無人機航測在亭口水庫1∶500地形測量中的應用

焦　旺，劉　凱

(1.陜西省水利電力勘測設計研究院測繪分院,西安　710002；2.西安市勘察測繪院，西安　710048)

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無人機航測在亭口水庫1∶500地形測量中的應用

焦旺1，劉凱2

(1.陜西省水利電力勘測設計研究院測繪分院,西安710002；2.西安市勘察測繪院，西安710048)

摘要：根據無人機航測技術的特點，布設野外地標點和檢核點，通過無人機外業航攝及內業中聯合使用Pix4DMapper、CASS和ArcGIS等軟件，使最終地形圖的平面和高程精度達到了1∶500地形圖的要求，為無人機在復雜的水庫地形測量中的應用提供了一套完整的解決方案。

關鍵詞：無人機；Pix4DMapper；CASS；點云數據；地形圖

0前言

無人機是無人駕駛飛機的簡稱，是利用無線電遙控設備和自備程序控制裝置操縱的不載人飛機[1-2]。無人機航測是以無人駕駛飛機作為空中平臺，使用高分辨率數碼相機為載荷獲取低空高分辨率實地照片，使用計算機及相關軟件對圖像信息進行處理，并按照一定的精度要求獲取所需測繪產品的技術方法[3-4]。近年來，隨著技術和設備的不斷成熟完善，無人機航測以其結構簡單、操作簡便、反應快速、易于轉場、使用成本低、安全系數高、多元化多角度鏡頭、獲取影像分辨率高等優勢[5-8]，在與技術成熟但成本高昂、程序繁瑣的傳統航空攝影測量以及費時費力的全站儀、GPS-RTK等全野外數字測量方法的競爭中，得到了越來越廣泛的應用。

1工程項目及設備

亭口水庫工程位于陜西省咸陽市長武縣亭口鎮涇河一級支流黑河下游。水庫大壩為均質土壩，最大壩高49 m，總庫容2.47億m3，年平均供水量7 180萬m3。工程靜態總投資24.80億元，于2011年11月開工建設，規劃建設工期4 a。

本次任務為1∶500地形圖補測。補測區域屬水庫配套工程區，位于距離水庫大壩約2 km的一條支溝內，長約750 m，寬約200 m，面積約0.18 km2，高程介于900.00～955.00 m之間。該支溝系失陷性黃土長期受雨水沖刷形成，地形復雜、支離破碎，溝側北坡植被以灌木為主，南坡以疏林為主，溝底自上游到下游形成一條寬約15～20 m的平緩地帶，雜草藤蔓叢生，人工施測難度較大。于是項目組決定使用無人機航測進行此次補測。

針對航測任務使用P700型無人機系統，搭載相機為SONYα7R數碼相機。內業數據處理軟件為Pix4DMapper，它是由瑞士Pix4D公司開發的一款集全自動、快速、專業精度為一體的無人機數據和航空影像處理軟件。只需簡單操作，即可將數千張影像快速制作成專業的、精確的二維地圖和三維模型[9]。

2外業航攝及內業計算

2.1外業航攝

2.1.1規劃任務

任務規劃在無人機系統自帶軟件Avian-P上進行。考慮到以P700型無人機的航攝效率，在一個架次內拍完目標區域仍有極大富余，項目組劃定了一塊以補測區域為中心，長2 160 m，寬475 m的更大的區域進行航攝，即兼顧與原有實測數據接邊問題。根據規范要求，像片航向重疊度宜為60%～80%，旁向重疊度宜為15%～60%，測制1∶500地形圖時像片地面分辨率(GSD)應≤5 cm[10]。經過優化調整，最終確定的航攝方案概況為：共飛行一個架次,規劃航線4條，蛇形路線飛行，相對航高350 m，最小GSD為4.9 cm，航向重疊77%，旁向重疊56%，固定3 s拍攝一張，總飛行時間預計為30 min。

