流域生態治理工程中無人機大比例尺測圖技術運用分析

趙智

（晉中市水利勘測設計院有限公司，山西 晉中 030600）

1 引言

流域生態治理具有改善環境的效果，通過無人機測圖可對生態情況進行檢測，得到準確的地形結構，便于對流域治理效果進行檢驗。本文以瀟河為研究對象，圍繞項目展開分析，對無人機測圖方法進行全面探索，并對測量精度進行控制，確保測量結果與流域生態相匹配，以及無人機精度控制取得有效進展，最終使流域治理狀態良好。

2 工程概況

瀟河發源于山西省昔陽縣沾尚鄉陡泉山西麓的馬道嶺，在昔陽縣境內，其上游有白馬河和松塔河兩大支流，松塔河為主流。松塔河發源于昔陽縣沾尚鄉馬道嶺，先后匯入龍泉河、木瓜河后，在壽陽縣蘆家莊與白馬河匯合；在晉中市榆次區，在東趙鄉大發村龍門河匯入，在北合流涂河匯入，在源渦村出山口進入平川區。源渦以下有澗河和牛耕河匯入，流經清徐縣，在太原市小店區的洛陽、南馬村之間匯入汾河。瀟河屬于用水矛盾突出的地區，隨著水資源的持續開采，流域生態環境不斷惡化，存在地下水位下降情況。瀟河流域內年均降水量418～483 mm，蒸發量高達2 068.5 mm，流域缺水情況嚴重。瀟河區域緊急開展流域生態治理工程，采用無人機大比例尺測圖技術對流域情況進行分析，對流域生態進行全面監測，并把控細節部分，保障生態治理得到持續化監測。經過長期的流域監測與治理，瀟河生態環境得到顯著改善，水位埋深由治理前的30.6 m 上升至24.5 m，形成旱區濕地894 km2，讓瀟河流域在生態流量上重獲新生，流域生態治理取得突破性成果。

3 流域生態治理工程中無人機大比例尺測圖技術運用

3.1 飛行路線

本工程流域分布范圍較廣，需對無人機飛行路線進行設計，提高對河水流域的覆蓋面，保證飛行路線滿足監測要求。瀟河整體形狀為長條狀，河道兩岸均需布設無人機，沿河道線方向飛行，對河道周邊景象進行拍攝，便于分析河道地圖。航帶網法是飛行路線布設的常用方法，如圖1 所示，需根據航線進行絕對定向控制，合理對網絡結構進行使用，對河道形成全方位覆蓋。無人機飛行路線在三維坐標體系下，便于對無人機及監測點位置進行描述，確保無人機能夠沿預定線路飛行，對無人機的運行狀態進行控制。飛行線路設計應避免重復性，沿預定方向一次檢測成型，避免產生重復性的測圖工作。流域生態采用多臺無人機進行拍攝時應做好無人機的協同控制，讓無人機沿不同方位飛行，提高對監測區域的覆蓋面，實現對飛行線路的綜合運用[1]。

圖1 基于航帶網法的飛行路線示意圖

無人機飛行路線具有航高控制要求，以保證拍攝成圖具有良好的分辨率，對流域情況進行大比例尺測量。無人機航高計算公式為：

式中，H為攝影航高，m；f為鏡頭焦距，m；α 為像元尺寸，m；GSD為影像分辨率。

通過這種方式，提高對航高的控制作用，根據流域影像分辨率確定航高，使航高選擇具有理論依據，保障航高能夠得到有效取值。

3.2 像控點布設

無人機大比例尺測圖需對像控點進行布設，用于對指定流域進行監測，確保無人機測圖具有一定的針對性。像控點需按照規范進行布設，做好像控點間距的控制，如1∶1000 航空比例尺測量時，像控點間距一般在250 m 左右，確保滿足大比例尺測圖條件。像控點布設注重實際環境的考量，對像控點的具體坐標進行確定，做好像控點的標記工作，保證像控點能夠覆蓋監測區域。如圖2 所示，為八點法布設像控點，在每段航帶網內布置8 個平高像控點，每個航帶內像素點位置相對應，便于對像控點誤差進行控制。需注意，像控點觀測期間應避免使用對講機、手機等設備，防止對信號源造成影響，導致無人機的測圖精度下降。通常情況下，以特征鮮明的位置作為像控點，確保與地表形成鮮明對比，提高對周圍地物特征的辨識能力，實現對像控點的精準定位。針對不存在明顯像控點的情況，可布設人工像控點，如采用紅色油漆標記地塊，增強地物的可辨識性，使像控點布設能發揮效果。

圖2 八點法布設像控點

3.3 數據采集

無人機測圖過程中，需采用合理化的數據采集形式，保證數據采集的精準性和全面性，得到清晰的流域生態影響。數據采集應用RTK 模式，對流域情況進行密集匹配，確保大比例尺狀態下數據采集能精準無誤，保障數據采集過程能夠順利進行。數據采集具有拍攝間距的要求，在地面分辨率1.5 cm、航向重疊率80%情況下，拍攝間距通常控制在10～15 m，形成具有連續性的拍攝圖像，便于生成地圖全景。數據采集需在無風、晴朗的天氣下，消除拍攝過程對數據采集的影響，得到準確信息，降低環境因素影響。數據采集需注重銜接區域的覆蓋，確保首尾圖像連接的精準程度，根據重疊度情況實現有效連接，防止測量過程中出現數據丟失的情況[2]。

