無人機、GPS RTK測量技術在程海湖生態修復工程中的融合應用

左安垠,柳鈺瑩

(1.永勝縣林業局紅星橋木材檢查站,云南 永勝 674200;2.云南國土資源職業學院測繪地理信息學院,云南 昆明 650224)

程海湖生態修復項目(一期)工程投資1.17億元，已實施完成并通過初驗；項目(二期)工程建設投資4.24億元，目前正在施工建設。該項目是云南省重大生態修復工程項目，喬、灌、草園林化高標準高質量修復。工程區為環程海湖的一級保護區(1501水位線水平外延30 m寬條帶)，長達47.7 km(一期20 km、二期27.7 km)，工程建設內容包括土壤改良、隔離欄網安制、河門口治理、管護廊道建設、灌溉引水工程及植物工程六大部分。工程區域環境復雜多變、場地為不規則波浪狀，施工條件差，設計、施工放樣難度大，傳統的林業工程設計、施工放樣技術難以滿足現代生態修復工程建設要求。項目采用了無人機勘測輔助設計、GPS RTK放樣(包括植物放樣)及GPS RTK工程收方等新技術，現已圓滿完成一期工程建設，二期正在施工中。筆者參與項目建設，總結撰寫了這篇論文。

1 無人機、GPS RTK勘測輔助設計

1.1 基本原理

1.1.1 無人機測量技術

無人機攝影測量技術的基本原理是利用地面上的固有地形、地物確定三維坐標并且記錄其性質，然后將信息傳輸至計算機，通過計算機技術，配合繪圖系統，對收集的數據進行處理，最后輸出顯示與地形相同的地形圖。無人機航空攝影單像片利用中心投影的透視變換技術，而立體測圖主要是利用投影的幾何反轉技術[2]。

1.1.2GPSRTK技術

高精度的 GPS 測量必須采用載波相位觀測值。RTK 技術就是載波相位動態實時差分 (Real TimeKinematic)技術,它能夠實時地提供測站點指定坐標系中的三維定位結果,能達到厘米級精度。在RTK 作業模式下,基準站通過數據鏈將其觀測值(偽距和載波相位觀測值)和測站坐標信息 (如基準站坐標和天線高度)一起傳送給流動站,流動站在完成初始化后,一方面通過數據鏈接接收來自基準站的數據,另外自身也采集 GPS 觀測數據,并在系統內組成差分觀測值進行實時處理,再經過坐標轉換和投影改正,即可給出實用的厘米級定位結果[1]。

1.2 測區概況

測區地形起伏較小，地物主要以旱地、半荒草地、果蔬、樹林、居民地、管線設施、水利設施、沙灘等為主。進場道路交通便利。

1.3 測量設備

1.3.1 外業設備

用GPS RTK進行外業相控布置，無人機(大疆精靈4P RTK)進行航拍(表1)。

表1 項目投入儀器設備

1.3.2內業設備

計算機、Context Capture、EPS、南方CASS軟件。

1.4 坐標、高程系統

坐標系統：西安1980坐標系3°帶。

高程系統：1985國家高程基準，等高距為0.5 m。

1.5測量內外業

1.5.1 外業無人機攝影測量像控點的布設及測設

60像控點布置及8個控制點測量；2.2 km2航拍照片。地形測繪采用野外及航空攝影數字測圖方式，即利用GPS RTK進行相控數據采集，內業三維建模及數據采集，人工繪制地物等草圖。

1.5.2內業

用Context Capture進行測區三維網格建模，PIX4D進行正射影像制作;利用EPS三維模型進行數據地物采集，CASS進行數據處理。采用EPS進行地物及高程采集，對比像控點參考模型精度，滿足精度要求。利用南方CASS 7.0進行等高線修飾。

