多旋翼無人機在邊坡自然災害治理測量中的應用

羅李清

（漳州通正勘測設計院有限公司，福建 漳州 363000）

長期以來，公路高邊坡自然災害治理測量一直以免棱鏡全站儀測量與GNSS輔助測量作為主要技術手段，但其測量難度大、風險高、效率低、測量成果類型單一、成本大一直困擾著測繪人員。隨著旋翼無人機技術及低空數(shù)字攝影測量技術的日益成熟，其成本低、機動靈活、效率高、人工野外采集工作少、成果類型多等優(yōu)點為高邊坡自然災害測量提供了另一種途徑。依托漳州市華安縣省道金上線（S308）3#高邊坡自然災害治理工程測量項目，筆者對多旋翼無人機低空數(shù)字攝影測量在高邊坡自然災害治理測量的具體實施進行了相應的應用和研究，研究結果可提供相關從業(yè)人員參考。

1 無人機低空數(shù)字攝影測量實施技術路線

①現(xiàn)場踏勘--＞②像控點布設與測量--＞③相機檢校--＞④無人機航攝--＞⑤空中三角測量--＞⑥全數(shù)字化成圖--＞⑦成果輸出。

2 本項目實施流程

2.1 測區(qū)現(xiàn)場踏勘

本次高邊坡自然災害治理項目位于省道金上線K223+702.7～K223+928.9段，測區(qū)面積約0.09km2，邊坡落差約90m，自然坡度陡竣（約45°），因長時間降雨發(fā)生滑坡，原有水泥路面被滑坡體覆蓋，邊坡時有石頭滾落，車輛無法通行，對公路沿線村民的出行造成了極大的影響，急需進行治理恢復通行，應業(yè)主及邊坡設計組要求需在1天內提交邊坡治理設計所需的測量成果。綜上所述本項目測量時間緊、人工測量危險系數(shù)高，難度大，采用傳統(tǒng)測量方式難以滿足要求，綜合分析后決定采用無人機低空數(shù)字攝影測量技術進行測量，同時結合現(xiàn)場條件本項目選擇對起降場地要求低且轉彎半徑小的六旋翼無人機motorsky M1000搭載Sony A6000微單進行航片獲取。

圖1 現(xiàn)狀邊坡立面圖

2.2 像控點布設與測量

由于本次測量的邊坡已發(fā)生滑坡，山體自然坡度大，所需測量坡體的大部分位置人工很難到達且存在安全隱患，所以本項目像控點位置選擇的條件為：①位于滑坡體以外且穩(wěn)定安全的地方；②確保測區(qū)四個角點均有布設平高控制點；③平高控制點間的基線數(shù)不大于6條，航線間隔數(shù)不大于4條。本次測量根據(jù)現(xiàn)場地形并結合布點要求，布設6個空中三角測量控制點（具體位置詳見像控點布置示意圖中圓圈所示）；同時為了驗證本次測量方案的精度，在測區(qū)內布設了5個檢查點（檢查點的位置選擇綜合考慮代表性、可達性、安全性因素）。由于本次實驗測區(qū)地物特征在影像上難以識別，為方便內業(yè)數(shù)據(jù)處理，像控點及檢查點布設采用事前布設的方法。在谷歌地球上事先進行選點布設，現(xiàn)場踏勘并根據(jù)實地情況對位置進行微調后,在所選的位置布設顏色艷麗的像控標靶，利用GNSS測量進行平高點采集，接著進行無人機航攝。具體布設方案見下圖：

圖2 像控點及檢查點布置示意圖

2.3 相機檢校

由于微單相機相幅小，畸變大，為滿足本次測量精度要求，本次航飛之前利用航天遠景數(shù)碼相機檢校系統(tǒng)EasyCalibrate對Sony A6000微單相機進行事前檢校，獲取的相機檢校參數(shù)如下：

