無人機航空攝影測量技術在河道治導線規劃中的應用

李曉娥

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司，山西 太原 030024）

0.引言

無人機航空攝影測量簡稱無人機航攝，是以無人機搭載傳感器設備（數碼相機）對作業區域進行航飛獲取影像數據，對數據進行處理生產數字正射影像圖、數字三維圖，結合地面控制、外業調繪和計算機立體測繪，進行成圖的一種新型測繪技術，它是對傳統航空攝影測量手段中的有力補充，已廣泛應用到各個領域。本文是在水利工程河道治導線規劃項目中充分利用無人機航空攝影技術進行航測成圖，并通過對比實地檢查點計算測量精度，分析和評價無人機航空攝影測量技術在水利工程中的可行性。

1.項目概況

河道治導線遵循河道的自然演變規律及其演變趨勢，本著以人為本、人與自然和諧的理念，對其進行統一規劃，從而兼顧上下游以及河道兩岸的需要，協調防洪、灌溉、排澇、水力發電、供水、文化景觀和生態環境保護等各種關系進行的一項利國利民的工程。此次治導線長224km，流域面積為7705km2，為山區性河流，河道彎曲，水流不穩定，河床左右擺動，凹岸坍塌，岸蝕劇烈。測區地形呈狹長帶狀，兩岸懸崖陡峭，高差較大、樹木較多，通視困難，大部分河道缺少防洪設施，河流在峽谷中順著地勢繞行而下。多年平均徑流量為3.2×108m3，最小年徑流為0.8×108m3，最大年徑流為7.5×108m3；該地屬于暖溫帶大陸性季風氣候區，具有山區氣候之特點，氣溫日變化較大，降水量年內分配不均勻，河道內跨河建筑物和河道侵占物很多，通過治導線規劃治理，建立所屬范圍明確、權屬界限清晰、責任落實到位的河湖管理和水利工程管理責任體系，為山西省各個河湖管理以及今后河道兩岸新建、續建堤防工程提供依據。

2.技術路線

本項目采用輕型固定翼無人機搭載索尼數碼相機獲取數字影像，獲取河道及建筑物影像，根據像控成果進行空三加密，生成DSM和DOM，從而在數字攝影測量系統中建立立體模型，并采集各種地形、地物要素，在南方CASS軟件環境下，進行矢量數據的編輯和整飾，最終形成數字線劃圖（DLG）成果。

無人機航攝系統測繪的總體技術流程（如圖1所示）：

圖1 總體技術流程

3.航空攝影

3.1 無人機航測

3.1.1 資料收集和方案選擇

根據技術要求確定此次航測的作業范圍，收集航飛區域內的地形地貌、植被、重要設施、周邊機場、道路交通、城鎮布局、人口密度等信息以及國家控制點、影像圖資料、地形圖以及氣象、水文等資料，為分析、研究并制定最佳的測繪作業實施方案做準備。

3.1.2 實地勘察和方案制定

作業人員要對作業區域進行實地踏勘，根據實際情況，制定詳細的飛行技術方案。無人機飛行起降場地的選擇，要充分考慮飛行場地的寬度、飛行的風向、場地的凈空范圍、飛行通視等情況。

3.1.3 航線規劃

根據飛行任務和低空數字攝影規范，結合天氣、地形等各種因素，通過地面軟件對航線進行設計，確定航攝比例尺，計算航間距、航行速度以及航飛高度，預估航飛架次，采用垂直升降方式起降。飛行時天氣晴朗，測區能見度良好。

3.1.4 飛行檢查

每次起飛之前，需仔細檢查系統設備的工作狀態是否正常；飛行時，保持航高、最大航高和最小航高差，不大于規范限差；飛行結束，要對旁向重疊、航向重疊等要素進行檢查，不符合技術要求的產品，及時補攝、重攝；每次飛行結束要填寫航飛記錄表。

3.1.5 航攝基本要求

3.1.5.1 航攝分區航攝區域分為南、北、東三個區。

3.1.5.2 比例尺與影像地面分辨率的關系（如表1所示）：

表1 比例尺與影像地面分辨率的對應關系

3.1.5.3 基準面和航高確定

攝影基準面、相對航高、絕對航高按公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）計算：

式中，h基為 基準面高度；h高平均、h低平均為分區內具有代表性的高點高程和低點高程；n為高點高程或低點高程的個數；

式中，H為相對航高；M為攝影比例尺分母；F為焦距；

式中，H0為飛機攝影時的海拔高度（絕對航高）；h為基準面高度。

3.1.5.4 攝區覆蓋保證

在航攝重疊范圍滿足主要技術要求的前提下，航向、旁向攝影范圍的選取由設計軟件自動向外擴展，保證滿足航攝覆蓋。一般航向覆蓋超出攝區邊界線大于2條基線，旁向覆蓋超出攝區邊界線大于像幅的50%。

3.1.6 航攝質量檢查

航空攝影區域面積約200 km2（長224km、寬1km），無人機航飛結束后，無人機機體無損傷，飛行質量和影像質量均達標。像片重疊度：航向重疊度為63%，旁向重疊度為55%；像片傾斜角：飛行最大仰角為2.5°，最大滾轉角為3.5°，不大于規范的5°；像片旋偏角：最大像片旋偏角為5°，小于規范最大像片旋偏角不大于15°。同一航線上相鄰像片的航高差最大為8m，最大航高與最小航高之差為20m，小于單航線最大航高變化不大于30m和全架次最大航高變化不大于50m的要求。

3.2 像控測量

3.2.1 像控點的平面測量

平面坐標采用山西省連續運行基準網及綜合服務系統（SXCORS）的網絡RTK測量的方法。RTK直接接收網絡信號，通過SXCORS系統解算，計算出2000國家大地坐標系坐標。像控點相對于鄰近等級控制點的點位中誤差均不大于圖上0.1mm。