1)全要素測繪地物地貌。即測繪居民地，獨立地物、管線、垣棚、道路、水系、境界、植被、地貌以及各類控制點，標注地理名稱等。

2)溝心、山脊、崖頭、崖腳等地形均有測點。坡度大于70°的陡崖地貌均全部測出。

3)測圖基本等高距為0.5 m，高程點注記至0.01 m，測圖比例尺為1∶500。

4)采用南方CASS數字畫成圖。特殊情況單獨設立圖層，其它均為CASS默認圖層，字體格式滿足GB/T 20257.1—2007要求。

5)地類界封閉，地類性質注記清楚，地物地類清晰。

6)點狀地物等注記清楚，面狀地物、地貌清楚。

7)根據采集現場地形、地貌、地物特征繪制草圖，編輯后同實地對比，避免遺漏。

8)2個點狀地物相距很近，同時繪出有困難時，將高大突出的準確表示，另一個移位0.2 mm表示，但保持相互的位置關系；點狀地物與房屋、道路、水系等其他地物重合時，中斷其他地物符號，間隔0.2 mm，以保持獨立符號的完整性；水涯線與陡坎重合時，用陡坎邊線代替水涯線；水涯線與斜坡腳重合時，仍在坡腳將水涯線繪出。

9)在所有地形、地物編輯完成后，按規范要求更改地物地類顏色。

10)3～4 cm注記一個高程點，遇山脊、溝底、山頂、凹底及地形突變的地方加密標注。

11)等高線為二維多段線，賦高程屬性值。

12)根據精度要求，對三維建模所產生的誤差有足夠的限度。

13)數據的采集以地形變化為主控制高程添加。

1.6 測量成果

1)1∶500地形圖；

2)1∶500地形圖分幅圖；

3)1∶500地形圖分幅圖接合表；

4)1∶500影像圖分幅圖；

5)控制點坐標表。

2 初設、施工圖制作

2.1 應用軟件

天正建筑14、SF Lanscape 4.0(易達園林)及插件、南方CASS。

2.2 初設、施工圖制作

利用天正建筑14打開程海湖生態修復項目(一期、二期)1∶500地形圖，插入疊加1∶500影像分幅圖，按樹種、地被種類、引水管網、隔離欄網等建立圖層，根據地形圖地貌、影像圖地物，在科學選擇樹種、科學制定工程治理方式、無人機測量成果的基礎上，進行初設、施工圖制作。

2.3 初設、施工圖工程量統計

1)初設、施工圖植物工程量統計

SF Lanscape 4.0(易達園林)及插件打開初設、施工圖,利用軟件進行植物工程量統計。

2)土石方工程量統計

在南方CASS中打開施工圖，展開原始地貌高程及設計地貌高程，方格網自動生成土石方工程量。

3)隔離欄網、灌溉引水管網工程量統計

引水管網、隔離欄網長度直接從屬性表中查詢，方便快捷。

3 施工放樣

施工放樣就是把設計圖上的要素位置、標高放到對應的地面上的過程。工程區場地為不規則波浪狀，放樣難度大。

3.1 施工放樣依據

設計圖、勘測結果程海湖生態修復項目(一期、二期)控制點坐標及西安80坐標系地面控制點位。

3.2 施工放樣設備

GPS RTK：工程要素點位放樣。

電子全站儀：工程要素標高放樣。

計算機、南方CASS：工程要素點位坐標提取。

3.3 施工放樣準備

3.3.1 控制點位準備

采用2個西安80坐標系國家大地控制點，其中一個為固定點位，另一個為校核點位，將程海湖生態修復項目(一期、二期)控制點坐標導入GPS RTK，加密項目施工放樣控制點并標記。

