無人機技術在潮南區龜頭海水閘工程中的應用

唐雙平

（廣東珠榮工程設計有限公司勘察測繪部，廣州 510610）

1 工程概述

新建龜頭海閘站工程是一宗以擋洪擋潮為主、結合排澇、通航的綜合水利工程。初擬閘址位于龜頭海支流與練江干流匯入口上游1500m 處，控制集水面積110.88km2。閘址處龜頭海支流主河道寬約235m，河道底高程為-2.0～-3.7m。

本工程為方案規劃階段，現階段需對擬建水閘工程范圍內的河流、田間地形高程及相關建筑物高程進行航拍及測量。航拍的主要任務是對河道（龜頭海支流、半港河、大寮港北港、大寮港南港、伯公頭港以及新壇港等河道）、片域（擬建閘址附近片區）、及其他范圍（如沿井田公路、林木分布）進行測繪，并對海門灣橋閘、半港水閘、大寮水閘、伯公頭水閘、新壇水閘以及隴田澇區泵站等建筑物的特征高程進行測量。

無人機航測系統組成復雜，航測系統在眾多領域有非常重要的應用，如土地利用率監測、礦產監測、地質環境監測、海洋資源探測、林木草場監測等等[1-3]。本次研究基于龜頭海閘站水利工程的新建，在介紹航測方案的同時為業界提供測量經驗。

2 無人機航測技術在水閘新建工程中的應用分析

2.1 測量中的應用優勢

一般情況下，利用無人機航攝的方法進行測量所選定的區域都是復雜區域、無人區域等地理條件比較復雜的地區，對所要求的測量區域內，高度差不能過大。在水利工程中進行測量時，滿足精度的要求下，盡量避免人工測量，因為人工測繪的難度比較大，而且比較危險。在此情況下，選用無人機低空航攝就可以有效的解決測繪問題，另一方面，通過高分辨率的攝像頭對地面進行拍攝，以影像預感的方式進行地形圖測繪，再對攝像系統搭配以不同的測量設備，在提高測圖效率的同時，通過簡單地操作高效的保證了高精度的測量任務[4-6]。

2.2 無人機采集影響的內業數據處理技術

2.2.1 影像糾偏處理技術

無人機在低空航攝所拍到的照片會受到地面物體高度差及成像的角度差等影響，此時處于中間位置處的畸變就會比較小，但在成像的邊緣位置處的局變就會比較大，從而使得在相片上的每一個像點的比例都不盡相同。在此情況下，影像糾偏技術隨之應用而生，此技術是通過對相機檢測內方位元素進行計算，處理變形值，以使得圖像能從中心投影的形式變為正投影[7-9]。

2.2.2 空三加密處理技術

目前應用最廣泛的各種空三加密軟件的具體使用方法、步驟是基本差不多的，主要包括新建工程、導入航攝數據、航帶生成、同名點提取、刺點測量及精度評估等操作。

2.2.3 DLG生產技術

數字化生產作為攝影測量的最終呈現結果，往往使用比較專業的制作軟件進行DEM、DOM 等數據生成。基于數據處理軟件的數據基礎，對三維模型點進行捕捉，同時生產DLG。

2.3 水利工程測量的外業調查測繪技術

2.3.1 建筑物測量

水利工程中采用無人機低空航攝的方式進行測量，由于測量精度受到限制，因此需要對工程實際中一些測量不周的主要區域進行補充測量，使其滿足工程測量的基本要求。往往需要對水庫壩頂高程、平面橋梁高程、水位高程及臨水位高程等等。

2.3.2 地形圖調繪

地形圖的繪制只要是結合專業的繪圖軟件對測量區域進行實地測繪，次部分中的工作主要是對測量區域內的建筑特性、通信協議線路、電力線路布局、交通設施等工程進行確定，在調繪的同時結合先進的技術對管線設施也展開測量工作[10-11]。

2.4 低空航攝應用優化措施

低空航攝技術在水利工程中獲得了較好的應用效果，但如若想在此領域內繼續提高，還應繼續深入鉆研測量技術。可以通過學習國外無人機技術的先進成果，以加強水利工程方面的應用能力。同時應擴充團隊的專業水平，加強技術人員的技能培訓、安全操作培訓及意外事故應急培訓等，最大程度上保證無人機的航測準確性。

3 作業方案

本文以無人機航攝技術在潮南區龜頭海水閘新建工程中的應用為例，本次航測系統主要實施了7 個架次的航攝工作，航攝平面控制主要布置四級GPS 網絡，一共埋設了4×6 個GPS 標設點位，相近的不同航線之間跨設8～12 條基線。

