無人機航攝點云測圖技術在夾巖水利樞紐建設中的應用與研究

徐子揚

(貴州省水利水電勘測設計研究院,貴州 貴陽 550002)

夾巖水利樞紐工程屬于Ⅰ等大(一)型工程，是一座以城鄉供水和灌溉為主、兼顧發電并為區域扶貧開發及改善生態環境創造條件的綜合性大型水利樞紐工程，主要由水源工程、畢大供水工程和灌區骨干輸水工程等組成，壩址位于長江流域烏江一級支流六沖河中游、畢節市七星關區與納雍縣交界的潘家巖腳處。夾巖水利樞紐工程是貴州省在“十二五”期間開工建設的重點工程。在整個夾巖水利樞紐工程建設的階段中，快速、高精度地獲得相關規劃建設區域的大比例尺地形圖十分重要。而過去，水利工程的地形圖測繪工作往往以全野外工程測量的方式為主，由于貴州省山區植被茂密、地形高差大、地貌破碎等客觀原因的存在，水利工程又往往修建在人跡罕至的偏遠山區，全野外測繪地形圖存在時間周期長、效率較低、部分困難地區人力難以到達等劣勢。而隨著時代的發展，無人機、三維激光掃描儀等測繪新技術的引入為貴州水利工程地形圖測繪注入了新的活力。

無人機低空航空攝影測量技術為近些年來應用較廣、發展較快的一項測繪技術，其具有效率高、時效性強、分辨率高、成本低等多方面優勢。目前廣泛應用于測繪、林業、交通、水利、電力等行業。無人機航測技術經過幾年的發展沉淀，從硬件上來講，飛行平臺越來越安全穩定，從之前的固定翼和旋翼兩款主流機型，發展到現在更適合貴州山區的復合翼無人機；飛行獲取的數據精度也越來越高，從之前的機載GPS僅用于無人機的飛行安全定位，到現在后差分、PPP等各種優化定位技術的實現；無人機的任務載荷設備也在不斷更新，從之前的小畫幅非專業的數碼相機到現在的飛思相機甚至小型激光掃描儀，可以說無人機航攝的硬件技術日新月異。從內業數據處理上講，無人機航攝技術也經歷了從之前的模仿大飛機攝影測量數據處理的流程，到現在立體測區、點云測圖、傾斜攝影建模等多方向全方面的發展。而針對以夾巖水利樞紐工程為代表的貴州水利工程的大比例尺地形圖測繪工作來說，由于主流的無人機平臺載荷有限，無人機航測平臺所搭載的數碼相機鏡頭往往畸變較大，而貴州山區的弱紋理區也較多，導致通過傳統的立體成圖的方式，高程精度往往達不到水利工程建設要求。因而本文通過總結提出了一種無人機航測點云測圖的方式來解決水利工程大比例尺測圖高程精度的問題。

1 無人機航攝點云測圖技術流程

傳統的無人機航攝立體測圖的方式是模仿大飛機攝影測量成圖的方式，外業航飛得到質量較高的原始影像數據和POS數據，通過內業反復的空三，得到滿足立體測圖要求的內外方位元素數據，進行立體成圖。而無人機航攝點云測圖的方式避開的對空三結果的不斷調試，同時降低了對原始影像數據的質量要求(包括旋偏角等)，將數據處理的重心關注在了DSM(數字表面模型)點云數據的精度上，減少了內外業工作的時間。具體技術流程如下：

(1)飛前準備工作。在對測區進行無人機航飛之前，首先要收集測區的資料，包括測區范圍、已有控制點成果、測圖高差地形起伏情況、植被覆蓋情況、空域情況、天氣情況等。然后制定工作安排計劃和航飛技術方案，確定本次項目所使用的無人機平臺和任務設備型號、本次航飛的地面分辨率、航向和旁向重疊度、飛機的絕對航高和架次數等。

(2)外業航飛和像控點布設。根據測區情況決斷是否先布設像控點再進行外業航飛。如果需先布設像控點，根據航飛的地面分辨率確定像控點的尺寸，按照成圖分辨率和規范進行像控點布設。外業航飛選擇好起飛點，做好空域申請，根據測區情況分區域對測區內進行無人機航飛，需同時注意無人機的安全性和影像的重疊度兩個因素。航飛結束后，通過相關軟件檢查原始影像和POS數據質量，有無漏片情況，如果存在應該及時補飛。

