飛馬V100無(wú)人機(jī)航測(cè)在黨河水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

曹晏維

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

0.概述

2019 年9 月受敦煌市水務(wù)局委托，甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司開(kāi)展黨河水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)階段的勘測(cè)設(shè)計(jì)工作。黨河水庫(kù)位于甘肅省敦煌市區(qū)西南36km 處的黨河峽口內(nèi)，是一座以防洪、灌溉、排沙為主兼顧發(fā)電的中型水庫(kù)，總庫(kù)容4.64×107m3，壩址以上控制流域面積16600km2，多年平均徑流量2.927×108m3。測(cè)區(qū)左岸有敦煌至阿克塞G215 道路通過(guò)，右岸無(wú)道路。

水庫(kù)大壩1∶500 地形圖測(cè)圖范圍按主副壩左右岸兩側(cè)各100m，壩軸線上游100m，下游至溢洪道與黨河交匯口截止，測(cè)圖面積約1.3km2。地形圖中需標(biāo)注主壩、副壩、輸水發(fā)電洞、泄洪排沙洞、溢洪道、電站引水發(fā)電系統(tǒng)控制點(diǎn)、線路、主要建筑物縱橫斷面圖的平面位置。同時(shí)需標(biāo)明各建筑物輪廓尺寸、位置關(guān)系，現(xiàn)狀壩軸線位置。庫(kù)區(qū)1∶2000 地形圖測(cè)繪面積約7km2，地形圖中需標(biāo)明各建筑物輪廓尺寸、位置關(guān)系，現(xiàn)狀軸線位置。

1.像控點(diǎn)布測(cè)技術(shù)路線

本次使用無(wú)人機(jī)型號(hào)為飛馬V100，低空無(wú)人機(jī)作業(yè)外業(yè)主要包括像控點(diǎn)布設(shè)及施測(cè)、航飛、飛行質(zhì)檢及外業(yè)調(diào)繪4 部分組成。

1.1 像控點(diǎn)布設(shè)方法

考慮到測(cè)區(qū)地形實(shí)際，采用不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)布像控點(diǎn),主要以紅白相間1.1m 見(jiàn)方的靶標(biāo)為主，明顯地物為輔布設(shè)。1∶500 地形圖按每平方千米6 個(gè)像控點(diǎn)布設(shè)，需布設(shè)10 個(gè)。1∶2000 地形圖按每平方千米2 個(gè)像控點(diǎn)布設(shè)，需布設(shè)14 個(gè)。在Google Earth 軟件中，像控點(diǎn)在上下庫(kù)范圍布設(shè)為均勻網(wǎng)狀，兩點(diǎn)間隔為600-800m，在無(wú)人機(jī)兩個(gè)架次相接的重疊地帶應(yīng)針對(duì)性布設(shè)不少于4 個(gè)像控點(diǎn)，以保證不同航高的相片處理時(shí)有足夠控制點(diǎn)[2]。以布設(shè)的Google Earth 圖上像控點(diǎn)為基準(zhǔn),根據(jù)點(diǎn)位的經(jīng)緯度放樣到實(shí)地位置，根據(jù)實(shí)地情況選取易保存位置埋設(shè)靶標(biāo)。像控點(diǎn)采用兩像片控制點(diǎn)的編號(hào)大寫(xiě)英文字母加阿拉伯?dāng)?shù)字組成，像控點(diǎn)編號(hào)不得重復(fù)，編為XK01、XK02、XK03……XKnn，如XK29，為像控點(diǎn)29 號(hào)。

1.2 像控點(diǎn)采用RTK 作業(yè)模式

用RTK 作業(yè)模式進(jìn)行施測(cè)，按《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）技術(shù)規(guī)范》中有關(guān)要求測(cè)定像控點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程, 采集像控點(diǎn)三維坐標(biāo)時(shí)移動(dòng)站距基準(zhǔn)站距離不大于5km，觀測(cè)采用平滑10s 采集。在測(cè)繪像控點(diǎn)時(shí)應(yīng)在路途中采集特征碎部點(diǎn)以備檢查地形圖質(zhì)量時(shí)使用。

1.3 像控點(diǎn)精度要求

根據(jù)航攝外業(yè)規(guī)范要求，平面控制點(diǎn)相對(duì)鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的平面位置中誤差不應(yīng)超過(guò)地物點(diǎn)平面位置中誤差的1/5；高程控制點(diǎn)相對(duì)鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)超過(guò)基本等高距的1/10。

