天狼星無人機航測技術在河湖劃界中的應用

李 濤，高 波，張允濤，高佳佳

(1. 山東省國土測繪院，山東 濟南 250102； 2. 山東魯邦地理信息工程有限公司，山東 濟南 250101)

河湖工程范圍劃界是建設水生態文明和實現水利現代化的重要保障，根據國家河長制湖長制工作總體部署，2017年山東省全面推行河長制建設，河湖工程管理范圍劃界納入政府重要工作。基于國家政策影響和巨大的河湖體量，河湖劃界測繪顯然已經成為當前測繪行業的一大熱點。對測繪工作者來說既是商機也是挑戰，如何在短期內快速消化、完成大量的河湖劃界勘測任務，成為新形勢下的一大考驗。通常自然形成的河湖歷史確權資料較少，資料形式簡陋，邊界糾紛事件時有發生。采用傳統測繪手段無論工作效率還是成果展現形式，都難以滿足當前信息化需求和嚴峻的工期要求。本文以天狼星免像控無人機航測為例，從項目組織實施、方案對比、各階段成果應用等方面進行比較分析，為河湖劃界勘測提供一種快速、高效的解決辦法[1-2]。

1 河湖劃界勘測業務特點

1.1 河湖劃界勘測基本要求

河湖劃界主要勘測工作是梳理、確定管理范圍線及保護范圍線位置，通過埋設界樁明確邊界。其中河道管理范圍指有堤防河道的管理范圍為兩岸堤防之間的水域、沙洲、灘地(包括可耕地)、行洪區及兩岸堤防和護堤地；湖泊保護(管理)范圍指湖堤、護堤地，根據湖泊歷時最高洪水位或設計洪水位確定的區域(包括湖泊水域、沙洲、灘地)，湖泊周邊對湖泊保護有重要作用的濕地和列入規劃的蓄滯洪區等其他區域。根據山東省河湖管理范圍和水利工程管理與保護范圍劃界確權工作技術指南(試行)要求，主要工作內容包括：

(1) 收集整理河湖和水利工程管理范圍1∶10 000及以上比例尺的地形圖、0.3 m精度的正射影像航拍圖。

(2) 以地形圖為底圖，可輔以高精度正射影像圖，采用內外業方式，先進行圖上作業，完成管理范圍線布置，在一定間隔和拐點處預布界址點；再通過外業，根據設計圖紙對管理范圍線和界址點現場測量放樣，復核成果。

(3) 河湖岸線及斷面測量。

(4) 界樁(牌)圖上布設及現場放樣、埋設。

從技術指南可以看出，河湖劃界對勘測成果精度要求比較寬松，采用常規勘測手段就可以實現。

1.2 河湖劃界勘測工作特點和難點

由于是新興業務，可供參考借鑒的成功案例和相關工作經驗較少，對已經開展項目區域調研結果也是方法多樣，對新技術的應用多處于探索和嘗試階段。經驗總結就是線路長、覆蓋面廣，歷史遺留問題多樣，線路情況各有千秋、工作協調難度大，需要逐條河流、逐個湖泊、逐項工程確定具體目標任務和實施方案[3]。

山東省河湖水利工程劃界確權資料情況及其特點如下：

(1) 山東省20世紀90年代對一些重要河道、湖泊進行了劃界確權，并辦理了部分國有土地使用權證。但是權屬證書更新不及時，既有資料多數缺少電子矢量化數據，實際可利用價值不大；隨著河道的自然演變及兩岸農田種植活動、河道規劃整治的影響，原有界樁已被損毀，失去了其原有作用。

(2) 眾多無任何確權和檔案資料的自然形成的河流、湖泊岸線需要按照現狀確定，土地侵占和邊界糾紛等各種歷史遺留問題容易在這次工作中引發。

(3) 確權劃界工作涉及國家及地方政策復雜，參與部門眾多，協調難度和工作難度大。

綜合以上特點，要在較短的時間在全省甚至全國范圍內大規模開展河湖劃界任務，必須尋求一種高效、創新的工作模式。本文以山東省某縣區河湖劃界勘測工作為例，通過天狼星免像控無人機航測技術手段，實現了河湖劃界工作快速推進和河長制信息化管理的多重需求，在實踐過程中取得了較好效果。

2 天狼星無人機航空測圖系統介紹及其顯著特點

天狼星無人機是拓普康的內置RTK實時差分型無人機，與配套軟件一起形成高精度、智能化的航空測圖系統[4]，顛覆了傳統航測必須布設大量像控點的工作模式，在工程測量特別是大比例尺測圖領域有很大優勢[5]。設備基本配置包括：無人機系統、地面監控站、發射電臺、GPS基站等；影像處理系統包括：影像數據快速檢查、糾正、拼接等，空三加密流程簡單，基本實現一鍵生成DOM、DEM。

與其他品牌無人機相比，天狼星無人機顯著特點包括：

(1) 高精度：天狼星無人機內置RTK，與地面站組成一套1+1 GPS RTK定位系統，結合慣導系統和飛行姿態穩定控制系統，在完全免像控的情況下也可以實現平面±3 cm、高程±5 cm的精度要求，其精度基本可以與GPS RTK固定解精度相媲美。

(2) 完全免像控[6]：傳統航測方法必須布設大量地面像控點，需要耗費大量的時間和成本。特別是在那些從地面無法或難以進入現場的項目區域，沒有足夠的像控點，也難以實現高精度的項目成果。但是天狼星無人機實現免像控并在精度要求較高的工程測量領域廣泛應用。

