淺談無人機航空攝影測量技術在河湖管理中的應用

姚艷麗

（中國公路工程咨詢集團有限公司(武漢)勘察分公司，湖北 武漢430023）

1 概述

為了明確河湖管理范圍，確定河湖管理責任，能夠使河道工程正常運行，加強水域岸線的管理以及完善水環境治理系統，也是為了進一步推行河長制，依照法律規定落實地方主體責任，切實做好各級河湖管理范圍和水利工程管理與保護范圍調查測量工作是至關重要的。隨著科學的與時俱進，航空攝影測量與遙感技術取得了巨大進步，尤其是無人機航測技術被更多的應用到實際測量中，在水利工程測量中同樣得到了一定的應用[1]。本文就無人機航測技術在河湖管理中的應用做一些探討。

2 無人機航空攝影測量技術

無人機航測系統又稱為無人機駕駛航空器系統（UAS，Unmanned Aircraft System），該系統具有機動靈活、高效快速、受氣候條件影響較小、作業成本低、適用領域多等特點。在無人機航空攝影測量之前，有必要了解一下其基本技術指標和要求：①獲取能用于立體測量的真彩色數字影像[2]；②按0.2m 地面分辨率進行飛行設計，獲得的影像滿足1:2000 比例尺的DLG、DEM和DOM 的成圖精度要求；③配置高精度動態GPS 接收機，通過后差分技術計算得到機載GPS 軌跡；④航向重疊度是60%～80%，旁向重疊度是15%～60%；本項目用的無人機是成都縱橫大鵬無人機科技有限公司生產的大鵬無人機（型號為CW-10 SONYA7R 相機一套）和2 臺大疆PHANTOM4 RTK 無人機。該無人機外業工作流程為圖1：

圖1 無人機攝影測量系統外業流程

3 無人機航空攝影測量在河湖管理中的應用

3.1 作業范圍

本項目為此次列入某縣河湖管理范圍和水利工程管理與保護范圍調查測量、劃界埋樁項目的40 條河和66 座水庫，河流總長度為719 公里，水庫為小型水庫。此次論文實例選取了其中一條河流進行探討。

3.2 測區航線設計

通過專門的航線設計軟件，導入河道帶狀測區文件，進行相應的參數設置，計算選擇飛行高度為600m。此項目成圖比例尺為1：2000，航攝比例尺1：4000，影像地面分辨率為2cm。由于在無人機飛行姿態不穩定情況下會引起航攝漏洞現象，導致后續工作無法進行，增加了航向和旁向重疊度，航向重疊度為75%-80%，旁向重疊度為70%-75%。

3.3 地面GPS 基站的布設與觀測

為了在后期使用后差分技術正確的解算移動站的GPS 軌跡，在飛機起飛前在航攝區域內選取合適的基準站，基準站必須架設在控制點上，一個基準站的控制測區半徑大概是5km，這樣基準站GPS 與移動站GPS 同步接收衛星信號，后期處理獲得更加精確的pos 數據[3]。

3.4 像控點布設

無人機航測技術在河道中的應用獲得的成果精度主要取決于控制點的精度，因此像控點的布設尤為重要，布設像控點必須按照一定的規范進行。無人機航測過程中布設像控點分為兩種方式：飛機起飛前和起飛后，但是無論選擇怎樣的方式都必須符合以下原則：①像控點應該設置在地面比較清晰、容易辨認的位置，比如說斑馬線角、道路交叉線等，但是也有一些地物不能作為布設控制點的目標，比如：狀地物、不固定的地物、過小的點狀地物；②選取的像控點刺點的影像必須很清晰；③像控點應選在高程變化比較小的地方，不能選在高程變化大的有坡度的地方；④選取的控制點旁邊不能有強烈干擾衛星信號的物體，尤其應該遠離高壓輸電線。同時為檢查成果質量，需適當布設檢查點。

3.5 無人機航空攝影測量內業

無人機航拍得到的影像以及用傳統測繪方法測得的控制點，在Godwork 中進行空三加密，然后在MapMatrix 中進行地形圖描繪，利用pix4d 進行影像圖制作，流程如圖2 所示：

