無人機航攝技術在峽山水庫測量中的應用

王 杰

(滄州水利勘測設計院，河北 滄州 061000)

隨著社會經濟的發展，人們對于自身的居住及生存環境提出了全新的要求，水庫不但具存蓄水、調節氣候的作用，還是人們旅游觀光的重要場所。因此，為了更好地進行規劃，需要應用航攝技術。但是，由于該類航攝任務的周期比較長，花費資金較多，經濟效益不理想，手續煩瑣，必須要應用專門、先進的測量技術進行量測分析。對此，本文就相關方面內容進行了探究與分析，為更好地探測數據奠定了基礎。

1 庫區概況

峽山水庫地處山東半島東面，濰河中下游，位于濰坊市中部，流域面積約為4200 km2，該水庫是一座集灌溉、發電、供水等為一體的綜合性大中型水利樞紐工程。該水庫修建于約50年前，因長期受到人為及自然因素的制約，在一定程度上改變了庫區的地形，為了有效地掌握自然因素及人類活動對庫區地形變化的影響，筆者對庫容曲線的改變情況進行了詳細了解，此外，為了將水庫雨水資源應用優勢挖掘出來，抬高水位，就一定要獲取現實性強、精度高的地形資料。該水庫整個庫區面積約350 km2，此次增容工作初步確定將水庫水位幅度提升0.60 m，即由現階段的37.41 m提升至38 m，能夠提升庫區水容量7700萬平方米，每年能夠提升可供水量達1300萬平方米，按照工程的基本需求，此項目應該將1∶2000的水庫庫區比例尺繪制出來，并通過該比例尺將全新的水庫庫容、水庫水位及面積的曲線關系繪制出來。

按照山東省水利局發布的大型水庫分冊，水庫內的死水位約為31 m，興利水位控制在37 m，42 m的校核洪水位，14億立方米的總庫容，其中8億立方米的調洪庫容，興利水庫的庫容在5億立方米,0.49億立方米的死庫容。該工程由發電站、放水洞、主壩等構成。

2011年省水利廳組織驗收了峽山水庫出險加固工程，按照相關驗證書得知，工程的基本工作任務是加固處理溢洪道、放水洞、水庫大壩等，達到萬年一遇的校洪標準，以及千年一遇的設計洪水標準，基本的結論是那些需要加固的工程項目需依據批復的內容進行處理，使得傳統的病險問題得到有效的解決，進一步強化工程質量，從而在某種程度上提升防洪工程的安全性。

2 無人機航空攝影技術探究

按照以上所闡述的測繪任務情況，現階段主要有3種比較常用的大比例尺地形圖測繪技術:無人機航空攝影技術、野外數字化測量技術及載人飛機攝影量測技術。對比分析以上3種比較常用的測量技術，它們各有優劣勢：無人機航空攝影技術操作成本較低，操作起來容易，現勢性好，具有較高的測量精度；但是這種測量方法也存在一定的弊端，體積小，飛行高度不夠，具有不夠穩定的飛行姿態，自身所帶焦距小，像幅不夠，加密處理空三時較為煩瑣，而且有較大的工作量存在于后期影像拼接工作中。野外數字測量方式花費成本較高，需要的工作人員較多，而且氣候、地形等因素對其產生的影響較大，難以獲取準確的影響底圖，對工程質量及工期的相關要求都難以給予滿足。載人航空測量在現階段的空域管理形式下，需要對空域進行嚴格的申請，而且要求機場給予嚴格的協調，因此導致其工作量較多，成本花費較大，此外對基本的工期要求還很難給予滿足。通過對幾種測量方法的對比研究，本文采用無人機航空攝影的方式對此項目進行測量。

2.1 技術特征分析

無人機航空攝影測量技術中存在以下的優勢及特征：

(1) 操作方便。在很多低空飛行作業中比較適合應用無人機航空攝影測量技術，而且申請空域時也較為容易，天氣對其產生的影響也較低，可以很好地降低人機航空時由于云層等影響而出現的漏洞區域；而且該種測量不用把機場起降，在測量遠離城市的大型水利工程時發揮著非常重要的作用。

(2) 較低的成本投入。這種測量設備飛行時間不長，所涉及的工作人員少，從而使得項目成本被有效降低。

(3) 靈活性，機動性強。這種測量技術能夠按照天氣的基本狀況，靈活、快速的步入現場實時的監測目標物。

(4) 較高的安全性能。與載人航空攝影測量技術相比，無人機航空攝影測量技術能夠在復雜的環境及惡劣的氣候條件下完成工作，從而將危險性有效降到最低。

(5) 較高的測量效率。地形因素很少會影響無人機航空攝影測量的效果和質量。能夠在許多煩瑣的區域內完成攝影測量，不管是水域、盆地、林地還是高原都可以進行測量，從而獲取更加準確、全面、安全的數據，以更高的效率完成自己的任務。

