無人機傾斜攝影測量技術(shù)在水庫庫容量算中的應(yīng)用

李鑫龍，阮寶民，陳和權(quán)

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130062）

0 引言

無人機攝影測量系統(tǒng)是近年來出現(xiàn)的一項新興測量技術(shù)，作為一項空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，可以實現(xiàn)影像的實時傳輸、高危地區(qū)探測[1]，具有技術(shù)靈活、成本低、高效等優(yōu)點[2]。隨著科技進步，無人機攝影測量技術(shù)在軟硬件方面有了巨大的突破，免相控技術(shù)的出現(xiàn)使得生產(chǎn)效率有了更大的提升，利用傾斜攝影測量技術(shù)可以自動生成三維模型和數(shù)據(jù)點云，簡化了后續(xù)繪圖工作，可以為水庫庫容量算提供精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

目前水庫庫容的常規(guī)計算方法大致有幾種：地形法，通過常規(guī)的地形測量，獲取庫區(qū)的地形圖資料，通過應(yīng)用不同的插值模擬方法計算水庫庫容容量；斷面法，通過測量庫區(qū)內(nèi)布設(shè)的斷面及計算軟件估算庫區(qū)庫容；混合法，將幾種方法綜合使用。對比幾種方法，在庫容求取過程中，都存在人工重復(fù)操作繁瑣、自動化程度低等問題。隨著航測遙感技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集和計算方法變得愈加豐富，劉東、李艷利用遙感技術(shù)成功估算了鄱陽湖庫容容量[3]；張晨、牟乃夏等人應(yīng)用無人船等技術(shù)手段精確計算了梅州水庫庫容量[4]；王珂應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對地下洞庫庫容進行了計算[5]；何亮、李端有等人基于ArcEngine和多波束技術(shù)實現(xiàn)了水庫庫容的高精度計算分析[6]。

下文以黑龍江某地區(qū)抽水蓄能項目為依托，應(yīng)用無人機傾斜攝影測量技術(shù)進行庫區(qū)地形數(shù)據(jù)信息采集，基于ARCGIS技術(shù)，建立庫容容積計算模型，從而實現(xiàn)庫容容量與曲線圖的半自動化生產(chǎn)，最后通過與實測數(shù)據(jù)的對比分析，分析模型精度，最后總結(jié)出一套完整的計算流程，為今后水庫庫容量算提供一種新的計算方法。

1 工程實例

1.1 工程概況

此次工程為黑龍江省某地區(qū)的抽水蓄能電站施工項目，測區(qū)位于牡丹江中下游地區(qū)，屬于寒溫帶大陸性氣候，四季分明，春秋季短，夏季高溫多雨，冬季漫長寒冷。年平均氣溫4.4℃，年平均降水量540 mm。項目區(qū)平均海拔400 m，丘陵遍布，山巒起伏，層巒疊嶂。項目要求計算項目區(qū)上庫盆區(qū)域水庫庫容，測量面積約1.1㎞2。

1.2 無人機選取

根據(jù)技術(shù)設(shè)計書設(shè)計航測區(qū)域，結(jié)合測區(qū)綜合考慮安全、效率、效果等因素。采用華測P560六旋翼無人機搭載睿鉑RIY-DG3傾斜相機進行高精度傾斜數(shù)據(jù)采集，P560無人機是上海華測導(dǎo)航股份技術(shù)有限公司自主研發(fā)的專業(yè)級旋翼無人機飛行平臺，采用免工具快拆結(jié)構(gòu)，航攝時間長、抗風(fēng)性能強、負載能力強，并具備一定雨中作業(yè)能力。

1.3 航攝儀確定

航空攝影測量的地面分辨率取決于無人機航攝高度與航攝儀的選取。此次航測項目選用睿鉑RIY-DG3傾斜相機，設(shè)計地面分辨率為0.017 m。共飛行5架次，航測時間定為晴朗天氣狀況下10:00—12:00進行。

1.4 數(shù)據(jù)處理

三維建模之前，對航片進行簡單整理：剔除不合格的航片，如曝光嚴(yán)重、對焦失敗、拍攝拖影、拍攝到無人機腳架、構(gòu)圖嚴(yán)重不合理等；刪除起飛和降落時拍攝的相片。三維建模主要包括空中三角測量、生成密集點云、構(gòu)建TIN模型、自動紋理切片等過程。

利用ENVI5.1軟件對處理點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分類與信息提取，可進行建筑物輪廓、電力線桿、樹木等地物的自動提取，并完成三維模型的構(gòu)建。利用剔除樹木房屋等明顯地物的點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM數(shù)據(jù)。

2 庫容量算

一定設(shè)計水深范圍內(nèi)形成四棱柱三維立體模型，每個棱柱的體積疊加成某一設(shè)計水深的庫容。在構(gòu)成的立體模型中，對不同設(shè)計水位進行立體分割，可以得出不同設(shè)計水位相對應(yīng)的庫容和相應(yīng)的設(shè)計數(shù)位面積。將各設(shè)計水位面積與相應(yīng)容積繪制成圖，構(gòu)成相應(yīng)庫容曲線。該項目基于GIS平臺，采用構(gòu)建TIN數(shù)字高程模型的方法，利用GIS統(tǒng)計分析與二次開發(fā)的功能，實現(xiàn)庫容的自動化量算，最終直接輸出庫容曲線圖。

3 對比分析

從項目數(shù)據(jù)采集到后期計算結(jié)果檢查提交，總共用時2個工作日。為了驗證模型計算精度，將自動生成的庫容計算數(shù)據(jù)與實測后計算數(shù)據(jù)進行對比分析，實測數(shù)據(jù)采用椎體計算方法進行庫容量算，計算水庫面積和相應(yīng)的庫容容積。選取設(shè)計高程592～600 m區(qū)間內(nèi)的庫容面積容積計算結(jié)果進行比較，對比結(jié)果如表1所示，V表示傾斜攝影測量方法計算庫容容積值，V′表示傳統(tǒng)實測方法計算庫容容積值。可以看出，兩種方法計算庫容結(jié)果相差在10%左右。分析差值原因：三維模型法是將整個水庫庫盆范圍模擬成三維模型，與實際地形高度相似，而實測等高線模擬法是將庫盆地區(qū)模擬為光滑的棱錐，所以三維模型法計算結(jié)果更接近實際庫容量，可以推斷三維模型計算庫容量方法可行。

4 結(jié)語

研究分析表明，三維傾斜攝影測量技術(shù)具有獲取數(shù)據(jù)速度快、準(zhǔn)確度高的特點，并可以將其應(yīng)用在水庫庫容量算中。通過應(yīng)用三維傾斜攝影測量技術(shù)手段，獲取水庫范圍內(nèi)的高精度數(shù)字高程模型。基于GIS技術(shù)，將獲取的數(shù)據(jù)進行處理分析，自動剔除影響因素，最終實現(xiàn)半自動化庫容曲線出圖，并與實測方法進行比較分析。結(jié)果顯示，應(yīng)用攝影測量技術(shù)，結(jié)合GIS理論方法計算水庫庫容，不僅計算結(jié)果準(zhǔn)確，而且可以節(jié)省人力物力，為以后工程、房產(chǎn)、地籍等測量工作提供了新的思路與方法，更為測繪事業(yè)的發(fā)展拓寬了道路。