水利工程測繪中低空無人機遙感技術(shù)的運用分析

摘要：以某水庫為例，探究了低空無人機遙感技術(shù)在水利工程測繪中的應(yīng)用。選用KC1600固定翼無人機搭載SONY"A7R高分辨率數(shù)碼相機進(jìn)行航測，規(guī)劃5條航線。在設(shè)定航向和旁向重疊度、航高等參數(shù)后，開始進(jìn)行低空測量；在校驗相機文件后，進(jìn)行影像快速拼接；布置像控點后，進(jìn)行空中三角測量。根據(jù)測量結(jié)果，生成數(shù)字高程模型（Digital"Elevation"Model，DEM）格網(wǎng)，在DEM基礎(chǔ)上，進(jìn)行微分糾正和數(shù)字鑲嵌，得到數(shù)字正射影像圖（Digital"Orthophoto"Map，DOM），該圖的平面中誤差為0.355"m，滿足《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范（CH/T"3004-2021）》的精度要求。

關(guān)鍵詞：水利工程""低空無人機""遙感技術(shù)""空中三角測量

Application"Analysis"of"Low"Altitude"UAV"Remote"Sensing"Technology"in"Water"Conservancy"Engineering"Surveying"and"Mapping

CHEN"Dongliang

Cangzhou"Water"Resources"Survey，"Planning"and"Design"Institute"Co.，"Ltd.，"Cangzhou，"Hebei"Province，"061003"China

Abstract："Taking"a"certain"reservoir"as"an"example，"this"paper"explores"the"application"of"low"altitude"unmanned"aerial"vehicle（UAV）"remote"sensing"technology"in"water"conservancy"engineering"surveying"and"mapping."KC1600"fixed"wing"unmanned"aerial"vehicle"equipped"with"SONY"A7R"high-resolution"digital"camera"was"selected"for"aerial"surveying，"and"five"flight"routes"were"planned."Low"altitude"measurements"were"started"after"setting"heading"and"lateral"overlap，"altitude"and"other"parameters."After"verifying"the"camera"files，"the"images"were"quickly"spliced;"After"arranging"image"control"points，"aerial"triangulation"was"carried"out."Based"on"the"measurement"results，"Digital"Elevation"Model（DEM）"grids"were"generated，"and"differential"correction"and"digital"tiling"were"performed"on"the"DEM"to"obtain"Digital"Orthophoto"Map（DOM）"maps."The"plane"error"of"this"map"is"0.355m，"which"meets"the"accuracy"requirements"of"the"lt;Code"for"Low"altitude"Digital"Aerial"Photogrammetry"（CH/T"3004-2021）gt;.

Key"Words："Water"conservancy"engineering;"Low"altitude"UAVs;"Remote"sensing"technology;"Aerial"triangulation

低空無人機遙感技術(shù)具有影像獲取更加便捷、受氣候條件影響小、獲取影像分辨率高等優(yōu)勢，因此在工程測繪、變形監(jiān)測、地籍測量等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在應(yīng)用低空無人機遙感技術(shù)時，除了要檢查無人機及其搭載相機，以及通信裝置、地面控制系統(tǒng)等硬件的質(zhì)量，確保無人機起降和飛行正常外，還要重點關(guān)注像控點的布設(shè)、影像的空三處理、數(shù)字正射影像圖（Digital"Orthophoto"Map，DOM）的制作等內(nèi)容，確保最終的成圖精度符合水利工程測繪要求，體現(xiàn)低空無人機遙感技術(shù)的實用價值。

1"水利工程概況

某水庫總庫容1"171.4萬m3，兼有防洪、灌溉功能，為中型水庫，設(shè)計灌溉面積1"3800"hm2。壩址工程位于山區(qū)峽谷，山坡呈“V”形，坡度40°～55°，兩岸坡體植被較少。選取該水庫上游河道作為研究對象，測區(qū)面積大約0.72"km2，地勢略有起伏，地物較為復(fù)雜，使用低空無人機遙感技術(shù)進(jìn)行測繪。

2"低空無人機遙感技術(shù)的應(yīng)用

2.1"無人機的選型

本次測繪所用低空無人機系統(tǒng)包括無人機、遙感設(shè)備、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、通信設(shè)備等。無人機選擇KC1600電動型固定翼無人機，可通過地面控制系統(tǒng)完成航線規(guī)劃、飛行監(jiān)控，具有穩(wěn)定性好、續(xù)航時間長、自動化程度高等優(yōu)勢。無人機的基本參數(shù)見表1。

在工程測繪中，常用的遙感設(shè)備有多光譜成像儀、紅外掃描儀、數(shù)碼相機等。鑒于KC1600的荷載限制，本次測繪任務(wù)選擇了SONY"A7R高分辨率數(shù)碼相機作為遙感設(shè)備，像素7"400×4"800。

