無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在信陽(yáng)某水庫(kù)劃界中的應(yīng)用研究

申圓文

信陽(yáng)市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 河南 信陽(yáng) 464000

1 研究背景

2016年10月11日,中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于全面推行河長(zhǎng)制的意見(jiàn)》,提出依法劃定河湖管理范圍的主要任務(wù)[1]。自國(guó)務(wù)院下發(fā)有關(guān)文件后,各省開(kāi)始有序開(kāi)展各類河道、湖泊、水庫(kù)以及各種水利設(shè)施的劃界工作。由于河湖劃界屬于近年來(lái)新提出的工作任務(wù),各測(cè)繪單位在此領(lǐng)域的工作經(jīng)驗(yàn)都較少,如果使用傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)開(kāi)展此項(xiàng)任務(wù),工作量將十分巨大,無(wú)法在業(yè)主規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)目標(biāo)。近兩年各測(cè)繪單位也不斷積極尋找新技術(shù)新方法來(lái)取代傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù),希望在作業(yè)效率有所提高,而大多數(shù)單位探索使用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)或搭載激光雷達(dá)來(lái)替代傳統(tǒng)的外業(yè)測(cè)量。本文主要介紹利用積云1號(hào)固定翼無(wú)人機(jī)一體化測(cè)圖系統(tǒng)在水庫(kù)劃界中的應(yīng)用研究,詳細(xì)闡述該無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在水庫(kù)劃界中的應(yīng)用流程,驗(yàn)證了積云1號(hào)航測(cè)系統(tǒng)在水庫(kù)劃界中的可行性與高效性,希望為其他工作者在本領(lǐng)域工作中提供一種可行方案。

2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)原理與流程

攝影測(cè)量是利用攝像機(jī)來(lái)獲取被攝物體的影像,通過(guò)影像來(lái)研究被攝物體的形狀、大小、位置及相互關(guān)系的一種科學(xué)技術(shù)。根據(jù)飛行平臺(tái)與被攝物體遠(yuǎn)近的不同,一般將攝影測(cè)量分為：航天攝影測(cè)量、航空攝影測(cè)量、地面攝影測(cè)量以及近景攝影測(cè)量和顯微攝影測(cè)量。近年來(lái)隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,無(wú)人機(jī)在飛行穩(wěn)定性、續(xù)航以及載荷方面得到很大提高,無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)也得到快速的發(fā)展。攝影測(cè)量的主要特點(diǎn)是直接在相片上進(jìn)行量測(cè)、解譯,無(wú)需直接接觸被攝物體,所以不需工作人員進(jìn)入到實(shí)地,這樣將大大節(jié)省外業(yè)勞動(dòng)力,提高工作效率。

攝影測(cè)量主要是研究被攝物體的影像來(lái)獲取地物的形狀、大小以及位置信息[3],其主要原理步驟包括：1、影像內(nèi)定向；2、影像相對(duì)定向；3、影像的絕對(duì)定向；4、影像連接點(diǎn)的提?。?、DSM與DOM的生成制作,包括影像的鑲嵌與拼接；6、其他產(chǎn)品的生成,如點(diǎn)云、等高線或三維紋理的生成,通過(guò)以上流程最終獲取攝影測(cè)量各種產(chǎn)品。

3 水庫(kù)劃界項(xiàng)目技術(shù)要點(diǎn)

根據(jù)《河南省河湖管理范圍和水利工程管理與保護(hù)范圍劃定技術(shù)指南》,水庫(kù)須完成管理范圍線與保護(hù)范圍線的劃界工作[2]。水庫(kù)劃界與河道劃界要求不同,河道劃界工作以多少年一遇洪水位來(lái)確定管理范圍線,無(wú)確定保護(hù)范圍線工作；而水庫(kù)劃界是以遷賠高程線來(lái)確定管理范圍線,以設(shè)計(jì)洪水位確定保護(hù)范圍線,從工作量來(lái)看,水庫(kù)劃界相對(duì)于河道劃界工作較多,但水庫(kù)劃界無(wú)需進(jìn)行洪水位計(jì)算,一般遷賠高程線與設(shè)計(jì)洪水位可以在水庫(kù)歷史資料中獲取。

