CW-15無人機(jī)在河湖范圍劃界中的應(yīng)用

摘? 要：傳統(tǒng)的地理相關(guān)信息采集方式主要是人工逐點(diǎn)進(jìn)行，這種方法程序復(fù)雜，需要大量的時間、人力，而且成果也不精細(xì)，甚至有的地方無法進(jìn)行作業(yè)，比如人力不能到達(dá)的危險陡峭山崖。隨著無人機(jī)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)采集模式開始被高效率儀器所替代，并逐漸大量應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)踐中。文章以河湖劃界為例，研究CW-15無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在地理信息采集中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);傾斜攝影;河湖劃界;三維建模

中圖分類號：TP79;TV697? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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 With the arrival of UAV，the traditional acquisition mode has been replaced by high-efficiency instruments，and gradually applied to practical production.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(xiàng)目的地理信息采集方法有很多種，但是傳統(tǒng)的方法耗時長，精力消耗巨大。近年來，隨著無人機(jī)航攝技術(shù)的崛起，傾斜攝影技術(shù)完全改變了當(dāng)前的狀況，使作業(yè)方便、快捷、省時省力。筆者所在的甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院正面對即將進(jìn)行的大量河湖劃界項(xiàng)目，為了降低成本，前期進(jìn)行無人機(jī)傾斜攝影真實(shí)實(shí)驗(yàn)研究，使各類方法相結(jié)合，從而達(dá)到周期最短化、效益最大化的目的。

1? 河湖范圍劃界業(yè)務(wù)的目標(biāo)

在研究區(qū)域范圍內(nèi)，全面查清劃界河道管理保護(hù)范圍，確定河流水域岸線等水生態(tài)空間權(quán)屬，劃定河道管理保護(hù)范圍邊界，建立歸屬清晰、權(quán)責(zé)明確、監(jiān)管有效的河道產(chǎn)權(quán)制度。為建立水生態(tài)環(huán)境治理長效機(jī)制、建立河道管理保護(hù)體系、全面推行河長制奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.1? 河湖范圍劃界中無人機(jī)傾斜攝影相關(guān)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(diǎn)測制并進(jìn)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(qū)域全景影像制作，設(shè)立界樁、告示牌確定范圍，建立數(shù)字化檔案等。

1.2? 河湖范圍劃界工作中傾斜攝影的技術(shù)難點(diǎn)與解決辦法

相控點(diǎn)的布設(shè)：難點(diǎn)是由于山大溝深信號很弱或者直接沒有信號，RTK踩點(diǎn)困難。解決辦法是架設(shè)基站，快速靜態(tài)測量。

影像的航飛：難點(diǎn)是由于河流形狀不規(guī)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(qū)進(jìn)行分區(qū)分塊，這樣既能保證最高點(diǎn)的重疊度，又能保證最低點(diǎn)的地面分辨率。

模型的建立：難點(diǎn)是對硬件和軟件要求較高，尤其是相片張數(shù)過多時，模型導(dǎo)出比較費(fèi)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(jì)算機(jī)硬件，分批分量地進(jìn)行后期處理，尋找合適的相關(guān)軟件搭配使用。

界樁的埋設(shè)：難點(diǎn)是地勢險峻的地方，車輛難以到達(dá);由于界樁沉重，人力運(yùn)輸困難;有時巖石堅(jiān)硬，埋界樁時很難挖動。解決辦法是可以將界樁設(shè)置點(diǎn)稍微平移一下，換地方進(jìn)行。

2? 縱橫CW-15無人機(jī)航測系統(tǒng)及特點(diǎn)

2.1? 縱橫CW-15無人機(jī)航測系統(tǒng)基本情況

縱橫CW-15無人機(jī)為垂直起降的固定翼無人機(jī)，它的布局是采用固定翼結(jié)合四旋翼的設(shè)計(jì)，這樣不僅有固定翼無人機(jī)續(xù)航時間長、速度快、飛行距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，也大大解決了固定翼無人機(jī)垂直起降的難題。它可以根據(jù)實(shí)際條件更換任務(wù)載荷，因?yàn)橛卸鄠€任務(wù)模塊倉，機(jī)身連接使用快鎖裝置，設(shè)計(jì)為折疊形式的旋翼機(jī)臂，不需要拆卸，使用方便快捷。CW-15無人機(jī)外觀如圖1所示。

