基于無人機傾斜攝影測量技術的水庫地形圖測繪方法

張 宙，吳 波，林 璐，劉 璐，薛 健

（1.自然資源部第二地形測量隊,陜西 西安 710054；2. 延安水務環保集團有限公司,陜西 延安 716000）

1 引言

水利工程是我國國民經濟的基礎產業,對國民經濟發展與人民財產影響巨大。地形圖測繪是水利工程建設、施工、運行和維護各個階段必不可少的一項工作,然而我國大部分水利樞紐庫區坐落于高山和峽谷之間,過去長期以來都是應用全站儀、RTK等測繪方法進行測量,具有難度大、耗費人工較多、整體工期較長等缺點,且測繪產品多為1∶1萬精度的數字正射影像（DOM）、數字高程模型（DEM）和數字線劃圖（DLG）,已無法滿足水利工程地形圖測繪工作全覆蓋、高精度、高效率的需求。無人機傾斜攝影測量通過在無人機平臺上搭載多個傳感器對測區進行快速航攝數據獲取,應用三維重建技術制作測區實景三維模型[2],并以此為基礎進行地形圖成果制作,最終產品精度可滿足1∶2000 地形圖測繪需求,大大降低生產成本和周期。

2 測區情況

南溝門水利樞紐工程位于陜西省延安市黃陵縣境內,水庫壩址位于葫蘆河河口上游3 km處的南溝門附近,距黃陵城約25 km。南溝門水庫樞紐總庫容2.006億m3,樞紐主要建筑物由攔河壩、導流泄洪洞、溢洪道、引水發電洞、壩后電站等五部分組成。其中大壩、導流泄洪洞、溢洪道為2級建筑物；引水發電洞因供水對象的重要性也定為2級建筑物,壩后電站屬5 級建筑物。

本次測圖面積共31.79 km3,范圍見圖1。

圖1 測區范圍示意圖

3 無人機傾斜攝影測繪地形圖

3.1 無人機平臺

此次航測作業采用成都縱橫CW-10 C電動無人機。它是一種國內先進的垂直起降固定翼無人機[3],采用固定翼結合四旋翼的復合翼布局形式,以簡單可靠的方式解決了固定翼無人機垂直起降的難題,兼具固定翼無人機航時長、速度高、距離遠的特點和旋翼無人機垂直起降的功能。根據用途選用搭載的設備可獲取0.02 m～0.2 m分辨率影像；并可生產大比例尺地形圖產品和傾斜模型。平臺主要參數見表1。

表1 CW-10C無人機平臺主要技術參數

3.2 搭載相機

為提升航測效率和獲取高精度成果數據,本次無人機航測系統搭載的是睿鉑DG4 Pros五鏡頭傾斜相機,相機重量900 g,采用全畫幅的CMOS傳感器,單鏡頭像素4200萬,正射光學鏡頭焦距值40 mm,傾斜鏡頭焦距值60 mm。

3.3 航線設計與影像采集

航攝線路規劃時,應用地面控制軟件CWCommander進行規劃。根據本測區1∶2000比例尺測圖的要求,設計相對航高350 m,地面分辨率優于5 cm,為保證傾斜數據的完成性和精確性,航線規劃范圍在測圖范圍基礎上整體外擴一個航高的距離,并保證航線航向重疊度80%,旁向重疊度70%。根據南溝門水庫范圍和成圖比例尺要求,綜合CW-10 C無人機續航能力、影像分辨率等因素[4],最終本測區共規劃8 個架次的外業航飛任務。部分區域航線規劃見圖2。

圖2 部分區域航線設計圖

3.4 像控點布設及測量

無人機航測影像像幅小,且易受飛行質量影響,采用傳統的攝影測量布點方式,不但控制點數量多,且實施起來比較困難,無人機影像傾斜角過大且傾斜方向沒有規律,造成航向重疊度不規則、灰度不一致,使得影像匹配難度大,精度低。飛行航線呈曲線、旋偏角大,使得影像的旁向重疊度不規則,這對于連接點的提取和布設增加了難度[5]。

