無人機(jī)傾斜攝影測量在河湖劃界中的應(yīng)用
——以資水河為例

楊 亮,譚 詹,任 玖

(1.四川晟堡途工程技術(shù)服務(wù)有限公司，成都 溫江，611131；

2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231)

1 引言

加強(qiáng)河湖水域岸線管理，精準(zhǔn)實(shí)施一河一策保護(hù)治理，河湖劃界是必不可少的工作[1]。地形圖是河湖劃界管理工作中必不可少的原始資料，所以地形圖測繪是河湖劃界工作中重要的一步。傳統(tǒng)的測圖方式效率低，外業(yè)工作量大，周期長，安全風(fēng)險(xiǎn)高，成本投資大，部分人無法到達(dá)的地方測量精度低。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的興起，有效地解決了上述種種困難。無人機(jī)傾斜攝影測量具有效率高，外業(yè)工作量占比小，周期短，外業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)相對較低，成本低，精度高等特點(diǎn)。

在河湖劃界工作中河流線路長，涉及內(nèi)容多，部分區(qū)域交通不便，所以如采取傳統(tǒng)地形圖測量方式快速獲取河道1∶2000帶狀地形圖尚存在困難，顯然不能滿足在2020年底前基本完成河湖劃界工作的工期要求[2]。但是將無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)運(yùn)用于河湖劃界工作中，就能夠快速、高效、準(zhǔn)確地獲取1∶2000河道帶狀地形圖，從而準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)按要求完成河湖劃界工作。本文對無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在河湖劃界中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行探討。

2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

2.1 無人機(jī)傾斜攝影測量的基本原理

無人機(jī)傾斜攝影測量是利用無人機(jī)搭載云臺，分別從五個(gè)角度獲取高分辨率的真彩色影像。通常情況是采用專業(yè)的航攝五鏡頭相機(jī)，即集前視、后視、左視、右視、俯視于一體的航攝相機(jī)，此相機(jī)在曝光瞬間可以同時(shí)獲取同一地物在五個(gè)方向上的高分辨率影像[3]。再輔以能獲取相機(jī)位置的GPS定位裝置，可獲取曝光瞬間該點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)(即POS數(shù)據(jù))。無人機(jī)IMU裝置主要對無人機(jī)的飛行姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)控以及糾正。

利用獲取的高分辨率影像、POS數(shù)據(jù)，以及像片控制點(diǎn)經(jīng)過內(nèi)定向、相對定向、絕對定向、區(qū)域網(wǎng)平差、三維模型重建、裸眼三維采集等，制作所需的測繪數(shù)據(jù)[3]。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影測量的技術(shù)流程

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)已經(jīng)形成一套科學(xué)完整的操作流程[4]，主要包括外業(yè)傾斜攝影，內(nèi)業(yè)空中三角測量以及三維模型重建，裸眼三維采集，外業(yè)調(diào)繪、補(bǔ)測、圖幅整飾、成果資料上交[5]。傾斜攝影測量技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量技術(shù)流程

2.3 傾斜攝影

2.3.1 前期準(zhǔn)備

收集資料并進(jìn)行空域申請，根據(jù)測區(qū)范圍進(jìn)行相片控制點(diǎn)測量。為了提高成圖精度本項(xiàng)目采用先相控后航飛的方式進(jìn)行，在制作和選取相片控制點(diǎn)時(shí)，要選在交通便利，易于保存，不易被遮擋，明顯易見的地方。

2.3.2 航攝參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)飛行器選擇

飛行器的選擇應(yīng)根據(jù)成圖比例尺，測區(qū)地理情況，測區(qū)范圍，作業(yè)成本等進(jìn)行綜合考慮。

(2)航線規(guī)劃

航線規(guī)劃是對整個(gè)項(xiàng)目的整體規(guī)劃，根據(jù)測區(qū)范圍、飛行器、飛行參數(shù)、航攝方式等進(jìn)行規(guī)劃[6]。

