無人機輔助控制網布設在水利工程測量中的應用

肖 彪

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528400)

水利工程往往處于地形地貌相對復雜的區域，同時水利工程測量涉及地形測繪、地上建筑物測量、水下構筑物測量、管線測量等諸多測繪內容，且不同水利建筑物、構筑物所處的地形環境、自身結構特點各不相同，水下測繪、線性工程測繪交錯，為工程測量任務帶來了很大的難度。傳統的測繪方法主要基于人工測量，控制點選擇極為困難，效率低、宏觀性差；無人機測繪雖然效率高，但是受航空管制、氣候條件影響較大，且后期處理數據量大，對人員素質和設備先進性要求較高。因此，本文提出在保證測量成果精度的情況下，利用無人機輔助人工測繪控制網布設，以解決上述問題[1- 2]。

1 研究背景

本項目位于廣東省中山市翠亨新區DM項目區，該項目為兼具防洪和調蓄功能的水利工程，工程大堤全長5.67km，如圖1所示。該區域為飛行管制區，小型無人機限制航行高度30m，因此，該區域無法單純利用無人機實現高精度高效航測以及項目區域全景航測，為此，本文提出，利用無人機航測速度快，響應效率高的特點，輔助DM水利工程項目區測繪控制點位選擇與控制網布設，以避免人工測繪宏觀性差、選點效率低的問題，從源頭上優化測繪控制網布設方案[3- 4]。

圖1 項目地理位置圖

2 技術手段

由于翠亨新區屬于亞熱帶季風氣候，同時DM項目區四面環水、東臨X河干流，風力較大，降雨較多，因此在無人機航測設備選擇上主要考慮抗風、防水、長續航、定點懸停等因素，本文選用飛馬D2000四軸多旋翼無人機，該航測無人機搭載四軸高轉速線性馬達，可以抵抗6級大風，在5級大風中可維持定點穩定懸停，滿足10km測控需求，可完全覆蓋DM測控區域；其搭載的D-CAM2000有效像素2430萬，可在30m限高飛行情況下完成控制網帶狀測繪區域數據采集[5- 6]；GNSS接收機、全站儀為傳統測繪設備，主要用于控制測量及碎步測量、斷面測量及、地形圖測繪、高程控制測量，各設備具體參數詳見表1。

表1 硬件設備主要參數表

為進一步配合外業測量控制網布設需求，完成內業數據處理任務，本文分別選用南方CASS、LEICA Geo Office、KS平差、Smart 3D等軟件完成測繪圖形編輯、校準、平差、建模、選點等工作[7]，具體詳見表2。

表2 主要應用軟件選擇情況

3 研究方法

由于DM水利工程緊鄰X河干流，空氣濕潤，折射率高，同時該區域呈帶狀，地形呈現中部高南北低的特征，傳統的測繪方法在地塊長軸向誤差會隨著單元測量誤差的累計逐漸增大，同時，在測繪過程中單向誤差的增大將會導致測繪域的局布扭曲，本文將測繪域進行微分，如圖2所示。當εy逐漸增大而εx和像元中心點不變時，將會導致該區域在空間上發生扭曲，因此，需要在空間上建立坐標定位控制網，實現測繪點位的校準與修復。

3.1 控制點的選擇

由于本文所述案例DM水利工程涉及地形測繪、地上建筑物測量、水下構筑物測量、管線測量等諸多測繪內容，水下測繪、線性工程測繪交錯，因此需要同時對平面控制點和高程控制點進行交叉布設，以形成三維控制網，由于DM項目區地形條件復雜，地形狹長，軸距較大，本文選用飛馬D2000輔助控制點選擇。主要控制點均布設在大堤50～300m范圍內、過渡控制點布設于控制網中心區域、控制點盡量保證兩兩通視。本文利用Smart 3D實景三維建模軟件將112張無人機低空航測影像進行點云投影，形成控制點布設區實景模型帶，經過對該區域的宏觀分析，最終選擇大堤50～300m范圍內可通視控制點位20個，如圖3所示。

本文選取控制點標石為平面與高程共用標石，4等級控制點全部為水泥路面刻石，外圍刻制20cm×20cm×3mm方框，方框內刻制點號并用紅油漆標注方便尋找。平面控制網測量采用無人機進行觀測；平面控制網靜態觀測使用中海達V60 GNSS接收機進行，航測要求見表3。

