基于涉河項目調查的無人機航測技術應用

高大鵬

(阜新市水利局，遼寧 阜新 123000)

近年來，隨著經濟的高速發(fā)展以及城市建設速度的加快，從單一的水利行業(yè)涉河項目已實現向多行業(yè)、多領域的擴展，涉及房地產開發(fā)、石油天然氣、電力通信、工業(yè)生產、交通、航運、水利等諸多領域。同時，相繼出現的監(jiān)管工作不匹配、未嚴格按照批復建設、“未批先建”等問題，對河流行洪安全和沿河居民安全構成潛在的威脅。因此，高效運用各種新型科技，正成為推進水利工作數字化發(fā)展與流域水環(huán)境有效整治的主流。無人機航測技術具有成本低、分辨率高、機動靈活等特點，在涉河項目調查、水環(huán)境污染、干旱缺水、洪澇災害等相關領域中擁有得到獨厚的優(yōu)勢，將其應用于水利行業(yè)中能夠發(fā)揮不可替代的作用[1-2]。文章以細河干流阜新段為例，在涉河項目調查中深入探討了無人機航測技術的實現過程。

1 無人機航測優(yōu)勢

在河道管轄范圍內實施涉河項目現狀調查，主要是掌握涉河項目的數量、位置、名稱、類型等相關信息。無人機航測技術可以提取高精度正射影像(DOM)，并運用正射影像直觀地獲取整個河道管理范圍內所有涉河項目的數量、面積、位置等信息[3]。無人機航測技術相對于全野外采集的傳統(tǒng)全站儀和GPS作業(yè)模式，具有明顯降低經濟投入成本、縮減野外工作量與時間、采集數據更新周期短、操作流程簡單等特點，涉河項目現狀調查中所表現出的具體優(yōu)勢如下：

1)現勢性：無人機能夠快速更新采集的數據，其反應速度迅速。在短時間內，經圖像后處理可實現成果信息的快速生成，及時為用戶提供決策依據[4]。

2)高效性：無人機航測技術與傳統(tǒng)的作業(yè)方法相比，可將大量的野外作業(yè)轉入內業(yè)以提高作業(yè)精度與效率。

3)便捷性：無人機航測可以有效解決數據采集工作效率低的問題，對特別復雜場景作業(yè)模式下，能夠大大提高其安全性，避免作業(yè)人員受到傷害。

4)成本低：無人機航測提高了作業(yè)效率，在明顯縮減野外工作量的同時降低了項目的勞動成本，其經濟投入以及時間成本較低。

2 無人機航測系統(tǒng)

無人機航測系統(tǒng)是一種借助無線通訊、慣性導航、衛(wèi)星導航、飛行控制等技術，以無人駕駛飛機為平臺搭載小型影像傳感器實現低空航攝飛行和地面數字影像的快速處理，以及影像后處理的集成系統(tǒng)，其存在精度高、適用性強、成本低、生產周期短及機動靈活等特點[5]。

2.1 無人機平臺

本項目利用集成了差分定位技術的電動固定翼式無人機，型號為KC1600型，該無人機可以快速處理后期數據，對相機拍攝時的位置信息進行及時準確的獲取，技術參數見表1。

表1 無人機技術參數

2.2 影像傳感器

該無人機航測系統(tǒng)選用全畫幅微單非量測索尼NEX-7相機作為影像傳感器，考慮到非量測相機沒有框標，且不能記錄內方位元素，所以必須校驗相機參數，從而滿足數據處理以及攝影測量需求。

2.3 后處理軟件

以INPHO軟件的Ortho Vista模塊和Pix4Dmapper軟件作為攝影測量后處理軟件，Ortho Vista模塊可以分幅輸出、勻光勻色、自動鑲嵌來源任意的數字正射影像，具有自動處理、操作簡便等特點。此外，將影像數據利用Pix Dmapper軟件可快速轉變成精度較高且符合要求的產品形式。

2.4 航測流程

將無人機航測系統(tǒng)應用于涉河項目現狀調查，主要包括DOM制作、空三加密、影像控制測量、無人機航空攝影、航線設計、航區(qū)規(guī)劃等流程，如圖1所示。

圖1 無人機航測系統(tǒng)調查流程

步驟1：相機校驗。在使用、運輸過程中產生劇烈振動或按規(guī)范要求快門曝光次數超過20 000次以后，必須用專門的軟件重新校驗相機以獲取光學畸變差、主點坐標、焦距等參數。

步驟2：航線設計與航區(qū)規(guī)劃。航線設計過程中，為提高工作效率可以按照“S”字型沿河道走向設計，航區(qū)規(guī)劃時要充分考慮地形高差以及河流彎曲走向趨勢。

步驟3：布測像控點。在遵循盡量共用、測區(qū)內均勻分布、易于立體測量與判刺、目標影像清晰等原則的基礎上合理布設像控點，科學運用網絡RTK技術完成測量。

步驟4：航空攝影。航攝之前要全面考慮風力等級、光照條件、大氣透明度等因素合理設定航攝時間，為了選取合適的起降場地還應實地勘探現場情況。

步驟5：空中三角測量。將空中三角測量區(qū)域網與光束法相結合進行空三加密，該方法可以利用逐點加算的方式修正地球曲率的影響，以及因大氣折光、攝像材料變形、航攝機物鏡畸變等物理因素造成的像點誤差，在大大降低測量野外控制點工作量的情況下，實現加密精度的顯著提升。