3.2.2 像控點的高程測量

高程控制采用基于大地水準面精化模型的GNSS高程測量。依據采集系統提供的BLH，經山西省測繪地理信息院CORS系統轉換為1985國家高程基準，像控點高程中誤差不大于1∕10等高距，依據規范《水利水電工程測量規范》表5.5.1其精度可以達到四等精度。

3.3 數據處理

利用PIX4D軟件進行空三加密，生成DSM（數字表面模型）點，通過處理數字表面模型點得到數字高程模型（DEM）數據，然后利用高程模型數據對影像進行影像糾正及鑲嵌，快速生成DOM。

初始影像位置及調整后位置（如圖2、圖3所示）：

圖2 初始影像圖像位置

圖3 計算圖像/GCP/手動調整節點位置

自動處理完成后生成空三成果、DSM和DOM初步成果，通過調整拼接、投影切換、混合影像對DOM編輯制作生成最終的正射影像成果（如圖4所示）：

圖4 處理完成后的最終正射影像成果

對航空攝影成果進行了質量檢查，DOM影像灰度直方圖基本呈正態形狀分布，影像色調均衡、層次分明、反差適中，色彩不失真；鑲嵌后的DOM無明顯拼接痕跡、紋理清晰、過渡自然、無重影、紋理斷裂或模糊等現象；DOM上的地物地貌真實，無扭曲變形，無噪聲等缺陷。最終航攝資料完整，項目內容齊全，提供的攝區相應分辨率的影像數據資料，能夠滿足后續數字攝影測量生產使用需要。

3.4 質量和精度分析

質量和精度分析主要是對空三像控點及加密點的平面中誤差和高程中誤差進行分析評定。

空三像控點的平面、高程中誤差計算按公式（6），誤差統計結果（如表2所示）：

表2 空三像控點誤差及中誤差統計表

像控點平面位置中誤差和高程位置中誤差限差（如表3所示）：

表3 像控點平面位置中誤差和高程位置中誤差限差

從上述可知，此次航攝影像數據處理像控點精度均滿足規范要求。

3.5 數字線劃圖制作

3.5.1 外業調繪

采用先內后外的作業模式，影像上清晰的地物、地貌可由內業成圖時測繪，野外調繪只調繪影像不清晰和不能看到的地物、地貌，應重點調繪獨立地物、岸上的航標燈、電桿、水井、水窯、窯洞、管線、道路、水系、植被、注記、新增居民地、建筑物、防洪堤、進水閘等水利專業要素等。

（1）各類圖式符號的規格、尺寸、定位點、定位線及注記執行《GB-T20257.1-2017國家基本比例尺地圖圖式第1部分：1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖圖式》相關規定。

（2）在像片上能分辨出各種地物性質的，只做數量與性質說明，位置和形狀在內業立體模型上采集。

（3）航測后已變化的地物和不需要表示出來的地物，在像片上用紅色“×”劃去，大范圍變化區域用紅線圈起來，并加以說明。

（4）調繪需反映現狀，對于圖片模糊、地物被影像或陰影遮蓋（包括無明顯影像的獨立地物）要到實地量取，無法量取時需實地補測。

（5）房屋調繪需標注房屋層數。

（6）正在建設或施工的區域要用范圍線表示。

（7）調繪人員需在調繪圖上簽名，便于追溯和質量跟蹤。

（8）不讓作業員進入的保密單位、部隊和拒測單位，用內業數據表示即可。

3.5.2 外業補測

檢查各種地物、地貌的準確性、完整性和合理性，并對錯誤逐個剔除和更正，不完整的地物、地貌補測完整，不合理的地物、地貌修改合理。新增地物在調繪時補測，要量測到中心點或中心線位置，還需注意其方向和形狀大小。

3.5.3 內業編輯

數字線劃圖數據編輯在CASS9.1軟件下進行。經過外業調繪和補測，采用數字地形圖編輯軟件，對外業采集的數據進行編輯整理，內業編輯完成后進行數據自動檢查和歸層，回放圖和外業調繪圖進行對照，發現漏繪的、錯繪的、表示不合理的均用紅筆標出，并進行外業巡視檢查，進行二次編輯修改成圖。

3.5.4 無人機航攝系統大比例尺地形圖成圖精度評定

項目完成后，對1∶2000線劃地形圖（185幅）及索引圖（7幅）進行了圖面檢查：圖式符號運用正確，各要素綜合取舍得當，圖面清晰易讀、層次分明，成果質量及精度符合規范要求。并抽取了25幅地形圖進行了外業抽檢，檢查圖幅占總圖幅數的13.5%，大于規范10%的要求。

3.5.5 地形圖平面精度評定

質量評定的過程中，重點對線劃圖平面精度、高程點注記精度進行評定。共計128個平面檢查點，精度統計（如表4所示）：

表4 平面、高程檢查點精度統計表

地物平面位置中誤差和高程注記點高程中誤差規范要求限差（如表5所示）：

表5 地物平面位置中誤差和高程注記點高程中誤差規范要求限差

此次無人機航測地形圖測量的平面和高程中誤差精度均滿足1∶2000地形圖的精度要求。

4.結束語

無人機航空攝影技術具有機動、靈活、操作簡單、精度高、成本降低等優點，已逐漸成為測繪領域新的首選，就以該項目為例，使用該技術，大大減少了數字化測圖的工作量，外業調繪量也降低65%以上，精度完全滿足規范要求，改變了傳統測量的工作模式，為水利工程大比例尺地形圖的測繪提供了新的技術手段。