2.2? 縱橫CW-15無人機(jī)航測系統(tǒng)特點(diǎn)

縱橫CW-15無人機(jī)作業(yè)效率較高，一架次可以采集大概十二個平方千米的數(shù)據(jù)，續(xù)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(jī)。其結(jié)構(gòu)比較簡單，配件主要是以套合的方式進(jìn)行安裝，展開時間短，不用螺絲來固定;用電腦操控，系統(tǒng)監(jiān)控警告及應(yīng)急處理及時，直觀清楚;一鍵起飛，安全性高;定點(diǎn)起降，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作業(yè)。該無人機(jī)兼具固定翼和螺旋翼的優(yōu)點(diǎn)，統(tǒng)一任務(wù)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(qū)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(qū)域概況以及對作業(yè)的影響

本文研究區(qū)域?yàn)殡]東黃土高原西北部，該地區(qū)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(qū)由于水土流失，塬面大多支離破碎，川臺狹小，山區(qū)梁峁起伏，峴掌曲伏纏綿，溝壑縱橫，呈殘?jiān)珳羡峙c丘陵溝壑地貌類型，航拍分辨率更加清晰，內(nèi)業(yè)處理比較繁瑣耗時。

（2）森林覆蓋率高的地區(qū)，尤其是樹木比較高大、濃密的地方，外業(yè)航拍后內(nèi)業(yè)打點(diǎn)比較困難。

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

3.2? 傳統(tǒng)方法

用RTK對特征點(diǎn)逐點(diǎn)采集，并繪制外業(yè)草圖，導(dǎo)出數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)后，用相關(guān)軟件按照草圖進(jìn)行連接以及后期相關(guān)處理得出所需成果。由于黃土地區(qū)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(diǎn)繁多，任務(wù)繁重，需要大量時間。

3.3? 新技術(shù)手段

縱橫CW-15無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測量包含以下步驟：得到外業(yè)數(shù)據(jù)、將各類影像數(shù)據(jù)匹配、對平差糾正并處理、對正射影像進(jìn)行處理。依據(jù)本研究項(xiàng)目測區(qū)的航攝資料、測區(qū)其他已經(jīng)收集到的資料進(jìn)行統(tǒng)籌分析，采用航空攝影測量技術(shù)開展的河湖管理范圍劃定河流1：2 000地籍測繪工作任務(wù)有航飛資料的檢查、像片控制測量、空三加密、DOM生產(chǎn)、DEM生產(chǎn)、成果整理并提交等環(huán)節(jié)，嚴(yán)格控制質(zhì)量關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，各環(huán)節(jié)質(zhì)檢合格后移交下一環(huán)節(jié)。具體流程如圖2所示。

在圖2的整體流程中，需要細(xì)致分析一下空三加密，新技術(shù)無人機(jī)作業(yè)流程中，基于本研究區(qū)域航空攝影測量作業(yè)模式，測區(qū)航片成果數(shù)據(jù)采用專業(yè)的軟件環(huán)境和流程分別進(jìn)行空三加密，使用空三加密軟件PHOTOMOD對全部航片進(jìn)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(shù)據(jù)，同時將POS數(shù)據(jù)中的線元素?cái)?shù)據(jù)（B、L）制表并導(dǎo)入ArcGIS軟件，經(jīng)投影變換與測區(qū)范圍線套合，根據(jù)所需加密范圍挑選影像，記錄航帶數(shù)與像片編號。

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

（3）建立連接點(diǎn)匹配工程：建立航帶，添加改正后的影像，并根據(jù)畸變改正時影像的旋轉(zhuǎn)方向?qū)綆нM(jìn)行旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)。