2.飛馬V100 及航測(cè)流程

2.1 飛馬V100 硬件設(shè)施和性能

V100 無(wú)人機(jī)是飛馬推出的基于高性能垂直起降固定翼平臺(tái)的一站式行業(yè)解決方案；無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)主要包括飛機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)、定位定姿系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等[1]。可“高精度成圖”、“專(zhuān)業(yè)遙感”、“視頻偵察”。起飛重量8.5kg，標(biāo)準(zhǔn)載荷1kg，續(xù)航時(shí)間90min；可搭載航測(cè)模塊、傾斜攝影模塊、熱紅外遙感模塊、多光譜模塊、可見(jiàn)光視頻模塊、熱紅外視頻模塊、雙光視頻模塊；所有載荷均可無(wú)工具快速拆裝，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，具備多元化數(shù)據(jù)獲取能力，并提供系統(tǒng)級(jí)解決方案。配備高精度差分GNSS 板卡，支持PPK、RTK 及其融合作業(yè)模式，支持POS 輔助空三，可實(shí)現(xiàn)免像控1∶500 成圖。

2.2 飛馬V100 作業(yè)流程

建立測(cè)區(qū)，導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)（POS 文件、相片等）；導(dǎo)入控制點(diǎn)文件，根據(jù)繪圖比例尺、航高等因素，填寫(xiě)相關(guān)參數(shù)；全自動(dòng)空三加密，生成并輸出DSM/DOM/DLG成果[3]。

2.3 航線規(guī)劃與參數(shù)調(diào)整

本次航測(cè)任務(wù)航線規(guī)劃在飛馬公司無(wú)人機(jī)管家的智航線中進(jìn)行，首先導(dǎo)入測(cè)區(qū)范圍，然后根據(jù)成圖比例尺和現(xiàn)場(chǎng)地形條件限制設(shè)置適當(dāng)?shù)牡孛娣直媛屎惋w行高度，相關(guān)參數(shù)（如表1、表2 所示）:

表1 航飛相關(guān)參數(shù)

表2 飛行相關(guān)參數(shù)

2.4 任務(wù)飛行與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪

在航線規(guī)劃完成后進(jìn)行了天氣查詢和空域申請(qǐng)的相關(guān)流程，飛行前進(jìn)行設(shè)備檢查，確保設(shè)備安裝和設(shè)置正確無(wú)誤。嚴(yán)格把握天氣標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)確的曝光量。先試照，確定參考曝光量，實(shí)際工作中再根據(jù)天氣實(shí)況、地物、地形情況以及參考曝光量，確定實(shí)際的曝光量，確保曝光量的準(zhǔn)確[4]。

準(zhǔn)備工作完成后，即可智飛行中選擇區(qū)塊進(jìn)行飛行作業(yè)。V100 采用垂直起降的方式，飛機(jī)全程自主飛行，并進(jìn)行飛行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。飛行過(guò)程監(jiān)控各飛行參數(shù)均正常，巡航時(shí)速度基本穩(wěn)定在18m/s，飛行姿態(tài)平穩(wěn)，滾轉(zhuǎn)、俯仰角度偏差大部分在5°以內(nèi)，個(gè)別影像由于風(fēng)的影響，在10°左右，也可滿足正射影像的成果需求。飛行完成后，進(jìn)行原始影像、機(jī)載POS 數(shù)據(jù)下載，并完成每個(gè)架次的飛行日志的信息填寫(xiě)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)整理或問(wèn)題查找提供依據(jù)[5]。

2.5 內(nèi)業(yè)處理與成果輸出

飛行完成后進(jìn)行的機(jī)載POS、基站POS 和飛行影像的下載，并現(xiàn)場(chǎng)在無(wú)人機(jī)管家智檢圖模塊中進(jìn)行飛行質(zhì)檢，質(zhì)檢結(jié)論均滿足工程要求。V100 無(wú)人機(jī)采用先進(jìn)的后差分處理系統(tǒng)，在無(wú)人機(jī)管家智理圖模塊中進(jìn)行了POS 解算和坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，從而得到了高精度的飛行POS 數(shù)據(jù)。