按照要求,大中型水庫(kù)管理范圍如下施測(cè)[2]：①整個(gè)大壩及設(shè)施占地；②主壩下游坡腳外200米,副壩下游坡腳外50至200米；③山區(qū)大壩兩頭分水嶺之間,平原地區(qū)壩頭外50米與大壩上下游坡腳外200米延長(zhǎng)線之間；④水庫(kù)遷賠高程線以內(nèi)區(qū)域；⑤輸、泄水建筑物邊線外10米至50米；⑥已劃定管理范圍線的,大于上述標(biāo)準(zhǔn)不再變更,小于以上標(biāo)準(zhǔn)的需重新劃定。保護(hù)范圍線如下施測(cè)：①主、副壩管理范圍線外延300米；②設(shè)計(jì)最高洪水位以內(nèi)；③已劃定保護(hù)范圍線的,大于上述標(biāo)準(zhǔn)的不再變更,小于以上標(biāo)準(zhǔn)的重新劃定。

4 信陽(yáng)某水庫(kù)劃界案例分析

本項(xiàng)目為信陽(yáng)某大型水庫(kù)劃界工作,該水庫(kù)總面積約25.6平方千米,其中土地面積13.8平方千米,水域面積11.8平方千米,控制流域面積222平方千米,總庫(kù)容達(dá)2.33億立方米。該測(cè)區(qū)地形北側(cè)主要以丘陵為主,高差起伏不大,南側(cè)以山區(qū)為主,高差一般在70-80米,整個(gè)地形呈南高北地的趨勢(shì)。根據(jù)《河南省河湖管理范圍和水利工程管理與保護(hù)范圍劃定技術(shù)指南11.14印發(fā)》要求,再結(jié)合該水庫(kù)實(shí)際情況,該項(xiàng)目需完成以下工作：1、對(duì)該測(cè)區(qū)布設(shè)D級(jí)GPS控制網(wǎng),且每個(gè)GPS點(diǎn)須聯(lián)測(cè)四等水準(zhǔn)；2、外業(yè)航空攝影,完成1：2000正射影像圖的制作；3、測(cè)繪水庫(kù)管理范圍線與保護(hù)范圍線；4、界樁點(diǎn)設(shè)計(jì)；5、編寫(xiě)水庫(kù)劃界技術(shù)報(bào)告,提交成果。

為后續(xù)外業(yè)測(cè)量,前期我們對(duì)水庫(kù)進(jìn)行了控制測(cè)量,包括D級(jí)GPS平面控制測(cè)量、四等水準(zhǔn)測(cè)量,本文主要介紹無(wú)人機(jī)航測(cè)在該項(xiàng)目的應(yīng)用,故控制測(cè)量不做贅述?？刂茰y(cè)量完成后,開(kāi)始無(wú)人機(jī)航空攝影,傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)航空攝影搭載的POS系統(tǒng)僅提供單點(diǎn)定位的位置信息,其精度一般在10米左右,如果內(nèi)業(yè)空三要順利完成,外業(yè)必須布設(shè)大量的像控點(diǎn),外業(yè)工作量勢(shì)必增大。且本項(xiàng)目為水庫(kù)測(cè)區(qū),像控點(diǎn)只能布設(shè)在水庫(kù)周邊,數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。本項(xiàng)目采用積云1號(hào)無(wú)人機(jī)一體化測(cè)圖系統(tǒng),該系統(tǒng)搭載天寶PPK差分系統(tǒng),使用該差分系統(tǒng)可以獲取飛機(jī)拍照時(shí)刻的精確位置信息,精度一般在10cm以內(nèi),為準(zhǔn)確的外方位元素,從而可以大大減少外業(yè)像控點(diǎn)的數(shù)量,提高了內(nèi)業(yè)空三的速度與通過(guò)率。具體實(shí)施方法如下：

4.1 航線規(guī)劃 外業(yè)航飛前,對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)制定航線規(guī)劃,由于水庫(kù)面積較大,此項(xiàng)目共進(jìn)行十三個(gè)架次,為保證正射影像的質(zhì)量,影像的航向重疊率與旁向重疊率均設(shè)置為70%,相鄰架次的重疊率至少2/3個(gè)航帶寬。

4.2 布設(shè)像控點(diǎn) 由于積云1號(hào)無(wú)人機(jī)搭載了PPK差分系統(tǒng),即采用稀疏像控即可對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)完成控制。本項(xiàng)目在庫(kù)區(qū)周邊布設(shè)25個(gè)像控點(diǎn),其中5個(gè)為檢查點(diǎn),20個(gè)參與空三解算。像控點(diǎn)采用GNSS-RTK測(cè)量,其中每個(gè)像控點(diǎn)平滑采集20次,取其平均值作為最終坐標(biāo)。