(3)航高設(shè)置

飛行高度是根據(jù)成圖比例尺和地面分辨率進(jìn)行確定[6]，其關(guān)系如下

式中：H——航高；

f——相機(jī)焦距(mm)；

GSD——地面分辨率(mm)；

a——像元尺寸大小(mm)。

2.3.3 航飛

根據(jù)航飛范圍，分別選擇合適的起降點(diǎn)并組裝飛機(jī)。起降點(diǎn)通常選擇在航飛區(qū)域的中心位置，這樣可以讓起飛點(diǎn)到各航點(diǎn)的距離大致相等，使得飛機(jī)不管在任何位置都可以快速地返航以及減小數(shù)據(jù)傳輸距離，避免數(shù)據(jù)丟失。每天航飛任務(wù)結(jié)束后需立刻拷貝出照片及POS數(shù)據(jù)，查看照片數(shù)量以及質(zhì)量，如出現(xiàn)漏拍，數(shù)據(jù)丟失，影像質(zhì)量差等情況應(yīng)及時(shí)對有問題的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛。

2.3.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在收到外業(yè)數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行檢查，查看照片張數(shù)與POS數(shù)據(jù)是否相等，像控點(diǎn)現(xiàn)場照片和數(shù)據(jù)是否完整。然后利用ContextCapture Center 強(qiáng)大的多視影像匹配算法，進(jìn)行空中三角測量和三維模型重建[7]。在經(jīng)過初次空中三角測量、相片控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)轉(zhuǎn)刺、再次空中三角測量后，進(jìn)行三維模型重建，輸出OSGB格式的三維模型數(shù)據(jù)，然后在三維模型重建的基礎(chǔ)上生成DOM數(shù)據(jù)。

2.3.5 DLG數(shù)據(jù)生產(chǎn)

利用裸眼三維測圖軟件，對居民地、交通設(shè)施、水系設(shè)施、管線設(shè)施、工礦建筑、地貌土質(zhì)、植被土質(zhì)等地形地貌進(jìn)行采集。采用先內(nèi)后外，內(nèi)業(yè)定位，外業(yè)定性[8]，內(nèi)外結(jié)合的方式進(jìn)行1∶2000DLG數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。

2.3.6 外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測

外業(yè)對內(nèi)業(yè)無法判別其屬性或由于模型拉花不能準(zhǔn)確判定其邊界線的地物、地名等進(jìn)行調(diào)繪與補(bǔ)測[7]。然后在已采集的DLG數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改、整飾。

2.3.7 精度驗(yàn)證

將實(shí)測的檢查點(diǎn)坐標(biāo)與其在模型中對應(yīng)位置的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，分別得出X、Y、Z的差值記為△X、△Y、△Z，然后根據(jù)誤差公式計(jì)算其中誤差。檢查點(diǎn)坐標(biāo)較差但在允許中誤差2倍以內(nèi)的誤差值參與精度統(tǒng)計(jì)，超過2倍允許誤差的計(jì)為粗差，不參與統(tǒng)計(jì)[10]。檢查點(diǎn)中誤差計(jì)算公式如下：

式中：M——檢查點(diǎn)中誤差(m)；

△——點(diǎn)位中誤差(m)；

n——參與精度評定的點(diǎn)位的個(gè)數(shù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 概況

本案例位于四川省成都市金堂縣境內(nèi)，資水河經(jīng)德陽市流入金堂縣，途經(jīng)金堂縣金龍鎮(zhèn)、福興鎮(zhèn)、三溪鎮(zhèn)、隆盛鎮(zhèn)、轉(zhuǎn)龍鎮(zhèn)、竹篙鎮(zhèn)、又新鎮(zhèn)、云合鎮(zhèn)流入資陽市，金堂縣境內(nèi)全長68km。

3.2 具體實(shí)施

3.2.1 外業(yè)航飛

由于本項(xiàng)目地處丘陵地區(qū)，且線路較長，飛行寬度不寬。在進(jìn)行綜合分析后最終選用大疆精靈4RTK作為飛行器，精靈4RTK體積小便于攜帶，對起降場地要求低，對于長距離帶狀的測區(qū)便于更換起飛點(diǎn)，自帶RTK模塊可以提供高精度POS數(shù)據(jù)。

由于項(xiàng)目帶狀分布且距離較長，根據(jù)飛機(jī)特性與作業(yè)時(shí)長，最終將此項(xiàng)目分為34塊，并分別制作每一塊航飛范圍線的KML文件以便正式航飛時(shí)使用。

根據(jù)項(xiàng)目要求，需獲取1∶2000DLG數(shù)據(jù)，所以飛行航高設(shè)置為150m。

航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，航飛模式為3D/井字飛行。

本項(xiàng)目共獲得有效照片10萬余張。相片控制點(diǎn)470個(gè)，檢查點(diǎn)300個(gè)。

3.2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

收到外業(yè)數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)完整性、正確性進(jìn)行檢查，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，為空中三角測量做準(zhǔn)備。利用ContextCapture Center軟件進(jìn)行空中三角測量和三維模型重建。其流程如下：