然后進(jìn)入無(wú)人機(jī)管家智拼圖模塊導(dǎo)入照片和高精度POS，在空三計(jì)算精度滿足要求后進(jìn)行了DSM、DOM、DEM 以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸出和編輯，然后在Global mapper 中進(jìn)行了模型的裁剪和等高線的輸出。為保證本次航測(cè)任務(wù)的精度和可靠性，在使用無(wú)人機(jī)管家進(jìn)行空中三角測(cè)量加密的同時(shí)使用PIX4D 軟件進(jìn)行加密計(jì)算，經(jīng)過(guò)比對(duì)得到了更加可靠精度高的空三成果，并為后面的4D 產(chǎn)品的輸出提供的可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。最后將得到的DLG 在南方公司的CASS 軟件中進(jìn)行地物的繪制和等高線的修整分幅等工作。

3.精度評(píng)定

像控點(diǎn)采集的準(zhǔn)確性關(guān)系到后續(xù)空三加密和4D產(chǎn)品的精度，本次像控點(diǎn)采用對(duì)中桿整平對(duì)中的方式，進(jìn)行平滑20 次坐標(biāo)采集，同時(shí)拍攝現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量照片。在完成空三計(jì)算后，利用合格的空三成果進(jìn)行DSM 和DEM 以及DOM 的生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采集了部分碎步點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，同時(shí)對(duì)影像上沒(méi)法判別的輸電線和通訊線進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)采集，對(duì)于壩址區(qū)溢洪道、排沙洞等重要水工建筑物的高程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)采集，像控點(diǎn)精度評(píng)定（如表3 所示）[6，7]。

表3 像控點(diǎn)精度評(píng)定

經(jīng)空三計(jì)算得到相控點(diǎn)的平面精度X 方向?yàn)?.027m，Y 方向?yàn)?.017m，高程精度為0.034m，滿足技術(shù)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，現(xiàn)場(chǎng)選取了部分房角和道路拐點(diǎn)作為DOM 平面精度的檢查數(shù)據(jù)，均達(dá)到了技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)的設(shè)計(jì)要求。

4.創(chuàng)新應(yīng)用

4.1 多軟件交互使用

飛機(jī)的外業(yè)飛行使用無(wú)人機(jī)管家的智航線和智飛行模塊，然后使用智檢圖模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理和重疊度檢查，內(nèi)業(yè)加密使用智理圖和智拼圖，在使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行DEM 生成之前采用智點(diǎn)云模塊進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過(guò)濾和地面點(diǎn)的提取，后使用Global mapper 軟件進(jìn)行等高線的生成和濾波，最后使用南方公司的CASS9.0 軟件進(jìn)行數(shù)字線劃圖的提取和修測(cè)。

結(jié)合每個(gè)軟件不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，將數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入不同的數(shù)據(jù)處理軟件可以最大程度的發(fā)揮軟件的功能，同時(shí)能夠提高作業(yè)的效率。

4.2 大面積長(zhǎng)航程

本次作業(yè)面積大，飛行時(shí)間長(zhǎng)是本次作業(yè)的特點(diǎn)，且本次庫(kù)區(qū)測(cè)量需要多期測(cè)量進(jìn)行庫(kù)區(qū)淤積量的計(jì)算，所以靶標(biāo)的埋設(shè)都選擇在易于保存的地方，在保證飛行安全的前提下本次飛行采用V100 系列飛機(jī)的“斷點(diǎn)續(xù)飛”功能，能夠在保證飛機(jī)電量充足的前提下多次飛行進(jìn)行測(cè)區(qū)影像的采集。

5.結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)本次航測(cè)任務(wù)中存在一些問(wèn)題需要解決，例如水面匹配點(diǎn)較少在后續(xù)的建模過(guò)程中容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)空洞；對(duì)于重要建筑物如泄水閘的建模仍然需要地面補(bǔ)拍部分照片來(lái)進(jìn)行精細(xì)建模；由于物理帶寬網(wǎng)速的限制使數(shù)據(jù)的集群處理難以達(dá)到理想的工作效率，擬建立萬(wàn)兆網(wǎng)和磁盤(pán)資源共享的方法提高航測(cè)數(shù)據(jù)處理的效率，真正使無(wú)人機(jī)航測(cè)成為測(cè)繪行業(yè)的主流作業(yè)方法。我們有理由相信，采用無(wú)人機(jī)測(cè)繪新技術(shù)會(huì)在科技發(fā)展的浪潮中不斷創(chuàng)造新的更大價(jià)值。