無人機傾斜攝影測量技術在航道測繪中的應用

鄭毅，袁苗

（長江荊州航道處，湖北 荊州 434000）

在航道部門的日常工作中，航道測繪是一項十分重要的工作。通過航道測繪，可以幫助管理部門及時的掌握航道條件變化的最新觀測資料，為研究航道變化、提高航道維護管理質量與水平提供科學依據[1]。隨著無人機技術日益發展，在不同地區航道業務范疇內的應用場景越來越多。新形勢下航道維護管理方式的升級轉型，實現航道巡查的可視化，航道測繪的智能化，為推進航道測繪、航道維護高質量發展提供技術支撐。

1 傾斜攝影測量技術與航道測繪

在航道測量工作中，隨著科學技術的不斷更新換代，測繪外業工作的模式也在不斷優化突破，引進新設備進行學習就成了當前任務的重中之重，只有更好地學會合理搭配運用，使測繪新技術手段更多的應用到實踐中，才能更好地服務航道事業，促進航道測量工作整體效能提升[2]。在航道測量方面，隨著時代的的發展對測繪數據的需求面廣量大、新場景不斷涌現。測繪工作，從過去比較單純的“野外作業+人力操作+繪制二維地形”的“手工活”，轉變成為覆蓋“林、草、湖、河、田”、提供實時“天上、地面、室內、水下”三維數據的高科技含量工作。這些變化，帶來測繪數據采集方式多元化、更新頻率更快、精度更高。高質量、低成本、實時采集數據，成為行業發展趨勢[3]。傾斜攝影測量技術是以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復雜場景，通過高效的數據采集設備及專業的數據處理流程生成的數據成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪級精度提供保證。傾斜攝影技術三維數據可真實反映地物的外觀、位置、高度等屬性，借助無人機，可快速采集影像數據，實現全自動化三維建模，具有成本低、數據獲取準確、操作靈活方便的特點，無人機傾斜攝影系統基本情況如圖所示。

圖1 無人機傾斜攝影系統基本情況示意圖

2 航道測繪中無人機傾斜攝影測量技術的應用

2.1 研究區域選擇

本次研究的地點選擇湖北省石首市藕池口水道，主要關注點位堤壩、碼頭等特征點及整治建筑物。該轄區航道屬于重點淺險水道，灘涂和石礁較多，且雜草叢生，對航道測量和航道整治建筑物觀測帶來不便。隨著無人機技術的普及和應用，該局航道測繪人員積極探索研究無人機測量，利用無人機系統攜帶的數碼相機、數字彩色航攝相機等設備快速獲取整治建筑物和航道沿岸地形的攝影數據，獲取超高分辨率數字影像和高精度定位數據，生成DEM、三維正射影像圖、三維景觀模型、三維地表模型等二維、三維可視化數據，方便圖形處理和圖形數據比對。無人機航道觀測技術是基于航道內整治建筑物、航道沿岸地形測繪的新型技術，針對航道內整治建筑物易受氣候水位的影響，傳統人工測量觀測會受到環境因素的影響，無法到達需要觀測的區域進行數據收集而研發的新型航空攝影測繪的技術[4]。在本次航道測繪中，選擇應用六旋翼無人機掛載傾斜五相機進行大面積傾斜拍攝，使用經緯M300 無人機對主要建筑物進行高精度補拍。兩架無人機均加裝了北斗信號采集單元，連接當地海事測繪中心的北斗CORS 網。測繪結束進行三維建模，并將建模結果與原始現場測繪結果進行對比，分析航道測繪的精度和效果。

2.2 無人機準備及航線規劃

本次研究中，結合當地的氣象條件，選擇合適的時間開展飛行試驗。試驗當天天氣陰，氣象條件良好，風力2～3 級，能見度良好，可以滿足無人機航攝作業的需求。所使用的的經緯M300 無人機最大圖傳距離15 公里，最高時速為每小時82 公里。六旋翼無人機與經緯M300無人機航線相關參數設計情況如表1 所示：

表1 無人機與經緯M300 航線相關參數設計

2.3 控制點采集及數據處理

本試驗利用當地海事測繪中心的北斗CORS 網，共采集了20 個控制點。在數據處理過程中選擇了3 個作為控制點，其余點作為檢核點，分布如圖2、3。在對所獲得的數據進行處理的時候，選擇使用pix4D 2.0 軟件。pix4D 2.0 軟件是一款專業的航空攝影測量軟件，可以實現無人機自動航測功能，集全自動、快速、專業精度等多功能于一體。該軟件支持無人機數據，還支持航片、傾斜攝影測量和近景攝影測量，擁有自動正射影像的功能，可以開展三維建模操作，利用無人機采集數據、航拍、測量后，可以應用該軟件進行三維的建模[5]。

圖2 控制點

圖3 檢核點

2.4 試驗結果

在完成對所得數據的處理之后，將正射以及傾斜影像的自動聯合空中三角測量，將影像資料通過軟件處理達到模型原材料數據，把數據導入pix4D 2.0 軟件之中實景三維模型，最終可以構建出具有真實感的三維模型。為檢驗無人機傾斜攝影技術的測繪效果，選擇將其測繪的精度進行分析。在分析中，首先對模型特征點與17個CORS 采集點進行比較，通過數據結果的分析可以了解到，相應的誤差和最小絕對誤差以及最大絕對誤差等均處于相對較低的狀態，提示此次研究中所購進的模型具有較高的準確度。

之后，將三維模型坐標點與原始現場測繪平面坐標圖上18 個檢查點實施對比分析，獲得檢查點的誤差情況，通過比較發現，三維模型坐標點與原地形圖之間在點位精度方面存在一定的差異。綜合分析相關原因，可能是因為原圖的精度不高。最終分析可知，此次研究所提出的測繪方法與構建的模型均具有良好的效果。

2.5 結果分析

在此次試驗中，應用無人機以及傾斜攝影技術對一定范圍內的航道進行數字化測繪。對碼頭三維建模，并與實地測繪結果比較分析，探索無人機技術在航道測繪領域的應用模式。在試驗中，通過無人機測量，為傳統測量手段提供了有力的補充。總體來看，本次研究中應用的無人機航測航拍具有機動靈活、數據采集效率高、作業成本低等特點，能夠獲取高清晰、大比例尺、高現勢性的影像資料，可以大幅降低外業測量人員勞動強度和野外作業安全風險[6]。和傳統測繪方法相比較，在航道測繪工作中應用無人機技術以及傾斜攝影測量技術，整體測繪的速度較快，效率較高，能夠進行大比例尺制圖。

3 小結

無人機傾斜攝影技術作為一種新型三維建模技術，現階段已經成為地理信息采集和三維場景構建的重要手段，為航道測繪與管理三維建模提供了新的技術方向。通過本文的分析我們可以發現，無人機傾斜攝影技術應用于航道測繪可以獲得理想效果，本次研究也可以為今后無人機在航道測繪等方面的應用奠定一定的技術基礎。