（4）提取連接點(diǎn)：先利用PHOTOMOD軟件進(jìn)行金字塔影像生成，然后設(shè)置緩沖區(qū)進(jìn)行同名點(diǎn)自動匹配，構(gòu)建自由網(wǎng)。

（5）自由網(wǎng)平差：利用軟件功能模塊對所構(gòu)建的自由網(wǎng)進(jìn)行平差，逐步剔除粗差較大的連接點(diǎn)，在保證自由網(wǎng)強(qiáng)度（連接點(diǎn)數(shù)量及分布）的同時提高自由網(wǎng)的精度，以保證后續(xù)區(qū)域網(wǎng)平差的精度。

（6）區(qū)域網(wǎng)平差：導(dǎo)入航外像片控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，先對所需加密區(qū)域的四角進(jìn)行像片控制點(diǎn)像點(diǎn)坐標(biāo)觀測，然后進(jìn)行初步的控制網(wǎng)平差，在此基礎(chǔ)上，借助軟件的預(yù)測功能并對照控制點(diǎn)對其他像片控制點(diǎn)和檢測點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)點(diǎn)，全部像片控制點(diǎn)和檢測點(diǎn)觀測完成后調(diào)用平差模塊進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，并用檢測點(diǎn)檢查空三的精度是否滿足規(guī)范要求，若精度滿足空三規(guī)范要求，則輸出空三加密成果。

研究區(qū)域大概7平方千米，無人機(jī)航拍采集數(shù)據(jù)需要一個小時左右，隨后進(jìn)行影像內(nèi)業(yè)處理，基于PHOTOMOD軟件的影像空三加密成果進(jìn)行，具體作業(yè)流程為：

（1）影像匹配：建立PHOTOMOD集群化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理工程，利用空三加密成果以及原始影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行多核多線程影像匹配，生成測區(qū)初始DEM。

（2）立體建模：利用加密成果以及原始影像數(shù)據(jù)，在JX-4CDPW或GEOWAY DPS環(huán)境中進(jìn)行定向并恢復(fù)立體模型。

（3）DEM立體編輯：在立體環(huán)境中載入對應(yīng)區(qū)域初始DEM，采用系統(tǒng)編輯工具（點(diǎn)編輯、特征線、區(qū)域重構(gòu)等），對建筑、樹木、橋梁等區(qū)域進(jìn)行修改，對未能反映真實(shí)地表高程的飛點(diǎn)以及誤差區(qū)域進(jìn)行編輯;之后經(jīng)數(shù)據(jù)接邊及質(zhì)量檢查，合格后作為成果DEM輸出。

（4）DOM數(shù)據(jù)生產(chǎn)：DOM數(shù)據(jù)生產(chǎn)以航攝成果影像為數(shù)據(jù)源。

（5）基于PHOTOMOD空三加密成果以及測區(qū)DEM成果進(jìn)行正射糾正。

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

3.4? 對比分析

在同一地區(qū)、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(jī)與傳統(tǒng)人力相比較，無人機(jī)的外業(yè)和內(nèi)業(yè)總共大概需要5天;人工采集數(shù)據(jù)大概需要2個月，繪制DSM3天，共63天，如表1所示。

從數(shù)據(jù)不難看出，無人機(jī)和傳統(tǒng)方法在面積相同、人力相同、精度相同的同一地區(qū)進(jìn)行作業(yè)時，時間耗費(fèi)相差比較大，這就體現(xiàn)了無人機(jī)快速作業(yè)的優(yōu)勢。

4? 結(jié)? 論

為了縮短項(xiàng)目進(jìn)程，解決無人機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的具體操作問題，作者對此項(xiàng)目進(jìn)行了研究。在以上關(guān)于河湖劃界的研究中，不難看出無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)將時間大大縮短，解放了人力，并且它將傳統(tǒng)測量技術(shù)與正射影像相結(jié)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(zhǔn)拍攝，短時間就能獲取海量的高精度數(shù)據(jù)，可以滿足河湖劃界工作降低成本、縮短項(xiàng)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(nèi)業(yè)制圖、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、地理信息工程等。