步驟6：DOM制作：針對影像數字分幅裁剪、鑲嵌、勻光勻色、微分糾正等工作可以用INPHO軟件的Ortho Vsta模塊完成。

3 實例應用

3.1 內外業(yè)航測

阿哈來河是柳河右岸一級支流，發(fā)源于遼寧省阜新縣八家子鄉(xiāng)七家子村，流經遼寧省阜 新縣，在遼寧省阜新縣舊廟鎮(zhèn)哈四村匯入柳河。流域面積 568km2，河流長度 53km，該河流洪水暴漲暴落，具有山溪型河流特征。以細河干流阜新段為例，在涉河項目調查中深入探討了無人機航測技術的實現過程，具體如下：

1)無人機航攝。考慮河道采砂和涉河項目建設情況，將細河干流阜新段劃分成10個航攝分區(qū)，起降10個架次無人機共獲取3126張影像。設定的航拍地面分辨率為8cm，旁向與航向重疊度為60%、75%，成圖比例尺1∶1000，相對航高與航線間距582m、295m，攝影基線長95m。

2)像控點測量與布設。對于項目位置精度，涉河項目現狀調查的有關要求不高，所以可沿河流走向在河道兩岸每隔2km布設一對像控點。此外，為符合DOM鑲嵌精度要求及像控點盡量共用的原則，可以適當增加航線重疊接合處的像控點，本項目共布設56個全部為平高點的像控點，運用網絡RTK技術按照相關技術規(guī)范完成像控點測量。

3)空中三角測量。該方法主要是在室內對野外測量的少量控制點進行加密，從而獲取其平面位置與高程。主要包括絕對定向(區(qū)域網平差)、像控點轉刺、相對定向(同名像點自動匹配)等步驟。采用空中三角測量每個航測分區(qū)時，所應用到的軟件為Pix4Dmapper，從而獲取數字正射影像圖反映各航測分區(qū)的實際情況。

4)DOM制作。采用Pix4Dmapper軟件和INPHO軟件的Ortho Vista模塊完成每個航攝分區(qū)數字正射影響的提取及其分幅、鑲嵌、重采樣、勻光勻色等處理。其中，勻光勻色處理能夠使數字影像間的層次更加分明、反差適中、色調均勻，即縮小色調差異?？紤]實際要求，采用0.2m的間距完成重采樣處理，選擇合適的鑲嵌線保證數字正射影像鑲嵌后紋理清晰、自然過度、拼接痕跡不明顯。結合河流走向彎曲且為條帶狀數字正射影像的實際情況，為了防止出現對圖幅標準分幅過程中僅有少部分數據的情況，可對正射影響利用自由分幅的方式處理。

3.2 涉河項目調查

內業(yè)調查、外業(yè)調查為涉河項目調查的兩大內容，其中內業(yè)調查是在數字正射影像上利用數字采集軟件獲取涉河項目的屬性、面積、數量、位置等信息；外業(yè)調查主要是補充影像中遺漏的涉河項目及其屬性，通過統(tǒng)計分析內外業(yè)調查資料形成涉河項目統(tǒng)計成果。

3.3 在河長制工作中發(fā)揮的作用

無人機航測作為一種新興的測繪技術，在小區(qū)域地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢，這是河道監(jiān)管手段的有力補充。對河長巡河無人機“天眼”將發(fā)揮有益補充作用，推進巡河智慧水務新模式的開啟。此外，綜合“無人機+大數據”平臺，通過設置河流水情、水質、排污、漂浮物等監(jiān)測站點，運用科技手段形成人機、空地相結合的新型巡河模式，讓無人機無死角、全范圍的觀察河涌情況，發(fā)揮“巡河員”的作用。對違章建筑、排污口、水面漂浮物等一覽無余，采用在線監(jiān)控、無人機航拍技術實時動態(tài)監(jiān)測水環(huán)境、水生態(tài)和水質變化狀況，將實時數據和畫面納入智慧河長管理信息平臺，可以作為歷史資料留存。未來，還可用于治理效果測評或潛在隱患的及時發(fā)現。

4 結 論

文章結合遙感、無人機等現代測繪手段，在分析傳統(tǒng)涉河項目現狀調查工作模式的基礎上設計了一種無人機航測技術方案。無人機航測技術能夠將大量的野外作業(yè)轉入內業(yè)，借助INPHO、Pix4 Dmapper等專業(yè)攝影測量軟件實現調查區(qū)域內正射影響數據的大范圍快速提取，通過處理獲取的正射影像數據形成高精度的矢量數據和調查區(qū)域影像成果，為河道管理決策提供數據保障與參考依據。在項目實施過程中應用無人機航測的復雜場景數據調查、成本低、機動靈活、高效便捷等優(yōu)勢，可以大大縮減野外調查工作量和數據的工薪周期，在提高調查工作效率的同時降低項目的實施成本。

總體而言，隨著續(xù)航、精度、傳感器等技術的不斷發(fā)展，在水利工程領域無人機航測所發(fā)揮的重要作用日趨突出，為水資源合理開發(fā)、水環(huán)境監(jiān)測和水利項目管理等提供強有力的技術支持。