三維空間產品成果，可以有效并且快速地完成立體構筑物的設計、三維模型建立、施工圖繪制等的工作，相比平面圖使用起來則更加直觀、更加方便。未來測繪生產將會逐漸以三維模型等產品為主。

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Application of Aerial Surveying Technology by Small Drone in Water Resources Engineering

LIN Quankui1, LI Weizhe2

(1. Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China; 2. Surveying and Mapping Section, Shaanxi Province Water Resources and Electric Power Investigation and Design, Xi'an 710002,China)

The field work procedures of the 4-rotor-wing drone are described. Through distribution of field image control points, aerial shooting by drone, indoor data preparation and image data processed by Pix4Dmapper, multiple surveying and mapping products can be produced. They can be further processed by application of special software, producing 3D models which are more visual. Key words: drone; aerial survey; MD4-1000; Pix4Dmapper; point cloud

1006—2610(2016)05—0028—04

2016-03-17

藺全奎(1959- )，男，陜西省渭南市人，高級工程師，從事水利水電測繪和工程測量監理技術工作.

TV221.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.007