4.3 外業(yè)航飛 為保證飛機(jī)的安全與影像的質(zhì)量,航飛選擇在天氣晴朗且無(wú)風(fēng)的條件下進(jìn)行,航飛高度設(shè)置為300米。為控制各地物的陰影區(qū)域,選擇在中午12點(diǎn)前后航飛,十三個(gè)架次分十天完成。本項(xiàng)目外業(yè)航測(cè)共獲取照片5431張,包含整個(gè)水庫(kù)測(cè)區(qū)。

4.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理 本項(xiàng)目?jī)?nèi)業(yè)采用Pix4Dmapper軟件進(jìn)行空三解算,Pix4Dmapper軟件是由瑞士Pix4D公司研發(fā),是一款全自動(dòng)、快速、高精度的一體化航測(cè)影像數(shù)據(jù)處理軟件,它內(nèi)置一套逐像素密級(jí)匹配的算法,在沙漠、大面積水域、森林等特征點(diǎn)較少的區(qū)域仍可提取較多連接點(diǎn),提高空三的通過(guò)率。而本項(xiàng)目屬于大面積水域測(cè)區(qū),使用該軟件有效解決了正射影像在拼接時(shí)出現(xiàn)的漏洞、錯(cuò)位等問(wèn)題,最終生成較為完美的正射影像。Pix4D軟件同樣可以生成高質(zhì)量的三維彩色點(diǎn)云,利用點(diǎn)云可以生成數(shù)字表面模型DSM。軟件還可以對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行自動(dòng)分類,如分類成地面點(diǎn)、對(duì)象點(diǎn)以及未分類點(diǎn),再通過(guò)人工干預(yù)進(jìn)一步篩選分類,最終分類出精確地面點(diǎn),利用地面點(diǎn)生成數(shù)字地面模型DTM。

4.5 輔助工作線生成 本項(xiàng)目最大的優(yōu)勢(shì)在使用EPS三維裸眼測(cè)圖,該軟件可以將DSM或DTM與正射影像進(jìn)行疊加,呈現(xiàn)與真實(shí)地形類似的三維場(chǎng)景,并可以對(duì)該三維模型進(jìn)行量測(cè)、測(cè)圖,快速簡(jiǎn)易的完成數(shù)字線劃圖DLG,真正的實(shí)現(xiàn)了外業(yè)工作內(nèi)業(yè)化[3]。在本項(xiàng)目我們利用EPS生成與管理范圍線、保護(hù)范圍線接近的輔助線,并再根據(jù)實(shí)際情況對(duì)輔助線進(jìn)行調(diào)整修飾,調(diào)整后的輔助線基本接近管理與保護(hù)范圍線。該輔助線可以導(dǎo)入到RTK手簿中,作為外業(yè)實(shí)地勘界的基礎(chǔ),這樣可以避免外業(yè)人員做一些不必要的工作,大大提高了工作效率。

4.6 劃界產(chǎn)品制作 根據(jù)水庫(kù)劃界要求,成果整理成50*50cm分幅圖,底圖采用航空攝影生產(chǎn)的1：2000正射影像,將測(cè)量的管理與保護(hù)范圍線置于底圖之上,并將設(shè)計(jì)的界樁點(diǎn)在分幅圖上標(biāo)明。該工作我們使用Global Mapper進(jìn)行影像分幅,再使用PhotoShop對(duì)分幅影像勻光勻色,將影像加載至南方Cass軟件中,最終疊加上管理、保護(hù)范圍線以及設(shè)計(jì)界樁,完成劃界最終產(chǎn)品。

5 總結(jié)

本文主要介紹了積云1號(hào)無(wú)人機(jī)一體化測(cè)圖系統(tǒng)在水庫(kù)劃界中的具體應(yīng)用,通過(guò)該案例可以看出,在水庫(kù)劃界中,除了后期外業(yè)勘測(cè)與界樁埋設(shè),大部分工作都是基于無(wú)人機(jī)航測(cè)產(chǎn)品的內(nèi)業(yè)工作,基本實(shí)現(xiàn)外業(yè)工作內(nèi)業(yè)化,降低了測(cè)繪人員的工作強(qiáng)度,同時(shí)工作效率也大大提高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的精度檢測(cè)結(jié)果,所有成果均滿足項(xiàng)目的要求,驗(yàn)證了積云1號(hào)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在水庫(kù)劃界中的可行性、高效性。