大型水利工程中無人機航測的應用

陳占軍

河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北 石家莊 050021

在科學信息技術不斷發展的背景下，工程建設項目中所應用的測量技術也逐漸邁向了科技化發展方向。在大型水利工程中，由于工程建設范圍廣，測區自然地理情況復雜，存在眾多對水利工程測量不利的影響因素。當前，水利工程項目如果采用傳統測量技術，不僅會花費大量的人力物力，增加成本消耗和實際測量難度，還會延長測量周期，甚至影響工程項目整體質量和進度。因此，文章所探討的大型水利工程中無人機航測的應用具有重要現實意義。

1 無人機航測技術概述

在對水利工程項目進行測量的過程中，無人機航測技術的應用主要通過搭建無人機平臺，搭載相關的航測設備，在航飛的過程中獲取相應的數據信息，通過專業的攝影測量軟件對數據信息進行全面的分析與處理，生成測區地形圖、正射影像、三維模型等測量產品，進而服務于設計、施工及運維管理。無人機航測技術的應用主要是通過外業航飛、內業處理等相關設備技術完成產品制作。為了保障無人機航測工作的順利實施，操作人員需要嚴格控制不同測量階段的無人機航測內外業質量。

2 飛行平臺的選擇

2.1 無人機飛行平臺

文章所采用的成都縱橫CW-15型垂直起降固定翼無人機，具有專業的地面站控制系統軟件和先進的工業級飛控系統，可以在少量人工干預的情況下，有效地開展低空數字航空攝影。通過設置航測參數，搭載高性能航測相機，獲取高分辨率相片，從而滿足各種大比例尺地形圖測量和高精度DEM、DOM、三維模型產品的生產。CW-15型垂直起降固定翼無人機控制平臺的主要系統參數如表1所示。

表1 CW-15型垂直起降固定翼無人機控制平臺的主要系統參數

在實際項目中，無人機平臺所搭載的相機可分為普通高分辨率相機和專業定制相機。拍攝方式主要包含定點和定焦兩種。

2.2 地面控制系統

地面控制系統主要采用CWCommander地面站軟件，該軟件不僅具備航線設計、飛行任務規劃與執行功能，而且能夠遙測數據監控和進行飛行數據回放分析。在無人機飛行航測過程中，其航測半徑達到35km左右，可以有效地對大范圍水利工程項目進行測量。

3 無人機在大型水利工程中的綜合應用

該水利工程項目位于雄安新區，主要為雄安新區高標準防洪堤建設、穿堤建筑物建設以及河道疏浚，主要測量內容為1∶500、1∶1000大比例尺地形圖和測區三維模型。測區范圍內河道總體流向為西北至東南方向，堤頂高程為19.5～22.9m，主槽高程為3～18m，堤高一般為4～7m。主槽現狀：兩岸主要為農田，河槽蜿蜒曲折，內多沙坑，水深流急，河槽兩側坡坎高且陡，有坍塌危險。綜上所述，該項目不便于進行人工測量，因此采用無人機航測。

3.1 測區像控點布設

為了保證測量成果精度，尤其是高程精度，需要布設一定數量和密度的像控點，像控點一般要求圖根級精度。為了保證像控點精度，測區應布設高等級平面和高程控制網（該項目首級控制網平面為五等，高程為三等），并以此為起算數據進行像控點測量。根據相關規范、精度估算和實際工作經驗，像控點間距一般控制在300～500m，且盡量布設在航向及旁向重疊范圍內，像控點要均勻覆蓋整個測區，并布設適當的檢測點。像控點類型主要分為兩類：一是現場制作，采用紅（白）油漆涂繪在硬化路面，標識出中心位置，多采用L型和十字型，標志尺寸≥70cm，利于判讀和刺點；二是預制靶標，靶標尺寸為70cm×70cm，主要用于耕地或灘涂荒地中的像控點布設。

