CW-15無人機在河湖范圍劃界中的應用

摘? 要：傳統的地理相關信息采集方式主要是人工逐點進行，這種方法程序復雜，需要大量的時間、人力，而且成果也不精細，甚至有的地方無法進行作業，比如人力不能到達的危險陡峭山崖。隨著無人機的出現，傳統采集模式開始被高效率儀器所替代，并逐漸大量應用到現實生產實踐中。文章以河湖劃界為例，研究CW-15無人機傾斜攝影技術在地理信息采集中的應用。

關鍵詞：無人機;傾斜攝影;河湖劃界;三維建模

中圖分類號：TP79;TV697? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）18-0026-03

Abstract：In the traditional way of geographic information collection，it is mainly manual point by point. This method is complex and requires a lot of time and manpower，and the results are not fine. Even some places can not operate，such as dangerous steep cliffs that cannot be reached by manpower. With the arrival of UAV，the traditional acquisition mode has been replaced by high-efficiency instruments，and gradually applied to practical production. Taking the delimitation of rivers and lakes as an example，this paper studies the application of CW-15 UAV oblique? photography technology in geographic information collection.

Keywords：UAV;oblique photography;river-lake demarcation;three-dimensional modeling

0? 引? 言

河湖范圍劃界項目的地理信息采集方法有很多種，但是傳統的方法耗時長，精力消耗巨大。近年來，隨著無人機航攝技術的崛起，傾斜攝影技術完全改變了當前的狀況，使作業方便、快捷、省時省力。筆者所在的甘肅省地質礦產勘查開發局第三地質礦產勘查院正面對即將進行的大量河湖劃界項目，為了降低成本，前期進行無人機傾斜攝影真實實驗研究，使各類方法相結合，從而達到周期最短化、效益最大化的目的。

1? 河湖范圍劃界業務的目標

在研究區域范圍內，全面查清劃界河道管理保護范圍，確定河流水域岸線等水生態空間權屬，劃定河道管理保護范圍邊界，建立歸屬清晰、權責明確、監管有效的河道產權制度。為建立水生態環境治理長效機制、建立河道管理保護體系、全面推行河長制奠定堅實基礎。

1.1? 河湖范圍劃界中無人機傾斜攝影相關的工作要求

需要完成河道控制斷面測量，完成河道帶狀1：2 000地形圖測繪、將控制點測制并進行編號，完成正射影像的制作，完成河道洪水分析、河道典型區域全景影像制作，設立界樁、告示牌確定范圍，建立數字化檔案等。

1.2? 河湖范圍劃界工作中傾斜攝影的技術難點與解決辦法

相控點的布設：難點是由于山大溝深信號很弱或者直接沒有信號，RTK踩點困難。解決辦法是架設基站，快速靜態測量。

影像的航飛：難點是由于河流形狀不規則，蜿蜒彎曲，并且深淺不一，航線比較難確定，航飛難度較高;再有山體落差大，誤差就大。解決辦法是對航飛測區進行分區分塊，這樣既能保證最高點的重疊度，又能保證最低點的地面分辨率。

模型的建立：難點是對硬件和軟件要求較高，尤其是相片張數過多時，模型導出比較費時間，后期修模工作量也比較大。解決辦法是保證高配置的計算機硬件，分批分量地進行后期處理，尋找合適的相關軟件搭配使用。

界樁的埋設：難點是地勢險峻的地方，車輛難以到達;由于界樁沉重，人力運輸困難;有時巖石堅硬，埋界樁時很難挖動。解決辦法是可以將界樁設置點稍微平移一下，換地方進行。

2? 縱橫CW-15無人機航測系統及特點

2.1? 縱橫CW-15無人機航測系統基本情況

縱橫CW-15無人機為垂直起降的固定翼無人機，它的布局是采用固定翼結合四旋翼的設計，這樣不僅有固定翼無人機續航時間長、速度快、飛行距離遠的優點，也大大解決了固定翼無人機垂直起降的難題。它可以根據實際條件更換任務載荷，因為有多個任務模塊倉，機身連接使用快鎖裝置，設計為折疊形式的旋翼機臂，不需要拆卸，使用方便快捷。CW-15無人機外觀如圖1所示。

2.2? 縱橫CW-15無人機航測系統特點

縱橫CW-15無人機作業效率較高，一架次可以采集大概十二個平方千米的數據，續航時間大致為2小時40分鐘，并且沒有場地和空域條件要求，可以做到一站多機。其結構比較簡單，配件主要是以套合的方式進行安裝，展開時間短，不用螺絲來固定;用電腦操控，系統監控警告及應急處理及時，直觀清楚;一鍵起飛，安全性高;定點起降，可以實現精準作業。該無人機兼具固定翼和螺旋翼的優點，統一任務倉可以輕松拆卸適用于不同的飛行平臺，還可以解決部分區域有云層遮擋的情況。

3? 河湖范圍劃界方法研究

3.1? 研究區域概況以及對作業的影響

本文研究區域為隴東黃土高原西北部，該地區大概有以下幾種情況會影響到航飛的過程和效果：

（1）黃土地區由于水土流失，塬面大多支離破碎，川臺狹小，山區梁峁起伏，峴掌曲伏纏綿，溝壑縱橫，呈殘垣溝壑與丘陵溝壑地貌類型，航拍分辨率更加清晰，內業處理比較繁瑣耗時。