2.1.2控制點及檢核點的布設與實測

測區內沒有明顯地物，但已有高等級控制，在航攝前人工制作地面控制點及檢核點并進行觀測，具體實施步驟為：在航攝任務規劃完成后，利用Google Earth在航攝區域內布設了9個地面控制點及4個用于檢驗測圖平面精度的檢核點，并獲取其經緯度。使用手持GPS實地放樣控制點及檢核點點位，就近選擇合適位置，制作地面標志。標志點坐標和高程的測量，使用華測X900型GNSS接收機進行RTK測量，每點測量2次，取2次測量平均值作為其最終結果。在測制上述標志點的同時，項目組還在測區內隨機分散采集了60個地形點用于檢驗成圖的高程精度。

2.1.3選取起降場地及起降時段

作業前，首先在Google Earth上選取若干可以作為無人機起降的地點：測區東北500 m及測區東南1 300 m處分別有山頂平地，面積均符合要求。實地考察發現，東南處預選址雖然距測區較遠，但更為開闊，且范圍內無信號塔、高壓線塔等障礙，故選定此處為無人機起降場地。作業當天，當地天氣晴朗，能見度較高，微風，飛行選取了一天中太陽高度角最大的正午進行。

2.1.4起飛前檢查及準備

起飛前檢查、準備工作主要有無人機、彈射系統及地面導控站的組裝，相機測光，聯機調試，上傳飛行任務等。一切檢查無誤后，把無人機固定在彈射架上，擇機起飛。開啟地面控制站，根據導控站高程、測區最低高程和任務規劃時確定的相對航高確定最終的相對航高。

2.1.5航攝及數據檢查

按照預定任務進行航攝。收回飛機后，下載飛行記錄數據和照片，分別打開照片放大到100%，觀察是否清晰銳利，色彩飽和；打開Pix4DMapper軟件，使用快速檢測得到快速檢測報告，查看航攝有無空洞和扭曲，航向重疊和旁向重疊是否足夠。如上述步驟滿足要求則數據合格。

2.2內業計算

使用Pix4DMapper軟件進行內業計算，大致流程為：新建工程→加入影像和對應的POS數據→設置影像坐標系和相機參數→生成初步處理報告→加入地面控制點并設置地面控制點坐標系和輸出坐標系→加刺像控點→生成高精度處理報告、空三加密后的數字地面模型、三維點云數據和數字正射影像圖。圖1為加刺像控點后,經過高精度處理生成的計算報告。該報告表明數據質量合格，可以進一步的處理計算。

3地形圖的制作

航測內業成圖目前成熟的做法是利用空三加密成果構建立體模型，由經過嚴格訓練的專業技術人員在數字攝影測量工作站上使用手輪腳盤鼠標等外接設備手動進行采集和編輯。由于編輯量過大，無人機航片片幅過小等原因，本次測量中項目組嘗試了一種新方法。

圖1　高精度處理報告圖

Pix4Dmapper在對航攝數據進行空三計算時，可以根據需要選擇生成具有和輸出坐標系一致的可供量測的三維點云數據。該點云數據根據空三成果自動匹配DEM得到，其中每個點都有確定的、滿足精度要求的平面坐標和高程值。因此，可以在Pix4Dmapper中利用點云數據進行地形點的采集，以取代傳統手輪腳盤采集等高線及打高程點的過程。

圖2　點云數據手動采點圖

由于測區植被覆蓋較多，采點由具備野外測圖經驗的人員手動進行：按高程逐行采點，每行間隔10 m高差，平緩處采點間距控制在15 m以內，地形變化較大處增加密度(圖2)，且此過程中針對地性線進行專門繪制，即將山脊、山谷、坡頂及坡底、陡坎上下等用復合線表示出來。軟件導出的數據文件格式不能直接用于南方CASS2008，需經過ArcGIS轉換后方能導入。在南方CASS2008中，用高程點建立三角網，并讓之前繪制的地性線參與三角網的創建，以確保三角網走向的正確性，然后選取1 m等高距，生成等高線。事實表明，地性線的繪制為后續的等高線修改編輯減少了工作量，且能夠繪制出準確逼真的等高線而不至于因高程點采集不合理而造成等高線與實際地形不符的問題。需要指出的是，此方法還應配合使用正射影像圖繪制地物，進而合成要素完備的地形圖，但因測區內幾乎不存在地物，故省略此步驟。最終成果如圖3所示。