(3)內業空三處理。主要包括收集原始航飛數據、通過多視影像密集匹配技術和光束法區域網平差等技術進行空三處理，通過人工刺像控點得到當地坐標成果，最終輸出高精度高密度的DSM點云數據。

(4)通過得到的高精度點云數據，分別對測區的地形數據和地物數據進行采集，同時外業結合三維點云數據進行調繪補測，重點在于植被特別茂密和地形變化劇烈的區域，最終編圖成圖。

(5)完成大比例尺的地形圖成圖工作后，首先航測隊伍內部先進行一級檢查，查漏補缺后將成果提交質檢部門進行質檢，質檢合格后才能正常使用。

無人機航攝點云成圖的技術流程如圖1所示。

圖1 無人機航攝點云成圖技術流程

2 測區實驗與結果分析

實驗測區選擇夾巖水利樞紐工程某一代表性區域，測區面積約5km2，成圖要求為1∶1000。測區最大高差約為300m，測區內部分區域植被茂密，瑣碎地形較多，高差起伏較大，為典型的貴州山區地形。

本次實驗采用CW- 20大鵬無人機搭載尼康D810單反相機完成外業航飛任務，累積飛行一個架次。本次實驗使用的大鵬無人機采用后差分定位技術和相機坐標中心改正技術，大大提高了航飛POS數據線元素的精度。航飛面積約20km2，采集影像1347張，航向重疊度在80%以上，旁向重疊度在60%以上，地面分辨率為9.8cm。影像清晰，航飛當天天氣陰，光線較好。同時布設像控點20個，在測區內均勻分布。

內業空三采用Context capture center軟件進行處理，該軟件不同于傳統的攝影測量空三軟件，其引入計算機視覺技術，采用多基元、多視角影像匹配原理，通過少量的人工干預，快速、高效的獲取高精度、高密度的DSM點云數據。

獲得點云數據分成兩種方式進行處理：一種通過RiSCAN PRO軟件對點云數據進行過濾提取，針對植被茂密區域通過設立10m×10m×10m的立方體提取最低點的方式和野外調繪補測減去樹高的方式結合得到關鍵地形點數據,通過10m×10m×10m的立方體提取最低點方式是借鑒三維激光掃描儀點云處理方式，最大限度地自動剔除植被對地形點采集的影響，但在一些植被特別密集的區域需要進行外業調繪補測得到真實地面點高程數據，從而修正對應區域的點云高程；另一方面，將點云數據導入MicroStation v8i平臺采集特征地物，再將特征地物的拐點自動提取出來參與生線。

最終進行編圖成圖和質檢輸出成果。通過外業采集的均勻分布于測區的80個檢查點與成果進行對比，統計得到檢查點的平面中誤差為0.14m，高程中誤差為0.29m。參考SL 197—2013《水利水電工程測量規范》，見表1- 2。

通過表1、2可知，SL 197—2013規定的高山區1∶1000成圖中的地物點平面中誤差為0.8m，高程注記點中誤差為0.33m，則本次實驗成果滿足規范要求。

表1 地形圖上地物點平面位置允許中誤差

注：1.水下地形點的平面位置測量允許中誤差可為規定值的2倍;2.隱蔽困難地區地物丶平面位置測量允許誤差可為規定值的1.5倍，但山地、高山地允許誤差為圖上±1.0mm;3.專業工程測量中的地形測量部分，其地形點平面位置測量允許誤差應符合注1和注2的規定。

表2 高程注記點精度

注：1.h為基本等高距，m;2.山地、高山地采用10m等高距時，按5m等高距精度要求執行。

3 結論與展望

本文驗證了無人機航攝點云成圖在夾巖水利樞紐等工程建設中大比例尺成圖的可行性。相比于傳統的無人機立體成圖的方式，該方法回避了無人機載荷相機鏡頭畸變較大、無人機姿態不穩定等問題，充分利用了計算機視覺匹配技術來解決傳統攝影測量的難題，提高了無人機航測成圖在以夾巖水利樞紐工程為代表的貴州山區測區的高程成圖精度，提高了工作效率。

但是在植被茂密且樹木高的區域，無人機航攝點云成圖仍然有其局限性。測區的茂密植被覆蓋越廣，外業需要調繪補測的工作量越大，測繪效率越低。但隨著測繪技術的日新月異，無人機機載小型三維激光掃描儀越來越安全和市場化，機載三維激光掃描儀的引入可以比較全面地解決山區茂密植被區域地面點采集的問題。在不遠的將來，無人機航攝影像和機載三維激光掃描儀技術的結合會給大比例尺地形圖測繪工作帶來巨變。