本次像控布設采用區域網布點方式,首先在測區外圍角點處布設像控點,然后在測區內部均勻增加相應的內部控制點,共布設56 個像控點,其中40 個點為像控點參與平差計算,16 個點為檢查點用于驗證精度。像控點統一采用RTK測量,平面坐標系統為CSCS2000坐標系統,高程基準為1985國家高程基準[6]。

3.5 傾斜數據生產

傾斜數據生產包括數據準備、空三加密、實景模型重建三個主要環節[7]。

（1）數據準備

數據準備環節的主要任務有兩個：其一,是將影像數據、相機文件、pos數據處理至空三加密軟件所需的格式；其二,由于傾斜相機在拍照時會獲取接近30%的無用照片,直接進行空三加密會導致空三加密效率的降低,在進行空三加密前需將無用照片進行剔除。

本次航飛共獲取40950 張照片,通過導入飛行的pos數據和范圍數據,應用成都睿鉑科技公司研發的SKYfilter軟件成功將無用照片刪除,刪除后照片數量變為31941 張照片,提高了數據處理的工作量。

（2）空三加密

空三加密是傾斜模型構建的核心環節之一,空三加密時,首先進行自由網平差,自由網平差完成后為提高成果的位置精度水平,需要將外業采集像控數據刺點至對應的像片,要求同一個點各個視角需選刺一定數量且連續的像片。最后,對刺點完成后的影像成果進行區域網平差。

目前常用的傾斜模型生產軟件為Context Capture軟件,但該軟件對于弱紋理、加密照片數量大的測區空三通過率較低,因此本次空三加密選用的是M3D軟件,該軟件空三通過率較高,可極大提升空三加密效率。

（3）實景模型重建

實景模型重建是自動化處理的過程,需要提前設置重建模型范圍、瓦片大小、輸出格式、坐標系統等,設置完成后提交生產任務自動進行三維實景模型重建。三維模型重建流程主要是基于原始影像和空三成果,經三維TIN構建、生成三角面、紋理映射等步驟。

本次南溝門水庫三維模型生產,是將M3D空三加密的成果導入CC軟件中進行模型構建。模型效果見圖3。

圖3 南溝門水庫庫區實景三維模型

3.6 地形圖編制

數據采集應用裸眼三維測圖的模式進行采集,即利用實景三維模型數據在三維狀態下進行地形圖測量[8]。該測區應用的是EPS軟件三維測圖模式,將生成的三維模型數據導入EPS三維測圖軟件,應用三維測圖功能即可進行DLG數據采集。在三維模型上,可以清楚地進行房屋、窯洞、陡坎、斜坡、涵洞、檢修井、污水箅子、等高線、高程點等要素的采集。立體圖形要素采集效果見圖4。

圖4 三維模型立體圖形要素采集效果圖

3.7 精度驗證

為評定應用傾斜攝影測量技術進行大比例尺測圖成果的精度,對南溝門水庫1∶2000測圖項目采用野外實測的方法進行精度驗證[9-10]。

（1）平面精度

平面精度驗證共選用27 個包含房角點、路邊線等地物的平面點作為檢測對象,應用RTK實測的方法獲取坐標,并與圖上坐標進行對比,精度情況見表2。

表2 碾壓混凝土的配合比

表2 基于實景三維模型測繪的平面精度統計

（2）高程精度

高程精度選取22 個地面點,應用RTK實測的方法進行實測高程數據獲取,高程精度情況見表3。

表3 基于實景三維模型測繪的高程精度統計

續表3

通過平面和高程精度統計情況得出,應用傾斜攝影測量技術進行南溝門水利樞紐1∶2000 地形圖測繪,平面中誤差0.26 m,高程中誤差0.44,滿足1∶2000 地形圖測繪平面和高程精度要求。

4 結語

本文研究了傾斜攝影測量技術在水庫1∶2000 地形圖測繪中的應用方法,不僅獲得了新型地形圖產品實景三維模型,且高效獲取了滿足精度要求的數字線劃圖產品。相比于傳統測繪技術和方法,在實景三維模型進行裸眼三維測圖的方法,極大的提升了水庫地形圖測繪的效率,避免了手輪、腳盤立體采集地物的特殊作業技能要求,是一種有效的水庫地形圖測繪方法。