圖3　地形圖成果圖

4精度評定

4.1平面精度評定

4個檢核點中，J1、J4分別位于測區兩頭，J2、J3位于測區中區兩翼。在點云數據中找到4點位置，測量其坐標并記錄。將實測坐標和點云采集坐標對應比較，得到的結果見表1。

表1　平面點誤差統計表　/m

依據規范，檢測點數量少于20時，以誤差的算數平均值代替中誤差[11]，由此算得點位中誤差M=±0.153 m，符合規范對山地1∶500地形圖平面位置中誤差不大于±0.4 m的要求[10]。

上述平面精度檢測方法客觀上是存在缺陷的，因為檢測點個數過少，得出結果的可靠度并不高。但是由于航測中，平面精度相比于高程精度更容易達到，且在水利水電行業中，高程精度相對于平面精度更加重要，因此，可將平面精度的檢查作為參考，而把高程精度的檢查作為地形圖精度檢查的重點。

4.2高程精度評定

(1)

圖4　各檢測點高程較差范圍圖

圖5　高程較差分布圖

5結語

(1) 本文主要嘗試了利用點云數據手動采點，由ArcGIS轉換后導入CASS系統制作地形圖的方法，其優點是，內業人員不必接受手輪腳盤采集的專業訓練，只要有外業測圖經驗，即可快速上手，尤其在地形起伏大、等高線較密集的地區，此方法比傳統手動繪線方法便捷高效。

(2) 在無明顯地物點進行平面精度檢核條件的情況下，嘗試了人工制作標志為平面精度的檢核提供了檢核手段。此方法具有一定的可行性，但操作難度大，成本高，難以達到應有的量級，因此不具備大規模開展的條件，只能對平面精度的評定起到一定的參考作用。

(3) 由高程較差的統計分布圖可以看出，高程較差的算術平均值在+0.1 m附近，即內插高程平均值要大于實測高程平均值。這是由于測區植被覆蓋度較高，內業采點時部分地形點沒有采到地面造成的。這是航測中提高高程精度的一個技術難點，也是制約無人機航測技術發展的瓶頸之一。

(4) 無人機航測快速高效的特點雖然已經成為共識，但由于其程序相對繁瑣，在小面積地形測量中，這一優勢并未體現出來，但從其所需較低的外業勞動強度和經費等情況來看仍不失為一種不錯的解決方案，具有實際的應用價值。

參考文獻:

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[9]Pix4UAV-全自動快速無人機數據處理軟件[EB/OL].(2012-11-15)[2015-08-24]. http://blog.sina.com.cn/s/blog_77805ef601013gmc.html.

[10]SL 197-2013,水利水電工程測量規范[S].北京：中國水利水電出版社，2013.

[11]GB/T 24356-2009,測繪成果質量檢查與驗收[S].北京：中國標準出版社，2009.

Application of Aerial Survey by Drone in Surveying of 1∶500 Topographic Map of Tingkou Reservoir

JIAO Wang1, LIU Kai2

(1.Survey and Mapping Branch, Shangxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design，Xi'an710002,China； 2.Xi'an Municipal Survey and Mapping Institute, Xi'an710048,China)

Abstract:In accordance with features of the aerial survey by drone, landmark point and check point in field are arranged. Through the outdoor aerial photo by drone and the joint application of software such as Pix4DMapper, CASS and ArcGIS, etc, precision of plane and elevation of the final topographic map satisfies requirements of 1∶500 topographic map. This provides application of drone in the survey of complicated topography of reservoir with the complete solution.

Key words:drone; Pix4DMapper; CASS; point cloud data; topographic map

中圖分類號：P231

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.006

作者簡介：焦旺(1989- )，男，陜西省藍田縣人，助理工程師，主要從事工程測量和無人機低空數字攝影測量工作.

收稿日期：2015-08-24

文章編號：1006—2610(2016)01—0023—04