天狼星無人機航測系統在水利工程測繪中的應用

嚴慧敏，王 飛

(安徽省水利水電勘測設計院勘測分院，安徽 蚌埠 233000)

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測繪4.0：拓普康索佳應用方案專欄

天狼星無人機航測系統在水利工程測繪中的應用

嚴慧敏，王 飛

(安徽省水利水電勘測設計院勘測分院，安徽 蚌埠 233000)

無人機航測技術作為一項空間數據獲取的重要手段，具有適用地形廣泛、成本低、快速高效、機動靈活等優勢。隨著國家在水利建設方面投入的增加，傳統的全站儀、GPS RTK實地測量方式在效率上已不能滿足水利工程建設的要求。本文利用天狼星無人機航測系統對水利工程項目進行航測，并與傳統測量方式進行比較，通過分析航測精度和作業效率，對天狼星無人機航測系統在水利工程測繪中的優勢進行了探討研究。

水利工程；天狼星無人機航測系統；精度與效率評價

現階段全站儀或GPS RTK實地測量在效率上不能滿足新形勢下水利工程測繪工作的要求[1]。因此，應在合理制定測量工作計劃的基礎上，積極嘗試新的測量技術和方式，提高測繪工作效率，保證水利建設工程項目的順利進行。無人機航測是傳統航空攝影測量手段的有力補充，具有機動靈活、高效快捷、精細準確、作業成本低、時效性好的優點，目前已廣泛應用于國家重大工程建設、災害應急與處理、國土監測、資源開發等方面[2]。

1 天狼星無人機航測系統

天狼星無人機航測系統主要由無人機飛行平臺、遙感傳感器系統、飛行控制系統、通信系統、GPS實時動態差分定位系統和數據后處理系統組成。地面部分包括航線設計系統、無人機地面控制子系統及數據通信顯示子系統(如圖1、圖2所示)，飛行平臺為手拋式,適宜飛行高度為59～750 m，地面分辨率為1.6～20 cm，抗風能力平均風速為50 km/h，適合溫度為-20℃～45℃，最大續航時間為55 min，巡航速度為65 km/h。

圖1 天狼星無人機

2 項目概況及數據處理流程

京杭運河微山二線船閘位于山東省微山縣城北邊京杭運河與二級壩交匯處，是京杭運河上的重要交通要道。隨著經濟的迅猛發展，船舶通過量持續快速增長，二線船閘的通過能力和實際運量的矛盾日益突出，原有的船閘已不能滿足通航能力，為改善京杭運河濟寧段的運輸條件，計劃在二線船閘附近新建一座三線船閘。擬建三線船閘閘址位于原有的二線船閘與南水北調東線工程微山湖二級壩輸水渠之間。測量范圍東至S348與S104道路交匯處，西至二級壩一號節制閘東側，南至二級壩沿航道向下游4 km，北至二級壩沿航道向上游3.5 km，測量總面積為11.1 km2。測區交通較為方便，但測區范圍內陸上部分植被覆蓋嚴重，主要植被為楊樹和桃樹，地形以臺田為主，現有的二線船閘西邊緊靠張白莊村，村莊邊有運煤碼頭；二級壩上游湖區屬微山湖濕地，主要是蘆葦及蓮藕等水生植被，下游湖區有部分采煤塌陷區且布滿漁網，同時航道內來往船只頻繁，測量難度為中等。

圖2 地面站

2.1 技術路線

(1) 地形圖測量比例尺為1∶2000，采用的平面系統為1980西安坐標系，高斯正形投影，3°分帶，中央子午線117°，高程系統為1985國家高程基準，基本等高距為0.5 m。根據水利測區、形狀及成圖比例尺1∶2000的要求，航攝分辨率設置為10 cm，航向重疊度設置為60%～70%,旁向重疊度設置為65%。根據《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影規范》(GB/T 6962—2005)，像片傾角≤2°,像片旋角≤6°,航線彎曲度≤3%。