整理照片、POS數(shù)據(jù)→打開ContextCapture Center→新建項(xiàng)目→導(dǎo)入照片→導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)→導(dǎo)入像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)→進(jìn)行空中三角測量→像控點(diǎn)檢查點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺→再次進(jìn)行空中三角測量→三維模型重建。部分三維模型如圖2所示。

圖2 部分三維模型

3.2.3 DLG制作

利用EPS地理信息工作站的三維測圖功能，在重建后的三維模型上進(jìn)行，居民地、道路設(shè)施、水系設(shè)施等地形地貌采集，采集完成后再根據(jù)地形進(jìn)行高程點(diǎn)的提取，然后導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行地形圖初編。EPS裸眼三維采集圖如圖3所示。

圖3 EPS裸眼三維采集

外業(yè)對內(nèi)業(yè)無法判別屬性，或是由于模型拉花不能準(zhǔn)確采集邊界的地物進(jìn)行調(diào)繪與補(bǔ)測，然后在初編圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行地形圖修飾，并提交成果。DLG成果如圖4所示。

圖4 DLG成果

3.3 精度分析

精度驗(yàn)證包括，模型精度驗(yàn)證和DLG精度驗(yàn)證。將模型上所測的坐標(biāo)與其對應(yīng)位置的實(shí)測坐標(biāo)進(jìn)行對比，得出坐標(biāo)差值計(jì)算最終中誤差。根據(jù)《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》對高程精度和平面基本精度的要求[9]如表1、表2所示。

表1 高程精度 單位：m

表2 平面精度 單位：mm

3.3.1 三維模型精度驗(yàn)證

在三維模型重建結(jié)束后，從770個(gè)檢查點(diǎn)和像控點(diǎn)中均勻選取200個(gè)像片控點(diǎn)和檢查點(diǎn)進(jìn)行精度驗(yàn)證。其中粗差點(diǎn)5個(gè)，占比2.5%，經(jīng)計(jì)算得出平面中誤差為0.11m，高程中誤差為0.18m，模型精度檢查合格率為98.4%，故模型精度符合航測內(nèi)業(yè)要求。部分點(diǎn)位誤差對照如表3所示。

表3 模型精度對照 單位：m

3.3.2 DLG精度檢查

在DLG制作完成后外業(yè)實(shí)測了1500個(gè)點(diǎn)位作為精度檢查點(diǎn)。將模型上所測得點(diǎn)位與實(shí)測點(diǎn)位進(jìn)行對比，其中粗差點(diǎn)50個(gè)，占比為3.3%。根據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)要求和中誤差計(jì)算公式。計(jì)算1450個(gè)檢查點(diǎn)得出DLG平面位置中誤差為0.13m，高程中誤差為0.28m，DLG成果精度檢查合格率為95.6%。符合1∶2000地形圖測繪的精度要求。部分點(diǎn)位精度對照如表4所示。

表4 DLG精度對照 單位：m

3.4 結(jié)果

(1)本次68km河道帶狀地形圖生產(chǎn)，從資料收集到成果提交共計(jì)46個(gè)工天，利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行1∶2000河道帶狀地形圖測繪，比傳統(tǒng)方式效率提高了近3倍。

(2)利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行1∶2000地形圖測繪，完全滿足1∶2000地形圖測繪的精度要求。

(3)利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行1∶2000河道帶狀地形圖測繪，可提供直觀的三維模型，為河湖管理等工作提供直觀可靠的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論與展望

本文將無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)運(yùn)用于河湖劃界1∶2000帶狀地形圖測繪，通過無人機(jī)獲取高分辨率影像，利用ContextCapture Center軟件進(jìn)行三維模型重建，以及利用EPS三維測圖功能進(jìn)行DLG生產(chǎn)。經(jīng)檢驗(yàn)最終得到了完全滿足精度要求的1∶2000河道帶狀地形圖。同時(shí)也證明了無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)完全可以運(yùn)用于河湖劃界項(xiàng)目中，并且能夠快速、高效、高精度地完成項(xiàng)目需要。

隨著無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的不斷發(fā)展，將來還可運(yùn)用于河湖生態(tài)治理，水資源保護(hù)，水資源勘察等眾多水利相關(guān)工作中，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在水利等行業(yè)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。