3.3.2GPSRTK系統流動站準備

在南方CASS中打開設計圖，提取工程要素特征點坐標，鏈接GPS RTK，存入工程要素特征點坐標。

3.3.3GPSRTK系統固定站準備

采用2個加密控制點，其中一個為固定點位，另一個為校核點位，確定GPS RTK系統固定站并校核，將誤差降為最低。然后準備好的GPS RTK系統流動站就可以放樣了。

3.4 GPS RTK工程要素施工放樣

3.4.1 土壤改良工程施工放樣

土壤改良工程范圍是一個面的放樣。提取土壤改良范圍線特征點坐標存入GPSRTK存儲器，并導入范圍線，用白灰、木樁標記。

3.4.2管護廊道工程、隔離欄網工程施工放樣

管護廊道工程、隔離欄網是線的放樣。提取隔離欄網特征點、廊道上邊線特征點坐標，存入GPSRTK存儲器，并導入。放線用白灰、木樁標記。

3.4.3灌溉引水工程、河門口治理工程施工放樣

灌溉引水工程、河門口治理工程有點、線、面的放樣。在南方CASS中提取特征點坐標存入GPSRTK存儲器，導入，放點、線、面，用白灰、木樁標記。

3.4.4植物工程施工放樣

植物工程中，喬木、灌木為點的放樣，地被為面的放樣。在南方CASS中，提取各樹種每木點位坐標、地被范圍線特征點坐標(圖1)，存入GPSRTK存儲器，在GPSRTK中導入放樣，用白灰標記。

圖1 南方CASS中提取各樹種每木點位坐標

4 工程收方及竣工圖制作

4.1 植物工程、土壤改良工程收方及竣工圖制作

4.1.1 喬木、灌木球收方及竣工圖制作

現場點數收方，將工程量標注在施工圖上，并更改為竣工圖。

4.1.2地被、土壤客土改良面積收方及竣工圖制作

在準備好固定站條件下，用GPS RTK流動站現場勘測地被、土壤客土改良面點位，輸入點位屬性并記錄，導出點位數據，在南方CASS中展開，連線成面，在屬性里查詢水平面工程量；有坡面的現場測定坡比(水平面工程量×坡比=實際面工程量)。采用流動站現場測定客土后高程，在南方CASS中展開施工前高程與施工后高程，形成方格網，自動生成土方工程量，同時完成竣工圖。

4.2 廊道、防護網、灌溉引水、河門口治理工程收方及竣工圖制作

在準備好固定站條件下，用GPS RTK流動站現場勘測廊道、防護網、灌溉引水管網、調節池等點位，導出數據，在南方CASS中展開數據并連線，制作竣工圖并在屬性中查詢水平長度及面積，采用皮尺現場測量，輔助計算混凝土工程量。

5 與傳統林業工程的植物設計、工程收方、施工放樣比較

5.1 與傳統林業工程的植物設計、工程收方比較

1)普通GPS：能以文本文件格式提供點號值、三維坐標、點位說明；精度低，不能滿足設計要求，不能獲取正射影像、矢量數據輔助設計。

2)皮尺：人工記錄，不能以文本文件格式提供點號值、三維坐標、點位說明；精度低，不能滿足設計要求，不能獲取正射影像、矢量數據輔助設計。

3)全站儀：能以文本文件格式提供點號值、三維坐標、點位說明；不能獲取正射影像輔助設計。

4)GPS RTK：能以文本文件格式提供點號值、三維坐標、點位說明；不能獲取正射影像輔助設計。

5)無人機：能以文本文件格式提供點號值、三維坐標(W84坐標系)、點位說明，正射影像；能獲取正射影像輔助設計(表2)。

5.2 與傳統林業工程植物定植點位施工放樣比較

1)普通GPS：能導入文本文件格式點號值、三維坐標，但達不到項目精度要求，且速度慢，精度低，不能提示到達目標點，速度慢，點位數量得重新統計。

2)皮尺：不能導入文本文件格式點號值、三維坐標，且速度慢，精度低，不能將點位準確放到設計位置，點位數量需重新統計。

3)全站儀：能導入文本文件格式點號值、三維坐標；速度較GPS RTK慢，精度較高，能將點位準確放到設計位置，且點位數量不用重新統計，不能提示到達目標點。

4)GPS RTK：能導入文本文件格式點號值、三維坐標；精度高，速度快，能將點位準確放到設計位置，且點位數量不用重新統計，能提示到達目標點，詳見表3。

6 結語

通過無人機、GPS RTK在程海湖生態修復工程建設中的融合應用，與傳統作業方式相比，速度快，精度高，提高了工作效率。程海湖生態修復(一期)工程從初設至施工圖完成及竣工圖繪制，歷時1年零5天；二期已如期完成初設、施工圖設計，進入現場施工階段。

表2 與傳統林業工程勘測的植物設計、工程收方比較

表3 與傳統林業工程種植穴施工放樣比較