(2) 飛行計劃設置：此次飛行區域約9.12 km2，利用天狼星航測系統桌面軟件制定測區飛行計劃。該軟件可根據飛行區域自動計算分割飛行計劃，選擇最短路徑，由軟件自動對飛行計劃進行優化，在此基礎上，根據提高飛行效率、減少基站遷站次數的原則，對飛行計劃進行人工調整。測區高程基準為1985國家高程基準，測區內最高約39.7 m，最低約23.5 m，地面采樣距離容許差小于30%。測區最終劃分為6個飛行架次，飛行高度約380 m，飛行總時間為2 h 42 min(如圖3所示)。

圖3 飛行區域與飛行航線設計

2.2 數據后處理

(1) 免相控數據預處理：天狼星無人機在飛行過程中采集相片的同時進行RTK測量,每一張相片的位置信息都具有RTK固定解的精度，通過整合精密測時和高精度定位技術,使得天狼星在空中即可完成傳統的地面控制，數據匹配結束只需選擇坐標系統，輸入基準站控制點坐標即可。

(2) 后處理軟件采用俄羅斯Agisoft公司研發的3D掃描軟件Agisoft PhotoScan。這是一款基于影像自動生成高質量三維模型的軟件，它根據多視圖三維重建技術，可對任意照片進行處理，小到考古擺件，大到大量航片數據處理，軟件僅通過導入具有一定重疊度的數碼影像，便可實現高質量的正射影像生成及三維模型重建。整個工作流程，無論是影像定向還是三維模型重建，都可完全實現自動化(如圖4所示)。通過PhotoScan軟件對微山湖航拍數據進行處理，生成DOM和DEM產品(如圖5、圖6所示)。

圖4 數據處理技術路線

圖5 數字正射影像圖(DOM)

圖6 數字高程模型(DEM)

3 精度分析

選取一個飛行架次的數據進行精度分析。檢核點通過現場RTK實測獲得，在GPS信號正常、固定解狀態下進行測量。檢核點均勻分布于整個飛行架次，對每個檢核點測量兩次，保證檢驗點精度，精度統計結果見表1。

地形圖測量主要精度指標見表2。

高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差不應大于相應比例尺地形圖基本等高距的1/3，困難地區可放寬0.5倍。根據《1∶500 1∶1000 1∶2000外業數字測圖技術規程》(GB/T 14912—2005)，校核結果的平面中誤差和高程中誤差均滿足精度要求。

表2 平面位置中誤差限差 m

4 效率分析

本次航測工作因受大風天氣影響，3 d完成航測任務，4 d完成內業工作，每天航測任務完成后即可將航測數據提交至內業進行處理，內外業可同步進行。而經核算，兩個小組采用傳統RTK測圖方法進行測圖需要7 d才可完工，因航測過程中受大風、降雨等天氣影響，不能工作的情況是不可避免的，因此本次計算并未扣除因大風導致航測延期完成的時間。經計算，本次無人機航測時間節約率為28.6%(見表3)。

表3 時間效率分析

與傳統測圖方法相比，利用天狼星無人機航測系統進行航測，不僅可以提高工作效率，縮短工期，還能夠大大減輕外業工作量，外業工作人員僅需要對內業成果進行調繪即可完成整個測圖工作。當水利工程項目測圖范圍較大時，上述時間節約率還可進一步提高。

5 結 語

天狼星無人機航測系統具有起降靈活、自動化程度高、安全性好、數據產品精度高的優點，能夠很好地應用于水利工程測繪行業。本文通過實際水利工程項目，對天狼星無人機航測系統的測量精度和工作效率進行了驗證和分析。經驗證，天狼星無人機航測系統產品精度滿足水利工程測繪精度要求，提高了測繪工作效率，大大減輕了外業工作人員工作量。未來，隨著技術的發展，當天狼星無人機航測系統突破電池電量和信號發射范圍的限制，能夠實現大范圍、長航時航拍時，將能更好地為水利工程測繪服務，也將具有更廣泛的應用空間。

[1] 李德偉. 無人機航測成圖在水利水電工程中的應用[J]. 城市建設理論建設研究(電子版), 2013(16).

[2] 余江河. 無人機航測技術在應急測繪中的應用研究[J]. 地球, 2015(5)：255.

[3] 張雪萍，劉英. 無人機在大比例尺DOM生產中的應用[J].測繪標準化，2011,27(4):25-27.