2.2"無人機航測

測繪人員通過現(xiàn)場踏勘掌握測繪區(qū)域的地質(zhì)條件、通過查閱相關(guān)資料了解測繪區(qū)域的氣象條件，在此基礎(chǔ)上，選擇有利于進(jìn)行低空無人機遙感作業(yè)的時間，最終確定在6月12日上午進(jìn)行無人機航測。

在正式測量前，做如下準(zhǔn)備。第一是挑選起飛場地。為保證無人機與機載設(shè)備安全，使航測任務(wù)順利完成，選擇一處開闊平地作為起降場地。第二是規(guī)劃航線。結(jié)合測區(qū)的面積和形狀及測試當(dāng)天的風(fēng)向和比例尺1：1000地形圖的相關(guān)要求，設(shè)計了5條航線，每條航線的彎曲度不得超過1.5%。各項參數(shù)設(shè)定如下：（1）航向重疊度80%；（2）旁向重疊度70%；（3）航高377"m；（4）相片分辨率0.06"m；（5）曝光方式為等距曝光。為防止無人機航測期間受側(cè)風(fēng)影響導(dǎo)致飛行姿態(tài)不穩(wěn)，進(jìn)而影響像片精度，將重疊度參數(shù)設(shè)計的較大。第三是無人機系統(tǒng)質(zhì)量檢查。測繪人員依次檢查無人機及其搭載設(shè)備、通信裝置與地面控制系統(tǒng)的運行情況。確定不存在質(zhì)量問題后，開始航測。

無人機起飛后，按照既定航線飛行并拍攝測區(qū)像片，要求無人機的實際飛行高度與設(shè)計航線高度的差值控制在±30"m以內(nèi)，并且整個測區(qū)的相對高差控制在20"m以內(nèi)[1]。完成飛行后，共獲得127張像片，其中9張像片存在模糊、色彩不均勻等問題，剔除不合格像片后，共獲得118張內(nèi)容清晰、反差適中、色彩均勻的高質(zhì)量相片，滿足航攝規(guī)范要求。

2.3"相機校驗文件

在低空攝影測量過程中，機載數(shù)碼相機受到干擾后容易發(fā)生相機畸變（如徑向畸變、偏心畸變等）。為了提高測繪精度需要進(jìn)行相機校驗，本文主要從3個方面進(jìn)行了校驗：第一是測定主點位置與主距；第二是測定光學(xué)畸變系數(shù)；第三是測定成像分辨率。校驗結(jié)果顯示，主點水平位置（x向）的校驗值為-0.033，垂直位置（y向）的校驗值為0.215，焦距為35.54，徑向畸變系數(shù)為6.92e-0.08"mm，偏心畸變系數(shù)為2.01e-0.05"mm。

2.4"影像拼接與像控測量

低空無人機遙感影像具有像幅小、數(shù)量多等特點，再加上測區(qū)內(nèi)的特征點較多，因而增加了影像內(nèi)容的辨識難度。為了從航測像片中盡可能多地獲取有效內(nèi)容，在相機校驗基礎(chǔ)上，需要根據(jù)每張像片對應(yīng)的定位定姿系統(tǒng)（Position"and"Orientation"System，POS）數(shù)據(jù)進(jìn)行影像快速拼接。

在影像拼接前，進(jìn)行去噪、邊緣提取、直方圖處理等操作，增強影像的可拼接性，對提高拼接質(zhì)量也有積極幫助。然后進(jìn)行影像配準(zhǔn)，找出兩幅或多幅待拼接影像的變換關(guān)系（如平移、旋轉(zhuǎn)等），使兩幅或多幅影像中相同的部位相互重疊，從而完成配準(zhǔn)[2]。

基于低空無人機測量優(yōu)勢，像控點盡量布置在航向重疊或旁向重疊6片范圍內(nèi)，個別困難地區(qū)不得低于4片重疊；鑒于像片邊緣位置容易發(fā)生畸變，因此，像控點要盡量靠近像片的中心位置，避開邊緣位置；優(yōu)先選擇比較明顯的地物點作為像控點，如房屋的頂點或拐角、公路上的橋、地面上的井等[3]，如果沒有明顯的地物點，則可以選擇平坦地方的高程點作為像控點。本次測繪任務(wù)共設(shè)置了25個像控點，平面精度和高程精度均優(yōu)于5"cm。

2.4"空中三角測量

在外業(yè)測量得到控制點后，還需要進(jìn)行內(nèi)業(yè)加密，以獲得加密點的平面坐標(biāo)與高程，這一步驟即為“空三加密”。現(xiàn)階段，常用的空中三角測量軟件有Helava系統(tǒng)、Image"Station系統(tǒng)等。本文選擇了國內(nèi)自主開發(fā)的DATmatrix系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅支持各種數(shù)碼影像和膠片影像的處理，還提供了內(nèi)定向、連接點自動提取等功能，自動化程度較高，減輕了測繪人員的工作壓力[4]。基于DATmatrix軟件的空中三角測量流程如圖1所示。