3.4 空三測量

空三測量是實現三維建模的關鍵，通過無人機采集準確的流域信息，需要滿足測量環境條件的要求，獲得流域像素點的精準位置?？杖郎y量需要對影像單元進行密集處理，結合比例尺情況對拍攝視角進行調節，保證拍攝后影像能夠與實際場景相符，通過測量操作對誤差進行限制?？杖郎y量需具有精密的導軌條件，以無人機所在位置為原點，構建X軸和Y軸方向的導軌，采用坐標法對流域中像素點視差情況進行解析，實現對視差的有效控制。視差計算方法如下：

式中，xi、yi為測點的X、Y軸坐標。

視差分析是保證空三測量精度控制的關鍵，需關注公共點的連接情況，確保視差中的同名點相對應，提高視差控制方法的有效性?？杖郎y量易產生視差問題，可通過視差計算消除誤差，將誤差控制在3 個像素點內，防止在實際測量環境中產生較大偏移，實現對空三測量坐標位置的精準確定。

3.5 三維建模

流域生態環境數據需要進行三維建模，根據圖像采集情況生成數字表面模型，同時需要對三維模型的誤差進行修正，提高流域地圖的建模效果。三維建模基于空間坐標展開計算，如圖3 所示，點A為機載GPS 天線相位中心，點S為航攝儀投影中心，根據坐標分量的控制條件，可得到如下三維模型關系：

圖3 無人機大比例尺測圖三維模型

式中，式中，XA、YA、ZA和XS、YS、ZS分別為點A、S兩點的空間坐標；R表示影像外方位元素的3 個角元素u、v、w所構成的正交變換矩陣。

通過三維建?？蓪o人機進行實時控制，得到無人機的最佳控制條件，對無人機位置進行調節，采用坐標法對流域生態進行測量。三維模型解算過程中需要具有清晰的層次感，基于DEM 數據對影響進行糾正，形成多角度的影像映射，同時確保影像具有連續性，對三維模型的完整性進行控制[3]。

三維建模過程中需實現紋理的貼合控制，通過紋理控制提高圖像的清晰度，形成紋理清晰的流域生態影像。圖像紋理基于計算機視覺技術展開修正，根據多圖像對比生成AI 算法，實現對紋理的自動校正，提高對地圖紋理的處理效率。大比例尺地圖需要具有清晰的紋理，否則將會影響到流域生態的辨識效果，不利于地形圖具體情況的掌控，可見，實現模型有效貼合具有必要性。

3.6 成圖指標

無人機測圖過程中需對成圖質量進行控制，結合成圖指標的要求，掌握成圖質量控制的要點。成圖指標控制包括以下兩個方面。

1）成圖質量指標。無人機拍攝過程中，需避免出現圖像不清晰的情況及圖像中出現盲區或盲點，導致地圖的關鍵區域存在遮擋，無法對指定流域情況進行識別。

2）成圖精度指標。大比例尺測圖在誤差方面具有較高要求，需要合理對像控點、空三測量、三維建模過程進行分析，掌握誤差控制的關鍵點，防止因誤差未達標而增加額外工作量，導致流域的成圖精度不足。成圖指標需要結合圖像的實際情況，將像控點導入圖像中，解決空三加密中的殘差問題，保證空三加密中的圖像銜接效果，便于生成三維建模的實景模型，提高成圖指標控制的有效性。成圖指標控制核心在于數據處理，根據數據精度情況進行匹配，結合成圖指標情況進行控制，去除不精準的控制點，對精度不足情況進行重測，導入準確的空間信息，進而降低誤差的影響范圍[4]。

3.7 精度控制

誤差控制是保證成圖質量的重要環節，需對流域平面中誤差控制效果進行分析，確保誤差控制能發揮作用，防止產生較大誤差。平面位置中誤差控制情況如表1 所示，在比例尺為1∶500、1∶1000、1∶2000 情況，不同平面位置誤差情況均小于檢查點精度等級要求，說明成圖的精度控制效果良好。

表1 平面位置中誤差控制情況

4 結語

綜上所述，無人機大比例尺測圖在流域生態治理中具有重要作用，需確保測圖技術應用的合理性，解析測圖的精度控制過程，提高對成圖質量的控制效果。無人機測圖速度快、適度高，可實現對流域生態的可視化測繪，并借助三維模型進行分析，發揮實景測量的優勢，生成的地形圖更具可靠性。無人機測圖具有較高的技術要求，需采用規范的操作形式，做好無人機飛行控制與成圖效果，降低無人機測圖中的誤差影響?；诰瓤刂品椒ù_保無人機測量與流域環境相適應，提高對誤差的制約能力，得到具有分析價值的流域地形圖，實現流域治理效果的精準分析。