無人機低空攝影測量技術在水利工程測量中的應用

陳小龍，王海濤，董快鴿

（1.西安迪飛科技有限責任公司，陜西 西安 710018；2.陜西水環境工程勘測設計研究院，陜西 西安 710018）

0 引言

無人機低空攝影測量指利用無人機在航高1000 m以下進行的數字航空攝影測量。主要應用于：災害應急測繪、小范圍大比例尺地形圖測繪與更新、三維城市建模、文物考古與保護等方面。無人機低空攝影測量系統主要由飛行平臺、飛行導航與控制系統（飛控系統）、地面監控系統、任務設備、數據傳輸系統、發射與回收系統、地面保障設備組成。飛行平臺主要指無人機的機體，如：固定翼、旋翼無人機等；任務設備主要指無人機所搭載的設備，如：數碼相機、光譜相機、傾斜鏡頭、雷達掃描儀等。

1 無人機低空攝影測量技術的作業流程

1.1 主要步驟

無人機低空攝影測量的作業流程大致可分為控制測量、航空攝影、內業加密、產品生產四個步驟。

圖1 無人機低空攝影測量作業流程圖

1.2 關鍵環節

（1）相機檢校，由專業檢校廠商進行檢校，在鏡頭發生松動或影響空三精度的情況下，需要進行檢校。

（2）航線設計，由無人機配套提供，既可進行航線設計，也可以進行飛行控制。

（3）圖像處理：利用影像處理軟件進行圖像糾偏。

（4）影像量測：專業軟件中同名點匹配，控制點刺點。

（5）空三加密：專業軟件進行平差、計算外方位角。

（6）DEM提取：在專業軟件中將DSM模型中的建筑物、地表植被壓平。

（7）DOM生成：專業軟件生成正射影像。

（8）DLG生產：使用手輪、腳盤、測圖軟件完成線畫圖繪制、編輯。

2 無人機低空攝影測量技術的應用

2.1 測區概況

某地擬建水庫位于陜北地區，屬山地地形，溝壑山地錯綜復雜，高程為900 m～1200 m之間，比高為300 m。測區縱向范圍為：擬建壩址軸線上游4.0 km，高程約1100 m處，下游2.7 km。橫向范圍為：壩肩至塬面以外10 m，高程約1100 m處。擬建庫區范圍三條支溝，常年流水，水深約0.1 m～0.5 m，其中兩條支溝交匯處下游0.3 km、2.0 km處分別有土壩、混凝土壩攔截蓄水，水深約1 m～6 m。各支溝可徒步進入，測區溝深山高，溝底蜿蜒曲折，雖然植被以矮小灌木為主，但通視條件一般。

2.2 控制測量

測量采用“先像控后航測”的解決方案，西安1980掛靠獨立坐標系，1985國家高程系統，四等平面高程控制，聯測3個C級平面控制點、2個Ⅱ等高程點，埋設控制樁8個，嚴格按照《水利水電工程測量規范》（SL197-2013）執行，全網共組成同步環40個，異步環60個，水準線路長度為26.9 km，實測閉合差為-70.0 mm，允許閉合差為±103.7 mm。選取均勻分布于測區的5個四等控制點進行參數求解，像控點測量、檢查點測量和斷面測量均采用此參數。

2.3 航空攝影

采用華測P310垂直起降電動無人機進行低空攝影測量作業。

（1）航高設計：無人機搭載SonyA7RⅡ定焦單反相機，像幅大小 7952×5304 pixel，像元大小 4.52 μm，焦距 36.22 mm，成圖精度 1∶1000，地面分辨率（GSD）0.06 m,相對航高 450 m。

（2）航線設計：利用無人機地面控制軟件，設定航向重疊度80%，旁向重疊度60%。考慮到航時安全，分2個架次共21條航帶進行航攝。

（3）像控點布置：采用區域網布點法，共布設像控點23個，像控點布設應盡量選擇在地勢平坦區域，避開磚窯煙囪、垃圾桶、電線桿等地面明顯凸起物，一般用白石灰在地面布“十字絲”，便于無人機拍攝。航線及像控點布置如圖1所示，像控點布置圖如圖2所示。

圖1 航線像控點分布圖

圖2 像控點布置圖

（4）航飛數據檢查：下載POS和1180張影像數據，經測區影像快速拼接后，攝影面積33.87 km2，地形高度1019 m～1272 m，絕對航高1591 m～1603 m，依據《低空數字航空攝影測量外業規范》（CHZ 3004-2010）和行業經驗進行質量評估，飛行質量滿足相應要求。

（5）像控點測量：平面位置中誤差不超過圖上±0.1 mm，高程中誤差不超過1/10基本等高距。

2.4 外業調查調繪

（1）水工建筑物調查測量：對測區內淤地壩、溢流壩壩頂高程、淤積面高程即臨水坡腳高程進行調查測量，對抽水泵站管徑及位置進行調查測量。

（2）地形圖調繪：依據拼接影像，結合測量范圍進行實地調繪，主要調繪測區內村莊名稱、房屋屬性、通訊線、電力線、道路材質、交通橋等地物。調繪過程中根據需要采用GPS-RTK方法實測部分管線設施。

2.5 內業數據處理

（1）影像糾偏：鏡頭正中間畸變最小，越到邊緣畸變越大，結合相機檢校報告，采用專業軟件，對所采集像片進行糾偏和格式轉換。

（2）空三加密：各類空三加密軟件使用步驟大同小異，基本都是按照“新建工程→導入數據→生成航帶→處理影像→提取同名點→刺點測量→平差解算→精度評估→建立模型”這幾個步驟[1]進行。

（3）數據生產：使用專業軟件生成DEM、DOM等數據；借助立體眼鏡、手輪腳盤，使用航天遠景、適普、JX4等線畫圖采集軟件，由專業采集人員完成線畫圖采集工作。數據生產成果如圖3、圖4所示。

圖3 正射影像圖

圖4 線畫圖采集成果

（4）編輯入庫：采集完的數據，需要導入常用的測繪數據編輯軟件（如CASS、曹Map、iData等）中進行數據編輯、屬性錄入、質量的檢查，數據轉換，進行標準化入庫。

2.6 精度評估

（1）模型精度：將部分檢查點導入到空三模型中，進行模型精度評估，共導入152個檢查點，精度結果滿足要求，精度結果見表一。

（2）成果精度：對采集完的線畫圖進行人工抽檢，數據精度達到1∶1000成圖精度。

表1 模型精度表

2.7 作業注意事項

（1）禁飛區域：無人機航測屬于低空飛行，應避免軍事區和民航禁空區作業，國家已經出臺一些管制規定，可參照執行。

（2）無人機保險：部分測量設備公司已經與保險公司合作，承擔無人機損失險以及第三者責任險，保障無人機低空攝影測量作業安全。

3 結語

從無人機低空攝影測量技術的應用效果來看，其測量精度能夠基本滿足水利工程測量的要求，但應用中也還存在以下問題值得我們注意：

（1）無人機低空攝影測量只是將大部分繁重的外業測量工作轉為內業處理，因此人員和資金投入并沒有減少。

（2）測區中存在大面積水域，必須結合水下測量，才能將地形完整還原。

（3）等高線數據采集工作是制約整個數據處理環節效率的主要因素，植被覆蓋少、模型精度高的測區，完全可以借助軟件自動生成等高線。

（4）大面積測區不太適用無人機低空攝影測量，反倒會導致影像數據增多，加大外業控制和內業處理難度。

無人機低空攝影測量技術已經十分成熟，但其在水利工程測量中的應用時間還不長，具體項目中應合理選擇技術方案，將無人機作業效率最大化。