基于無人機遙感在水利工程測繪中的應用

楊培鳳

(大連水利測繪公司，遼寧 大連 116019)

0 引 言

隨著科學技術的快速發展以及國家對現代化農業的戰略推進，水利工程在促進區域經濟發展以及現代農業的發展中起著舉足輕重的作用[1]。水利工程測繪作為工程建設的先行者，為水利工程設計與建設及時提供準確、詳實的測繪數據；現階段，全站儀、GPS RTK實地測量在效率上不能滿足新形勢下水利測繪工作的要求[2]。無人機具有機動靈活、高效快捷的特點，目前已廣泛應用于國家重大工程建設、災害應急與處理、國土監測、資源開發等方面。無人機遙感具有靈活性強、分辨率高、時效性高、成本低等特點，大大的減輕了外業工作人員的工作量，同時提高了作業效率及降了低工程建設成本，充分發揮了其特有的技術優勢。

1 無人機遙感

1.1 無人機飛行平臺

無人機遙感(Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing )，即利用先進的無人駕駛飛行器技術、遙感傳感器技術、遙測遙控技術、通訊技術、GPS差分定位技術和遙感應用技術，能夠實現自動化、智能化、專用化快速獲取國土資源、自然環境、地震災區等空間遙感信息，且完成遙感數據處理、建模和應用分析的應用技術，其特點為：

1)可在云下低空飛行，彌補衛星遙感和普通航空攝影在有云覆蓋地區上空不能有效采集數據的缺陷。

2)采用無人機作為飛行平臺，數據采集成本比航天航空遙感平臺低。

3)采用數碼相機作為傳感器采集數據，采集速度快，影像質量好，地面分辨率高(可達1-3cm)。

4)無人機遙感平臺機動性強，適應性高，在較小的場地就可以實施起降作業，對天氣條件要求較低。

由于這些技術優勢，中國對無人機系統的研發非常重視，并已取得了一系列技術上的突破，在各行業中得到廣泛應用。

本項目采用的燃油固定翼無人機，搭載5D markⅡ高分辨率數碼相機，利用地面控制系統實現航線規劃、飛行控制、自動拍攝等功能。無人機的具體技術參數見表1。

表1 無人機性能指標參數表

1.2 拍攝相機

無人機因受其本身荷載限制，不能承載專業航攝相機，只能采用性能較好的民用數碼相機；由于民用數碼相機內方位元素不穩定，且存在明顯的鏡頭畸變差，如果直接用空間后方交會來計算相機的外方位元素，精度會很差，這與攝影測量成圖直接相關，因此，內方位元素和畸變差是相機鑒定的主要項目[3]。在飛行起飛、降落時以及運輸過程中有震動，相機參數發生有較大變化，為保證后處理數據的精度，通常在飛行前要對相機進行檢校，本次飛行的檢校參數見表2。

表2 相機參數

2 無人機遙感在工程中的應用

2.1 作業區域

文章以太平鎮西部一條河流為研究區域，該河道形狀規則，測量范圍為沿河200m內，測量面積約0.9 km2。測區內地勢呈南高北低，河道兩側地物簡單，多為農田和草地，測區范圍如圖1所示。

2.2 航線設計

因項目的成圖比例尺為1:1000，故設計航攝比例尺為1：4000，地面高度為260-280m，飛行高度1000m，航拍間距65m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為60%，影像地面分辨率(GSD)約為5cm，同時根據測區形狀規則，航線設計與河道總體方向一致，飛行3條航線，210個像對。為避免飛行過程中受到側風的影響，飛行姿態不穩定，出現航攝漏洞，故加大航向和旁向重疊度。

2.3 飛行數據快拼檢查及像片控制測量

本次飛行共獲取213張影像，影像清晰、色彩飽滿、反差適中。使用飛行日志中的POS數據，使用PHOTOSCAN軟件進行快速拼接，經檢查無航線漏洞，各項指標與設計要求基本一致。

根據飛行情況和規范要求設計像控點布設方案，按照區域網布點，間隔4-6條基線布設一對像控點。因像片航向重疊較大，像控點一般布設在6-8°重疊的范圍內，航線首尾≥4°重疊，且采用雙點布設。像控點選取在明顯地物上，要求影像清晰、易于判讀，同時要便于測量。本區域共選取42個平高點和12個檢查點。

圖1 測區范圍

2.4 空中三角測量

空中三角測量也稱空三加密，是利用攝影測量解析法確定區域內所有影像的外方位元素[4]。空中三角測量是影像后期處理的關鍵步驟，它利用少量地面控制點來計算一個測區中所有影像的外方位元素和所有加密點的地面坐標。本項目采用INPHO軟件的MATCH-AT模塊進行空三加密。

因本次飛行所用相機存在較大鏡頭畸變，為保證后續生產的精度，在進行空中三角測量之前，根據表1中給定的參數對原始影像進行畸變矯正。

空中三角測量需要準備的數據有畸變矯正后的影像、POS數據、相機參數文件、控制點文件等。軟件根據POS數據對航線進行排序，經過影像金字塔創建、連接點自動匹配、粗差剔除后，手動加入測量控制點，進行解算，再根據連接點及控制點的誤差，調整其點位，最后進行區域網平差計算。經過區域網平差計算，基本定向點的平面中誤差為0.084m，高程中誤差為0.114m；檢查點的平面中誤差為0.102m，高程中誤差為0.143m；加密精度達到《CH/Z 3003-2010 低空數字航空攝影測量內業規范》中精度指標要求，可提供給下一道工序生產。提供的空中三角測量成果有影像的外方位元素、內方位元素、加密點坐標以及相機參數等。