(3) 具有任性的飛行姿態控制系統[7]：定高、平行航線飛行是常規無人機司空見慣的飛行模式，而天狼星無人機獨有的帶狀、自適應地表飛行計劃，在線路工程勘測項目中優勢較為明顯。特別是航測帶寬不足500 m的河道、公路等項目(如圖1、圖2所示)，線路走向頻繁變化，采用平行航線方式會存在大量無效飛行區域，無論對外業航飛還是內業空三加密等環節均帶來較多無效工作量，造成資源浪費。

3 工程實施

3.1 工程概況

本項目擬對轄區內17條區級河道與兩座水庫進行劃界測量，河道長度累計里程約180 km，共涉及12鎮4個街道辦事處，行政區土地面積960 km2。測區地形地貌屬黃泛沖積平原區，地勢平坦，地形自西南向東北傾斜，地面高程在37.28～33.20 m。

主要測繪內容與要求：測繪比例尺1∶2000；測繪范圍：保護范圍線外擴20 m，平均帶寬220～300 m；測繪重點：堤防、岸線、縣鄉村權屬界線、道路、橋梁、坑塘、閘壩、提水閘、排水閘等；其他要求：界樁及公告牌圖上預布設，以及在堤防寬度變換處進行橫斷面測量。

3.2 實施方法

河湖劃界任務通常涉及區域廣、范圍大，同時河道曲折蜿蜒，河槽及灘地寬度不一。結合任務特點和任務要求，采用天狼星無人機航測成為項目首選方案(如圖3所示)。工作思路：首先通過天狼星無人機獲取測區高分辨率影像和數字高程模型，為外業調查和圖上定線提供基礎工作底圖；然后通過EPS虛擬攝影測量系統進行大比例尺地形圖立測采集與編輯，在三維立體環境下進行界樁、公告牌圖上預布以及管理范圍線和保護范圍線圖上定線；最后結合外業調查情況和界樁埋設(主要是移位界樁)結果對劃界成果進一步修改、完善。

3.3 采用天狼星無人機航測優勢

根據省級河湖劃界方案工作指南要求，河湖劃界工作底圖需要輔以優于0.3 m分辨率的衛星或航拍影像。考慮區級河道航測帶寬不足300 m，同時結合天狼星無人機每架次飛行效率，在外業航測工作量相當的情況下，將航測影像分辨率可以提高至0.1 m。該方法不僅使影像清晰度和平面精度顯著提高，更有利于影像判讀和內業岸線采集，而且DEM高程精度也顯著提高，通過無人機影像匹配點云技術，可以提取制作河湖水面以外的橫斷面數據成果。

本項目外業航測共飛行46架次，獲取照片18 120張；影像空三加密與外業航飛時間基本保持同步，整個項目航測周期約10 d。大比例尺地形圖立測采集，以及樁(牌)、管理范圍線和保護范圍線圖上布設等內業工作在第一架次影像空三加密成果出來后就可以同步開展，做到各工序環環相扣，為周期較長的界樁埋設留出寶貴的工作時間。

3.4 精度檢測

免像控是天狼星無人機的一大亮點，但是缺少像控點就意味著精度檢測條件減少，為檢測航測成果精度，對全路線進行抽樣檢測。檢測點密度：平均1點/km；平面點位選擇在硬化路面斑馬線、河湖岸線或影像色差變換明顯的特征地物角點處，高程點盡量選擇在地勢平坦處，如堤頂道路或橋梁幾何中心位置，注意避開橋頭或高差突然變換、DEM容易拉花變形的位置；測量方法：采用GPS RTK兩次測量，坐標與高程差值均小于2 cm時取平均值作為最終檢測坐標成果。共檢測平面特征點128點，高程特征點186點(含平面特征點)。

采用同精度檢測方法，中誤差計算公式為

(1)

式中,M為成果中誤差；n為檢測點(邊)總數；Δi為較差。

表1 DOM平面坐標中誤差檢測 cm

表2 DEM高程中誤差檢測 cm

4 所見即所得的DSM成果促進劃界項目快速推進

無人機航測成果中數字表面模型(DSM)應用領域比較廣泛，特別是基于EPS環境下的傾斜攝影測量，得益于優秀的二三維一體化技術，通過二三維的矢量數據與傾斜攝影測量數據相結合，可以真實地表現出地表信息。在該環境下，可以快速簡易地進行DLG大比例尺地形圖采集編輯并進行各種數據處理、統計和分析，實現測量外業工作的內業化[8](如圖4所示)。

在河湖劃界勘測任務中，除界樁埋設工序外，80%以上的工作都是基于高精度、高分辨率影像資料制作完成的。特別是樁(牌)和管理范圍線圖上預布設，樁“牌”可以準確布設在田埂、坎邊等易于長期保存的位置。在現場埋設過程中基本實現預設樁位坐標“零”移位效果。另外所見即所得的三維可視化和流暢的瀏覽體驗效果，在真實還原現場場景的情況下，可以有針對性地制定項目應急預案和工作方案，極大便利了多單位、多部門之間的業務對接，促進了項目快速推進。

5 結 語

天狼星無人機高精度的航測成果及其數據的應用，革新了傳統測繪數據采集和外業調查工作模式，降低了測繪外業工作者的勞動強度，實現了工程測量外業工作的內業化，為河湖劃界勘測工作提供了一種行之有效的作業方法，讓緊急的工程測量任務工期更可控。通過逼真的、可準確量測的DSM三維模型真實還原現場，讓繁雜、棘手的跨單位、跨部門、跨行業之間的業務對接、溝通協調變得輕松愉悅。通過對航測成果進一步挖掘利用，可以在河長制信息化平臺建設、水資源保護、水環境治理、生態修復、河湖整治等領域讓測繪成果發揮價值，實現一次航測，成果多次利用的目的[9]。