(6) 較高的準確性。這種測量技術是集通信、全球導航、攝像及數字通信為一體的，整個系統的集成情況及設備的各種技術發展都非常成熟，能夠獲取分辨率較高的定位數據及數字攝像。

2.2 技術操作情況分析

2.2.1 設計與研制無人機攝影平臺

為了在航空攝影測量中有效地應用無人機技術，一定要綜合的設計，以及整合無人機的氣動性能、控制方法、飛機安全性、設備選用開發等內容。

在研制無人機時，可以通過雙尾后推結構進行設計，此種非常規的設計及布局確保了飛機飛行控制能力強、大荷載、短距離起降的優越性，而且通過將國外引入的無人機自動控制系統作為核心部件，利用民用數碼單反相機進行航攝，將二維云臺為像機設計出來，使得飛機飛行過程中的姿態精度被有效提升，而且對像機進行了旋偏角及俯仰角的設計與控制。

對無人機在航空攝影測量中的實效性進行檢測，主要通過解析空三的方式評估與分析了試飛的影像資料，主要探測了飛機的抗振動能力、抗風能力及飛行的穩定性等，對像機的曝光時間進行掌控，二次開發與修改了飛行姿態角，進一步完善了飛行控制系統，把轉彎緩沖增設進去，對延遲補償等功能進行曝光，確保得到的航空影響與航測生產規范的基本要求相一致。質量控制軟件、航線規劃軟件是無人機攝影平臺控制軟件的重要組成部分。航線規劃軟件的主要功能是按照航向重疊要求及測區范圍等數據進行航線的自動規劃，確保無人機攝影平臺能夠實時控制及自主飛行，質量控制軟件的功能是有效控制航攝質量，現場補飛不合格的航片，確保航攝測量質量可以通過檢驗與驗收。

2.2.2 布設外業控制點

針對無人機航攝資料像對多、重疊區面積小、像幅小的特征，為了將加密精度提升，通過比較及試驗分析，可以通過類似標準航帶區域網布點的方法布設外業控制點。在峽山水庫這個區域內共布設了32個控制點，其中有20個平高點，12個高程點，具體的圖例如圖1所示。

圖1

2.2.3 空三解析

選擇應用 Virtuo Zo AAT+PATB型號的解析空三軟件。由于無人機航空攝影資料具有像對多、基線短、不規則重疊、較大航空攝影偏差及像幅小的特征，在對空三進行解析時，會加劇提取連接點的難度，因此還需要人工方法的輔助。

3 本項目中的具體應用情況

在測量峽山水庫時所應用的無人機航空攝影測量技術主要由數字傳感裝置、地面控制裝置、數據傳輸裝置、飛行平臺及配套軟件等所構成。該系統對20多個航攝項目進行了測量，所測量的面積高達3000多平方千米，搜集了40 000多張0.05～0.5 m的影像，為國土、建設、規劃、水利、電力以及交通等部門提供了詳實的應急保障性服務。

峽山水庫于2013年10月修建完畢，通過航拍獲得了水庫水位工程1∶2000的地形圖資料，通過1∶30 625的比例尺進行的航攝擁有0.15 m的地面分辨率，720 m的飛行高度，飛行了約480 min，測試范圍內共劃出了4個區域，進行了4個架次的飛行，共完成350 km2的作業面積，拍攝得到了3038張影像圖片，而且通過無人機獲得了攝影照片，具有較高的現勢性，而且這些資料已經通過了專門人員的驗收。

4 測量效果分析

由于航空攝影測量技術不擅長于高程精度方面的測量，為了將整個庫區的DEM高程精度值提升，現場工作人員在堤壩、主要道路特征建筑物上對部分特征進行了采集，用于DEM的加密。之后按照無人機航空攝影測量的實際結果，將平面比例尺為1∶2000 的DLC及格網間距在2.0 m×2.0 m的高精度DEM制作出來，為了對無人機航空攝影的高程精度及測量平面進行驗證，工作人員搜集了許多野外的碎部點進行測量，然后和無人機航空攝影測量技術進行對比分析。

按照野外的檢查情況，依據中誤差統計公式計算，峽山水庫攝影測量地面點平面位置誤差為±0.28 m，高程誤差為±0.29 m，而且都符合1∶2000航測測圖的基本測量要求。此外將外業實測高程點加進去后，在某種程度上提升了數字高程模型精度值，為庫區的進一步建設奠定了良好的基礎。

5 結 語

峽山水庫的水位測量工程項目具有任務重、時間緊、大范圍作業的優點，通過普通的測量手段很難按照基本的工期完成任務。通過無人機航空攝影測量工作技術，使得作業效率被有效提升，將作業工期有效縮短，并且生產成本也得到了節約，圖件的現勢性效果也逐漸增強，有效給出了設計要求的1∶2000及規程范圍的庫區平面圖，此外，所應用的這些作業手法，為今后的工作提供了幫助和借鑒，積累了許多寶貴的經驗，有效促進了工程的發展。