無人機航空攝影測量技術在涉河建設項目中的應用

何業駿，鐘 良，甘 拯

（長江空間信息技術工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430000）

1 引言

隨著三峽工程的建成與運行，加快了三峽庫區內城市化、工業化、現代化建設的步伐，也導致了庫區內涉河建設項目活動日益頻繁。為了進一步維護三峽水庫運行安全和生態安全，在三峽后續工作規劃已審核批復占用庫容項目中，包含一批岸線環境綜合整治工程為主的涉河工程項目，這些工程項目主要采用生態與工程相結合的岸線環境綜合整治措施。生態措施包括草皮護坡、植生護坡等；工程措施主要用于需要穩定岸坡和防止岸坡受庫水長期侵蝕產生水土流失的岸段，包括岸坡的整治、現澆混凝土護坡、掛網噴錨護坡等。

如果對這些涉河建設項目采用傳統方法進行全野外實測，不僅成本高、工期長、人員作業還存在一定風險，無法達到要求。無人機低空航空攝影測量具有靈活機動、成本低廉、周期短、效率高、精度高、內業成圖迅速的特點，對于地勢環境相對惡劣的三峽庫岸區域的數據采集具有明顯優勢。現場采用無人機航空攝影測量和RTK技術獲取涉河工程水邊界數據及岸上地形地貌數據，經處理后的正射影像和傾斜攝影模型，完整反應航攝區域內的空間信息和地表紋理信息，為涉河建設項目工程管理及項目占用庫容量預算提供可靠依據。

2 無人機航空攝影測量技術發展情況

2.1 無人機航空攝影測量技術原理

近年來，無人機航空攝影測量作為一項新型航空遙感技術，發展十分迅速，技術也越來越成熟。無人機航攝是通過采集地面上的地形、地物的三維坐標以及附屬的性質信息，通過計算機進行處理、顯示、輸出地形圖。

2.2 無人機航空攝影測量技術特點

與傳統工程測量相比，無人機航空攝影測量優勢如下：

（1）起降靈活方便，方便攜帶，對周邊環境和天氣要求較低，一般只需要在航攝范圍附近有一塊無遮擋的平地即可自由起降。

（2）可以低空飛行，提高作業效率。大疆系列小型無人機可以在高度100m～500m區間進行低空航攝作業，短時間內可快速完成用戶所需成果，大疆系列小型無人機每架次起落作業面積約1km2，作業效率高，相比傳統工程測量外業人員投入大大減少。

（3）能夠快速獲取高分辨率數據。通過搭載的相機等傳感器，可以準確、直觀地獲取地表信息，低空航攝分辨率可達到3 cm～5 cm超高分辨數字影像，這是傳統測量無法做到的。

（4）無人機與GPS RTK組合，利用無人機快速、靈活獲取地面平面位置數據，GPS RTK外業獲取像控點平面和高程信息，保證航攝區域內測量精度，通過二者結合生成數字高程模型（DEM）。

3 工程應用實例

3.1 工程概況

某環境綜合整治工程處于三峽庫區重慶段內，護岸工程坡度大。建設內容包括：990 m庫岸工程，排水箱涵1座（長170 m）以及堤后回填工程（排洪箱涵、片石混凝土護腳擋墻、碾壓土石壩體、格構片石護坡、土石方開挖及回填等），護岸壩頂高程178 m（黃海高程）。

3.2 實施技術路線

8月處于三峽庫區最低水位，在此期間采用無人機低空航攝數據外業采集和內業數據處理相結合的方式實施作業。無人機在采集區域內獲取地形地貌數據后，現場使用GPS RTK進行像控點布設，經內業數據處理生成數字地表模型和影像成果，結合工程竣工后所在區域地形格網模型、施工前1∶2000地形圖及庫區界樁成果等資料，2期數據對比計算三峽庫區最低水位145 m至最高水位175 m之間體積方量差。

圖1 技術路線

3.3 坐標系統和高程基準

（1）坐標系統：CGCS2000坐標系；

（2）高程系統：1985國家高程基準；

（3）基本等高距：2 m；

（4）成圖比例尺：1∶2000。

3.4 無人機低空航攝數據采集

3.4.1 現場探勘

進入現場準備執行飛行任務，能見度好的時段下飛行，滿足數據所需的光照條件，在到達起降點時對無人機、相機、電池等軟硬件進行全面地檢查并作記錄。

3.4.2 航線規劃

大疆系列無人機體型小，攜帶方便，適合小面積航攝任務。本項目現場采用大疆精靈4型號旋翼無人機進行數據采集，大疆精靈4相機鏡頭為20 mm/F2.8定焦鏡頭，有效像素1240萬。

依據項目建設單位提供的項目竣工范圍及勘察現場情況后，確定本次無人機飛行航攝高度約150 m，6條航線，航線間距88 m，曝光間隔3 s，航向重疊80%，旁向重疊60%，分辨率4 cm，作業面積約0.3 km2，航時12 min，現場獲取約200張高清影像，當日庫水位高程146 m。

圖2 航線規劃

3.4.3 航測成果自檢

航攝完成后，針對本次航攝作業飛行質量進行檢查，包括像片重疊度、航攝比例尺、覆蓋情況，現場生成快拼圖。同時對影像質量進行全面檢查，查看圖片有無遮擋、影像色彩亮度是否協調統一。

圖3 工程竣工區域正射影像圖和傾斜攝影模型成果

3.4.4 外業控制測量

在滿足數字高程模型及正射影像精度要求的基礎上，按照《水利水電工程測量規范》等技術標準、規范進行像控點的布設。因現場地形條件限制，采用不規則區域網布點，為提高像控點的加密精度，在航攝區域范圍的兩端和中部位置增加平高點。

3.5 內業數據處理

無人機采集影像數據之后，制作攝區數字地表模型、數字高程模型、數字正射影像。同時，根據業主單位提供的項目竣工范圍內的施工前測繪數據，去除地形上樹木、臨時房屋等特征要素,構建好處理后的TIN網，制作生成施工前地形數字高程模型。

圖4 施工前正射影像和地形圖疊加

運用ArcGIS軟件生成的三角網格，計算得到每一個三棱柱的挖（填）方量，最后累計得到項目竣工范圍內所有的三棱柱體積,底部則以水平面為計算表面。同時利用庫區界樁成果等資料,結合現狀采集地形數據與庫岸工程竣工范圍施工前數字高程模型進行對比計算。本工程在三峽水庫145 m～175 m高程范圍內占用防洪庫容約16.7萬m3,與前期設計階段采用斷面法計算的庫容量相比有所減少。

圖5 施工前后2期數字高程模型比對

本項目無人機外業數據采集和像控點測量2人共耗時0.5天，內業數據處理1人耗時1天，成果直觀，計算成果滿足要求，并可作為項目數字化存檔資料。

4 結論

綜上所述，利用無人機航空攝影測量技術獲取涉水工程地形地貌數據，現場進行像控點布設及增加平高點的方法，相比傳統全野外測量優勢明顯，節約了人力和物力資源，有效提高工作效率，減少涉水工程項目外業測量工作危險性。通過內業數據處理將工程現場實際情況與施工前地形地貌情況進行更直觀的展示，為管理部門對涉水工程項目管理提供了技術支撐。此種作業方式，也可廣泛應用于土地調查，水利執法，資源調查等不同領域核查，具有廣泛的應用前景。