3.2 外業航拍

采用成都縱橫CW-15搭載哈蘇X1D相機結合大疆精靈4 RTK無人機進行高分辨率傾斜攝影測量。

（1）主要技術參數?；鶞拭鍳SD（地面分辨率）為4cm。哈蘇X1D傳感器尺寸為43.8mm×32.9mm，總像素為5000萬，像素尺寸為8272×6200，像元大小為5.3μm，相機鏡頭焦距為30mm，相對航高為226.6m，絕對航高為236.6m。精靈4 RTK基準面分辨率優于3cm。傳感器尺寸為13.2mm×8.8mm，有效像素2000萬，像素尺寸為5472×3648，像元大小為2.4μm，相對高度為80～100m。

（2）航攝分區和拍攝架次劃分。測區最大高差為12m，遠小于相對航高，因此就重疊度保持及滿足GSD要求而言，無須進行航攝分區。但由于無人機采用鋰聚合物電池作為動力能源，續航時間偏短，綜合考慮測區形狀及飛行安全和作業效率等因素，將測區分為2個子區，子區一按南北向飛行，子區二按東西向飛行。根據測區地形情況、起飛場地情況以及攝影分辨率要求等因素，使用CWCommander軟件進行自動航線設計。飛行時航向重疊度80%、旁向重疊度為75%。精靈4 RTK主要對重點區域進行近景多角度航拍攝影，飛行時航向重疊度、旁向重疊度均為80%。為了滿足精細化建模要求，進行“井”字式飛行，東西向、南北向各飛行一次，確保重點區域影像全覆蓋。

在設計航線的過程中，設計人員需要全面分析光照方向、航線方向的風力以及河流方向等因素。

3.3 空中三角測量

空中三角測量采用專業攝影測量軟件，將相機參數、影像數據、POS數據導入軟件，然后進行多視角影像特征點密集匹配，并以此進行區域網的自由網多視影像聯合約束平差解算，建立空間尺度可以適度變形的立體模型，完成相對定向；將外業測定的相片控制點成果在內業環境中進行轉刺，利用這些像控點，對已有區域網模型進行約束平差解算，將區域網納入精確的大地坐標系統中，完成絕對定向。

3.4 三維模型及DLG生產

將空中三角測量的成果數據直接提交生成三維TIN格網構建、白體三維模型創建、自助紋理映射和三維場景構建，最終獲得測區的實景三維模型。將模型數據導入數字攝影測量工作站進行DLG的采集工作，結合線劃圖要求和模型數據，判讀模型信息，并使用規范規定的符號表示地形地貌，對無法判別和有疑問的地方要進行外業調繪、補測。

3.5 精度分析

采用GNSS RTK方法對三維模型和地形圖進行外業檢測，所得DLG檢測結果如表2所示。由表2可知，無人機航測技術在控制好航測內外業環節和關鍵技術的基礎上，可以達到大比例尺測圖和高精度三維模型生產的要求。

表2 DLG檢測結果

4 航攝實施及技術難點分析

該項目所涉及的水利工程測區整體地形地貌較為復雜，測區周邊多村莊，且周邊空域較繁忙，航飛窗口期短。在無人機進行航測的過程中，地面站無線監控設備與無人機之間的距離相對較近，但存在周邊信號干擾風險，可能對無人機航飛造成不利影響。在無人機航飛前，需要設計整體的航行線路，并且每一個環節都需要進行反復檢查。航測前要根據成果精度要求，科學合理地布設像控點，像控點的采集要精確可靠。在無人機進行航測的過程中，地面站工作人員要實時監控無人機航測狀態，全面分析外界氣象、光線等環境變化情況，確保飛行安全和航拍成果質量。在內業處理過程中，各項參數要設置正確，重點檢查加強空中三角測量等關鍵環節的質量。

5 結束語

隨著無人機航測技術的迅速發展，航飛技術和軟件處理能力也愈加完善，但是在大型水利工程項目中，還未真正發揮其作用。無人機航測在復雜的環境中作業時，所受到的外界影響因素相對較多，內業處理軟件性能參差不齊，價格相對較高，只有對不同的影響因素進行分析，并在項目實測中不斷積累經驗，才能真正地解決無人機航測存在的問題，提高無人機的航測數據精度和應用普及度。