內(nèi)定向的目的是構(gòu)建像方坐標(biāo)系，該軟件提供自動內(nèi)定向功能，在導(dǎo)入像片框表和讀取相機參數(shù)后，快速恢復(fù)相機與影像的相對位置，并生成.tif格式的內(nèi)定向文件。在影像內(nèi)定向的基礎(chǔ)上，進(jìn)行自動轉(zhuǎn)點操作，軟件自動提取任意2張影像的同名點，輸出每張影響的轉(zhuǎn)點成果并以.jpg或.tif格式文件保存。在轉(zhuǎn)點結(jié)束后，檢查連接點分布情況：如果某個區(qū)域連接點較少，則可以人工添加連接點；如果連接點編輯不好，則需要刪除。最后，進(jìn)行平差解算，在完成第一次解算后，從軟件控制界面上重新設(shè)置sigma值，進(jìn)行第二次平差解算，重復(fù)這一步驟直到?jīng)]有爭議點。完成平差解算后，基本定向點和接差點的平差精度見表2。

表2中的規(guī)范限差來自《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范（CH/T"3004－2021）》。由表2數(shù)據(jù)可知，本次測繪中空三加密的中誤差和最大殘差滿足規(guī)范的精度要求。

2.5"成圖與精度分析

使用VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站繪制地形圖，將空中三角測量成果導(dǎo)入該軟件中，依次經(jīng)過相對定向、核線采集后，通過像點的密集匹配獲得包含高程信息的點云數(shù)據(jù)，再根據(jù)國家規(guī)范規(guī)定的地圖符號（如房屋、水域等）獲取測區(qū)的地物地貌數(shù)據(jù)，最后生成數(shù)字高程模型（Digital"Elevation"Model，DEM）網(wǎng)格[5]。對DEM網(wǎng)格作數(shù)字微分糾正、數(shù)字鑲嵌等一系列處理，并且設(shè)置好格網(wǎng)間距、等高距后，即可得到包含豐富紋理特征和具有較高幾何精度的數(shù)字正射影像圖（Digital"Orthophoto"Map，，DOM）。為了驗證成圖精度，本文利用野外實時動態(tài)定位技術(shù)（Real-Time"Kinematic，RTK）實測14個地物特征點的平面位置精度，并根據(jù)中誤差計算公式求出平面中誤差。公式如下：

式（1）中：x為圖解坐標(biāo)；Xi為RTK坐標(biāo)；i表示第i個地物特征點；n表示檢查點數(shù)量。將所得數(shù)據(jù)代入式（1）后，可以求得平面點位中誤差為0.355"m，該值小于《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范（CH/T"3004－2021）》中對1：1000地形圖要求的誤差限制（0.5"m），說明成圖精度能夠滿足水利工程測繪精度要求。

3"結(jié)語

在數(shù)字技術(shù)賦能水利建設(shè)和發(fā)展的背景下，將低空無人機遙感技術(shù)應(yīng)用到水利工程測繪中，可以克服傳統(tǒng)測繪存在的成本高、精度低、周期長等困難，為水利工程的規(guī)劃、建設(shè)與維護(hù)提供幫助。為了提高測繪精度，一方面，要從硬件層面上檢查無人機、數(shù)碼相機、通信設(shè)備等質(zhì)量，以確保航測任務(wù)順利完成，提高影像拍攝精度；另一方面，要從軟件層面上做好影像數(shù)據(jù)的去噪、快速拼接、鑲嵌、加密等處理，保證最終繪制的DOM圖精度能夠滿足測繪要求。

參考文獻(xiàn)

[1]"汪恩良，胡勝博，韓紅衛(wèi)，等.基于無人機低空遙感和OTSU算法的黑龍江開江流凌密度研究[J].水利學(xué)報，2022，53（1）：68-77.

[2]"李剛勇，陳春波，李均力，等.低空無人機遙感在草原監(jiān)測評價中的應(yīng)用進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報，2023，43（16）：6889-6901.

[3]"朱姜蓬.農(nóng)用多光譜低空遙感多旋翼無人機系統(tǒng)開發(fā)及作物長勢監(jiān)測應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2023.

[4]"陳立娜，李真，宋輝.基于人工智能的無人機測繪遙感圖像信息提取方法[J].電子設(shè)計工程，2023，31（24）：181-185.

[5]"金歡.無人機傾斜攝影測量技術(shù)在安徽省農(nóng)村房地一體測量中的應(yīng)用研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2022.