高程控制測量嚴格依據四等水準測量的要求進行觀測，并按規范進行計算平差，高程控制網采用閉合路線與附合路線組成的水準路線網，技術要求見表4。

圖2 測繪域微分示意圖

圖3 控制點位平面位置示意圖

表3 無人機取樣點技術要求

表4 四等水準測量精度要求 單位：mm

3.2 控制網數據處理

本文所述案例平面系統選取CGCS2000坐標系，中央子午線114°00′，高程投影面0；以中山統一坐標系為本坐標系為本項目的主要坐標系，中央子午線為113°22′，高程系統選用珠江高程基準，等高距為0.5m。平面起算點使用中山市國土資源局2015年復測的中山整個區域的D級、E級控制網成果(該成果已經通過上級測繪部門驗收，成果精度可靠)，起算點坐標數見表5。

表5 D級控制點起算坐標

高程起算點使用中山市國土資源局2015年復測的中山整個區域的二等、三等水準網成果(該成果已經通過上級測繪部門驗收，成果精度可靠)，起算點坐標數見表6。

表6 高程控制點起算坐標

4 控制網平差計算及精度分析

4.1 平面控制網平差計算及精度分析

本文采用中海達HGO 2.02進行基線處理，基線處理各項指標滿足四等要求，基線處理合格后再進行控制網平差。4等網基線處理后形成70個同步環，25個異步環，閉合差均滿足GPS(四等)精度要求。三維無約束平差中，所有基線分量的改正數絕對值均滿足：VΔX≤3σ，VΔY≤3σ，VΔZ≤3σ要求。最終，4等網三維無約束平差計算后最弱邊和最弱點統計見表7。

本文以25GE33、25GE72、ZS28 E級點作為起算數據進行二維約束平差，平差前對起算點進行兼容性檢查，兼容性檢查結果見表8。

表7 四等網三維無約束平差分析表

表8 二維約束平差兼容性檢查分析

綜上分析，本文所選取的3個抽樣點精度可靠，能夠滿足作為本項目平差約束點的要求。二維約束平差計算后，最弱點點位中誤差最大為2.94mm(Ⅰ06)，最弱邊Ⅳ01-Ⅳ03的邊長相對中誤差為1∶121311，小于規范要求的1/40000，所有相鄰點的坐標分量及其相對中誤差均滿足限差要求。

4.2 高程控制網平差計算及精度分析

高程數據處理采用武漢大學測繪學院KS地面控制測量數據處理系統進行平差并評定精度。高程控制網采用4等水準觀測方法施測，測段點數20個，水準線路總長度21.52km，測段平均長度1.08km，最短測段長度0.09km，最長測段長度8.11km。先驗單位權中誤差5.00mm，后驗單位權中誤差17.17mm，評定精度采用中誤差17.17mm，PVV(mm2)為589.4784。同時，最弱點高程中誤差17.36mm，最弱測段高差中誤差16.99mm，高程控制網最弱點(I2、I3和Ⅳ008)高程中誤差為17.36mm，優于規范要求±25mm，閉合差9mm，優于規范要求±90.46mm。經過統計，本次高程測量各項精度指標均滿足GB/T 12898—2009《國家三、四等水準測量規范》精度要求[8]。

4.3 高程點外業檢查

此外，本文對閉合路線高程閉合差進行了復測，復測合格，復測成果詳見表10。

4.4 控制點邊長檢查

本文對項目現場各控制點邊長進行了抽樣檢查，運用Random函數隨機抽取2個抽樣點，抽查結果如表11所示。通過邊長檢查可以得出本項目內部精度滿足規范小于1/40000的要求。

4.5 控制點擬合分析

為進一步論證本文所述控制點布設方法的準確性，本文利用Matlab回歸計算工具箱，將20個控制點分別在平面、立面進行了數據擬合[8]，并與經過多次校準后的控制點位數據進行對比分析，對比結果如圖4所示。

表9 高程控制點檢測

表10 高程閉合差復測成果表

表11 控制點邊長抽樣檢查

圖4 控制點擬合曲線圖

經過對比可知，無人機輔助控制網布設過程中，控制點位精度在立面上與經過多次校準后的控制點位數據高程一致，精度極高，在平面上與經過多次校準后的控制點位數據局部略有差異，但最大誤差值小于10cm，滿足精度要求。經過分析可知，該誤差主要呈現在東西向，其原因為東西向軸距較短，誤差較小，在精度要求范圍內，本文沒有針對東西向誤差進行集中修正，與實際情況相符。

5 結語

經過上文所述分析，運用無人機輔助水利工測量程控制網布設，在平面控制網布設、高程控制網布設、外業及邊長檢查等過個方面均能夠滿足相關規范的精度要求。同時，借助無人機靈活、高效的優勢，原工期3d的控制點布設任務，在1d內就全部完成，大幅提高了測繪點位選取與布設效率。在控制網布設過程中，控制點位精度在立面上與經過多次校準后的控制點位數據高度一致，精度極高；在平面上與經過多次校準后的控制點位數據局部略有差異，但在精度要求范圍內。因此，本文所述方法具有較好的應用效果與研究意義。