（2）森林覆蓋率高的地區，尤其是樹木比較高大、濃密的地方，外業航拍后內業打點比較困難。

（3）天氣多變，風沙較多，空氣中有雜質，會對無人機航拍的能見度以及飛行器正常飛行產生影響。

3.2? 傳統方法

用RTK對特征點逐點采集，并繪制外業草圖，導出數據到計算機后，用相關軟件按照草圖進行連接以及后期相關處理得出所需成果。由于黃土地區水土流失痕跡較重，溝壑比較多，地形支離破碎，RTK所需要采集的特征點繁多，任務繁重，需要大量時間。

3.3? 新技術手段

縱橫CW-15無人機進行傾斜攝影測量包含以下步驟：得到外業數據、將各類影像數據匹配、對平差糾正并處理、對正射影像進行處理。依據本研究項目測區的航攝資料、測區其他已經收集到的資料進行統籌分析，采用航空攝影測量技術開展的河湖管理范圍劃定河流1：2 000地籍測繪工作任務有航飛資料的檢查、像片控制測量、空三加密、DOM生產、DEM生產、成果整理并提交等環節，嚴格控制質量關鍵節點，各環節質檢合格后移交下一環節。具體流程如圖2所示。

在圖2的整體流程中，需要細致分析一下空三加密，新技術無人機作業流程中，基于本研究區域航空攝影測量作業模式，測區航片成果數據采用專業的軟件環境和流程分別進行空三加密，使用空三加密軟件PHOTOMOD對全部航片進行空三加密，具體流程如下：

（1）選擇影像：選擇航片成果中的影像數據，同時將POS數據中的線元素數據（B、L）制表并導入ArcGIS軟件，經投影變換與測區范圍線套合，根據所需加密范圍挑選影像，記錄航帶數與像片編號。

（2）無人機影像畸變改正：根據相機文件中給定的畸變參數，利用空三加密軟件中畸變改正模塊對所需加密的影像進行重采樣，并輸出改正后的影像。

（3）建立連接點匹配工程：建立航帶，添加改正后的影像，并根據畸變改正時影像的旋轉方向對航帶進行旋轉，導入POS數據。

（4）提取連接點：先利用PHOTOMOD軟件進行金字塔影像生成，然后設置緩沖區進行同名點自動匹配，構建自由網。

（5）自由網平差：利用軟件功能模塊對所構建的自由網進行平差，逐步剔除粗差較大的連接點，在保證自由網強度（連接點數量及分布）的同時提高自由網的精度，以保證后續區域網平差的精度。

（6）區域網平差：導入航外像片控制點坐標數據，先對所需加密區域的四角進行像片控制點像點坐標觀測，然后進行初步的控制網平差，在此基礎上，借助軟件的預測功能并對照控制點對其他像片控制點和檢測點進行轉點，全部像片控制點和檢測點觀測完成后調用平差模塊進行區域網平差，并用檢測點檢查空三的精度是否滿足規范要求，若精度滿足空三規范要求，則輸出空三加密成果。

研究區域大概7平方千米，無人機航拍采集數據需要一個小時左右，隨后進行影像內業處理，基于PHOTOMOD軟件的影像空三加密成果進行，具體作業流程為：

（1）影像匹配：建立PHOTOMOD集群化數據處理系統的數據處理工程，利用空三加密成果以及原始影像數據，進行多核多線程影像匹配，生成測區初始DEM。

（2）立體建模：利用加密成果以及原始影像數據，在JX-4CDPW或GEOWAY DPS環境中進行定向并恢復立體模型。

（3）DEM立體編輯：在立體環境中載入對應區域初始DEM，采用系統編輯工具（點編輯、特征線、區域重構等），對建筑、樹木、橋梁等區域進行修改，對未能反映真實地表高程的飛點以及誤差區域進行編輯;之后經數據接邊及質量檢查，合格后作為成果DEM輸出。

（4）DOM數據生產：DOM數據生產以航攝成果影像為數據源。

（5）基于PHOTOMOD空三加密成果以及測區DEM成果進行正射糾正。

（6）最后結合ContextCapture軟件，利用直觀的三維立體模型進行DSM的制作以及后續的工作，圖3為使用ContextCapture軟件進行三維建模自動生成的3D模型。

3.4? 對比分析

在同一地區、面積為7平方千米、精度為0.08、使用的人力都為1個工作人員的情況下，無人機與傳統人力相比較，無人機的外業和內業總共大概需要5天;人工采集數據大概需要2個月，繪制DSM3天，共63天，如表1所示。

從數據不難看出，無人機和傳統方法在面積相同、人力相同、精度相同的同一地區進行作業時，時間耗費相差比較大，這就體現了無人機快速作業的優勢。

4? 結? 論

為了縮短項目進程，解決無人機在實際應用中出現的具體操作問題，作者對此項目進行了研究。在以上關于河湖劃界的研究中，不難看出無人機傾斜攝影技術將時間大大縮短，解放了人力，并且它將傳統測量技術與正射影像相結合，在同一平臺上搭載多個傳感器，全自動、多角度、高效率、精準拍攝，短時間就能獲取海量的高精度數據，可以滿足河湖劃界工作降低成本、縮短項目時間的要求。

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作者簡介：王福蓮（1990—），女，漢族，甘肅會寧人，助理測繪工程師，本科，主要研究方向：野外測繪、航測內業制圖、數據庫建設、地理信息工程等。