2.5 數字高程模型DEM與數字正射影像DOM制作

空中三角測量完成以后，使用INPHO軟件中的DTMaster模塊生成DSM，再通過MATCH-T模塊提取DTM，生成DEM數據。DEM的精度滿足于正射影像影像糾正即可，參照《CH/T 9008.2-2010 基礎地理信息數字成果1∶5001∶10001∶2000數字高程模型》中數字高程模型精度指標中的三級丘陵地指標執行，網格間距為1.0m×1.0m，高程值取位至0.01m。在DEM制作過程中，對點云進行編輯時，采用彩色點云模式，將匹配的DSM中的建筑物、高植被表面的點剔除，防止正射影像DOM出現扭曲變形現象，從而影響精度。

數字高程模型DEM生成以后，使用INPHO軟件中的OrthoMaster模塊對影像進行單片糾正，然后使用OrthoVista模塊對單片的正射影像進行鑲嵌、勻光勻色、分幅輸出處理。本次生產的DOM地面分辨率為0.1m，不用分幅輸出，生成一幅DOM。使用OrthoVista模塊圖象處理工具對影像進行無縫拼接，拼接線不得通過建筑物、橋梁等，須在圖象重疊處仔細挑選，以便色調變化和拼接痕跡降到最低。

通過DOM上量測明顯地面點與外業實測明顯地面點對比，最大平面誤差為0.341 m，最小平面誤差為0.060 m，平均誤差0.194 m,滿足《CH/T 9008.3-2010 基礎地理信息數字成果 1：500 1：1000 1：2000 數字正射影像圖》中平面位置精度要求。

2.6 數字線劃圖DLG制作

數字線劃地圖DLG的采集部分在MapMatrix軟件下進行。將INPHO格式的空三結果進行轉換成MapMatrix軟件識別的格式，所需的數據有畸變后的影像、外方位元素、內方位元素、加密點坐標以及相機參數等，在MapMatrix軟件建立工程，導入所需的數據，對影像進行數碼內定向，創建立體模型后，進入FeatureOne模塊進行數據采集；采集線劃時可采用加載實時核線和原始像對兩種模式。因無人機獲取的影像自身的缺陷，采集時注意盡量使用模型中間位置，并注意保持模型切換，以免造成模型間地物接邊出現問題。為保障成圖精度，可將空三加密時所用的外業控制點導入到模型中，進行檢核，若無問題，即可進行采集。

采集通常分為地物要素采集與地貌要素土質采集。地物要素主要包括水系要素及其附屬設施、居民地及其設施、交通及其附屬設施、管線及其附屬設施等；地物采集時，立體看不清的地物以及地物有局部被遮擋時，應對其進行標記，由外業實地進行補測調繪。地貌要素主要包括等高線、高程點等。高程點的密度通常情況下為8-15個點，要先在一二類方位物及明顯地形變換處采集，其余的均勻分布即可；等高線采集時，根據地形類別確定等高距后，進行采集。由于本項目是水利工程用圖，對水系附近的地貌要求較高，采集時河流邊線以攝影時水位為準，河流邊線上每100m要采集一對水位點，河流兩側的陡岸每100-150m采集坎上、坎下高程。

采集的圖形數據經過簡單粗編輯，提供給外業人員，進行調繪及修補測工作。調繪的主要內容有居民地名稱、道路名稱及等級、房屋建筑材料及層數、管線的類別及走向、植被類別等。修補測主要包括立體采集看不清的地物及攝影后變化的地物等。

地形圖編輯以采集的圖形數據為基礎，結合外業調繪及修補測數據，按照《GB/T 20257 1-2007 國家基本比例尺地形圖圖式第1部分：1：500 1：1000 1：2000地形圖圖式》要求進行。

為檢測地形圖的精度，采用RTK全野外實測20個明顯地物點及15個高程點；經檢核地物點的平面中誤差為0.325m，高程注記點中誤差為0.421m，精度滿足國家《CH/Z 3003-2010低空數字航空攝影測量內業規范》中的精度指標。因本項目對高程要求較高，在河道兩側重點區域，通過外業全野外采集高程點的方式，加入到地形圖中并處理好相互關系，最終形成地形圖。

3 結 語

通過本項目的生產，證明了無人機遙感配合專業的應用軟件適用于快速獲取小面積大比例尺地形圖和數字正射影像圖，具有方便、快捷、高效、成本低等優勢。在實際應用的過程中，無人機遙感的劣勢也顯現出來，如飛行時間短、荷載小、航片姿態不穩定等問題，在數據后處理時，由于像片數量多、像幅面積小、航向和旁向重疊度大等原因，致使像控、空三、測圖工作量增大；同時由于基高比小，造成無人機獲取影像處理后的高程精度不高，即使能勉強達到規范要求的高程精度指標，但因其不穩定，不能直接應用于對高程精度要求高的工程項目。

隨著科技的進步，無人機航攝裝備水平也不斷地提高，在飛行時間、荷載量、飛行姿態穩定性等方面都將逐步得到提升，同時后處理軟件針對無人機影像在算法和工藝流程上必將有較大進步，無人機遙感的劣勢將逐漸減弱，其應用領域將會進一步拓展，從而滿足各類小面積工程測繪的需求。

[1]張大方．低空無人機遙感在水利工程測繪中的應用研究[J] ．工程技術．2016，10(10)：103-104．

[2]穆宣社．基于地理空間大數據的應急指揮輔助決策平臺研究[J]．測繪通報，2015(06)：93-96．

[3]鄧非，閆利．攝影測量實驗教程[M]．武漢：武漢大學出版社，2012：27-31．