相機焦距：15.901mm

像元大小：0.0039mm

像主點X0：-0.0992mm

像主點Y0：-0.0588mm

徑向畸變系數(shù)K1：

0.000243302524345727490

徑向畸變系數(shù)K2：

-0.00000132735755353717

徑向畸變系數(shù)K3：

-0.00000000077679023502

偏心畸變系數(shù)P1：

-0.00004495255428326274

偏心畸變系數(shù)P2：

0.00024381953234790097

CCD非正方形比例系數(shù)α：

0.00028891981478666821

CCD非正方形比例系數(shù)β：

0.00060406035658987765

2.4 無人機航攝

由于采用的是非量測型相機，為了進一步減小影像糾正誤差，本次航攝在規(guī)范標準的基礎上加大像片重疊度，共計飛行三個航帶，航向重疊度85%，旁向重疊度70%，相對航高150m，地面分辨率優(yōu)于5cm。飛行結果：影像質量層次感分明，反差適中，曝光良好，無普遍模糊、重影或者反光等現(xiàn)象，滿足內業(yè)要求。

像片去畸變：本次所拍航片利用航天遠景MapMatrix數(shù)碼相機畸變校正模塊結合相機檢校參數(shù)對航片進行去畸變處理。

2.5 空中三角測量

采用INPHO進行空中三角測量處理，空中三角測量控制點選用D1，D2，D3，D8，D10，D11（位置詳見上圖），剩余5個點作為檢查點。

精度驗證：由于本項目處于滑坡路段，地物特征點少。本次精度驗證的目標主要為點位精度驗證。主要驗證像控點布設時所采集的11個平高點，通過利用MapMatrix中FeatureOne模塊立體量測控制點與檢查點對成果進行精度驗證。實驗測區(qū)測量精度分析如下圖所示：

表1 測量精度分析表單位：cm

表中各項誤差均滿足GBT23236-2009空中三角測量規(guī)范要求。

圖3 平面位置誤差分布圖

圖4 高程誤差分布圖

2.6 全數(shù)字化成圖

空中三角測量精度驗證合格后，利用航天遠景MapMtrix全數(shù)字化攝影平臺中FeatureOne模塊對空中三角測量的成果進行立體測圖。

2.7 DLG成果輸出

最后將立體測圖成果輸出至南方CASS10.1進行DLG成果編輯輸出。最終輸出的成果如圖5所示：

圖5 成果輸出略圖

為了驗證DLG成果的精度，本次測量利用免棱鏡全站儀在坡體不同位置測量了10個點做為等高線插值檢驗點，在棚角、道路折點、電桿等的位置測量了10個點做為地物點點位檢驗點。并將實測數(shù)據(jù)展入地形圖進行比對，比對結果如下：

圖6 等高線插值誤差分布圖

圖7 圖上地物點點位誤差分布圖

本項目為高邊坡滑坡治理測量項目，根據(jù)設計要求地形圖需達到重丘區(qū)1：500的精度。根據(jù)檢驗結果等高線插值中誤差為40.1cm≤(2/3)Hd=67cm,圖上地物點點位中誤差為12cm≤0.06*500=30cm,滿足JTG C10-2007《公路勘測規(guī)范》對于重丘區(qū)1：500地形圖的精度要求。

3 總結

就本次采用多旋翼無人機在高邊坡自然災害治理測量的驗證結果，可得到如下結論：多旋翼無人機在高邊坡自然災害測量的實施中，通過對航空攝影、像控測量、空中三角測量以及最終內業(yè)成圖等關鍵流程進行質量控制，最終成果在平面和高程精度上都可以滿足設計要求的測量精度要求，該測量方式可用于類似項目實際生產工作。本次航攝使用非量測相機Sony A6000進行航片獲取，由于非量測相機的局限性導致在高程精度上還有一定的局限性，但是經過畸變校正后有了比較大的改善。因此在今后多旋翼應用于此類型項目測量中，如果能夠搭載量測型相機或激光雷達，將可以對高程精度有比較大的改善；如果使用微單或者單反需對航片進行畸變校正這樣可以較大幅度地提高精度以滿足測量精度要求；另外在測量滑坡體較大的項目時為了減少像控點的布設數(shù)量，避免在危險區(qū)域布設像控點，建議采用高精度帶差分無人機進行作業(yè)。對于高邊坡自然災害治理測量，這種面積小，危險性高，測量時間要求緊，人工施測難度大的項目，多旋翼無人機低空數(shù)字攝影測量具有起降方便，機動靈活，可達性好，效率高，人工野外采集工作少，可提供多種類型成果數(shù)據(jù)（DOM、DTM、DEM、DLG）等優(yōu)勢在今后類似項目應用上有著極大的優(yōu)越性和實際價值。