圖2 無人機航測作業流程

3.5.1 影像數據預處理與空中三角測量處理

影像數據預處理：為了得到滿足后期數據處理的pos 數據和影像數據，必須對原始采集的數據依據相關的規范規程進行數據檢查，重點檢查的項目有：航攝重疊度、旋偏角、云量、有無存在航攝漏洞。空中三角測量處理：影像經預處理后進行空三加密，空三加密利用天工航空影像空中三角測量軟件（簡稱GodWork_AT）進行，此軟件是針對航空遙感影像數據研發的高自動化數據處理軟件，以輸出高精度數字攝影測量產品為目的。它的主要優點是：人工干預或者交互操作的工作量很少，如果確需進行人工交互工作，設計人員也加了自動預測或者人工智能的功能，盡量避免不必要的人工或者重復操作，節省交互時間，簡化操作，空三流程如圖3：

圖3 空三流程圖

3.5.2 正射影像圖（DOM）生成

Pix4Dmapper 是瑞士Pix4D 公司生產的全自動快速無人機數據處理軟件，它可以將很多張影像快速制作成精確的二維地圖和三維模型，Pix4Dmapper 能從航拍片中快速獲取點云數據，并且進行后期的加工處理，獲得高精度的正射影像圖用于水利工程中的河湖管理。Pix4Dmapper 生成正射影像圖的過程是：①先導入照片和pos 進行快速拼接，快速拼接的質量報告可以查看外業飛行數據的質量；②導入控制點進行空三加密；③選擇初始化處理進行平差，結果可以查看控制點精度是否滿足規范要求；④選擇接下來的兩個選項：點云和紋理以及DSM、正射影像和指數，最終生成DSM 和DOM。后期可以將DSM 與DOM 導入到EPS 中進行裸眼畫圖。本項目是將生成的DOM 導入到ARCGIS 中，將每條河拼接成一個整體，再將河湖管理的規劃線落到DOM 上，最終生成一張大圖方便展示，如圖4 所示：

圖4 DOM 以及河湖管理范圍線

3.5.3 1:2000 數字線劃圖制作

在武漢航天遠景MapMatrix 多源地理數據綜合處理平臺進行航攝數據處理：將GodWork 中處理得到的空三成果（patb 文件、旋轉糾正影像）導入到MapMatrix 軟件中，恢復航攝的立體采集模型。按照本項目要求的1:2000 地形圖和其他相關的技術規程，在立體采集環境下得到各類地形要素，最后生成地形圖文件。將采集得到的地形圖與Pix4Dmapper 生成的正射影像圖疊加形成調繪底圖，在野外現場進行調繪，在調繪結束之后進行內業編輯，兩者交互得到最終的全要素數據線劃圖。數字線劃數據采集輸出后進行相應的格式轉換，統一分層與編碼，然后再利用CASS9.1 軟件統一進行內業編輯，形成最終的DWG格式地形圖，如圖5 所示。在地形圖基礎上，根據給定的橫斷線，得到斷面需要的高程數據，在CASS 9.1 中繪制斷面圖，如圖6所示。

圖5 河道地形圖

圖6 河道斷面圖

3.5.4 河湖劃界

將已測好的1:2000 地形圖和斷面圖作為工作底圖進行內業劃界，按照法律法規要求及相關標準在工作底圖上劃定河湖和水利工程的管理范圍界線，完成管理范圍線布置，在一定間隔和拐點處預布界址點，外業埋設界樁，根據工作底圖上提取的界址點坐標進行管理界線放樣，并根據現場實際進行微調埋置界樁，實測坐標，最后再內業調整，根據最終外業定樁的界線坐標修正電子圖上的管理范圍界線。

結束語

無人機航空攝影測量技術在河湖管理中的應用，不僅能夠節省人力還可以提高工作效率，同時可以為甲方提供多樣的測量成果，來適應新時代環境下更高的要求。利用無人機航空攝影獲得的成果繪制的地形圖成圖精度完全滿足1：2000 大比例尺測圖的要求，為后續繪制斷面，劃界埋樁提供了保證。

隨著無人機航測技術的飛速發展，能實時獲取更高精度的POS 數據，后處理軟件處理能力的不斷提高提升，與此同時，長航時、載荷量大的無人機整體性能明顯提升，無人機航測技術的應用領域能夠滿足更多的測繪工程需求。