本工程中主要應用GPS-RTK 進行控點布置，信度為99.9%。在HEMS ≤0.02m，VRMS ≤0.02m時對數據進行采集，最終采用測量均值作為記錄結果。航攝主要采用7 個架次的無人機同時進行，航攝儀選用Canon SD.M，其對地面的分辨為17cm，航攝內采用空三加密的Inphor Vituozo NT3.5 對地面地形要素進行采集，采集到主要數據點用CASS9.1 地形成圖軟件編輯。

4 實施概述

以本次新建的潮南區龜頭海水閘工程為實施背景，對航攝所得到的結果及空三測量等數據展開分析。

4.1 低空攝影測量

本次航攝采用七架Camon EOS 5D Mark I 航攝儀，累計總航線為36，相片底張3383 張，航測的結果統計，如表1 所示：

表1 航測結果統計

由上表測量結果可知，航攝圖片的傾角＜4.5°，且旋偏角＜150°，在實際航行過程中，相同航線的不同航次高程差控制在30m 之內，顯示航線偏距≤1cm。根據上述結果可以觀察到，航攝質量是符合國家航測標準規定的。

4.2 “空三”測量

該流程主要是基于Inpho 軟件，利用JPG 格式的像控片和標記說明，并搭配XLS 格式的成果表格，再適配Virtu 的數攝技術對測量結果進行加密。由于該工程的工期較緊張，為了最大程度的趕制工期，在進行數據加密時采用獨立加密的方式，對航攝的不同區域內進行獨立出圖，大大提升了作業的效率。采用7 個架次的航線進行分區加密。

4.2.1 加密點量測和解算

加密點盡量布置在6°航帶節點上，將模型連接差降至最低，按標準進行強度檢測，在缺少的點進行補點。由于航攝比例均為1:23000，所以對加密所使用的人工切準精度問題需進行第二檢驗人的合適檢查，通過此流程來提高切準可靠性。

4.2.2 平差解算

運用Inpho 系統自帶的平差軟件進行計算。將區域網平差化，通過剔除粗差、迭代處理、人工編輯等步驟以提高精確程度。

4.2.3 質量控制

加密過程關鍵是針對性的進行質量控制，檢查大概內容包括：航片畸變糾正、信息文件的設置、相機文件的設置等。

4.2.4 質量檢查

表2 列出了本次航攝中的精度統計數據，由此數據表可以得到：平面位置最大差值、最小差值分別為為0.313m、0.066m，高程差最大值、最小值分別為0.162m、0.035m，通過上述數據可看出，此模型連接的精度比較高，是滿足該項目的規范要求的。本項目空三加密精度統計見表3。

表2 連接較差統計

表3 空三加密精度統計

經過上述結果的匯總統計，加密成果是符合規范要求的，由此可見成圖的精度是比較高的，這也完全滿足其工程上的需要。根據統計結果可以看出，本工程無人機低空航攝的測量系統在實際應用中完全可靠。

5 DOM 成果質量檢查

5.1 像控點檢查

潮南區龜頭海水閘新建工程中利用RTK 在整個需要測控的區域內布置了118 個厘米級的控制像點，并對DOM 進行影像糾正，此過程采用了90 個像控點進行，其余的28 個地面像控點對影像的糾正采用DOM 進行檢查，像控點的誤差mD=±0.037m。

標準文件中要求比例尺為1:1000 的DOM 像控點中誤差應為0.1mm（實地誤差0.1m）。由上表的數據統計結果可以看出，誤差僅為0.037m，該值遠小于中誤差的一半，由此可見本次工程中像控點的精度比較高，觀測到的數據準確可信。

5.2 DOM 地物點檢查

在確定完像控點的精度后，本工程中也利用了RTK 對整個測區內的28 個隨機地物點和DOM 圖上的坐標點進行檢查，檢查結果的詳細數據見上表，根據5.1 節中的誤差計算公式可得：mD=0.157m。標準要求比例尺為1:1000 的DOM 點位誤差為圖上的0.6mm（實地誤差0.6m），由上述可知，像控點的中誤差僅為0.157m，遠小于標準中誤差。由此可見，本次項目中的DOM 平面位置精度比較高，DOM 的結果數據準確可靠。

5.3 飛行質量檢查

對本工程主要對航攝的飛行質量進行檢查分析，質檢的工作人員對最后的航攝儀及航攝比例進行正確的選擇，使航攝分區合理，航攝路線正確可行。盡量保證航攝的時間短，對旁向重疊度、相片傾斜角、行高持續時間、航漏補攝、飛行記錄等等進行規范性質量檢查。

5.4 影像質量檢查

質檢人員首先對航攝結果所得的所有影像進行仔細的分析，給出的評價是：整體航攝的影像比較豐富，色彩的反差始終，不存在陰影和云影，也沒有大面積的反光和污點，影像見得拼接處理得當，不存在模糊錯位現象，質量整體較高，符合標準文件規定。

其中，DOM 的制作關鍵因素在于正攝像圖的制作。像控精度是DOM 制作精度的首要保證，所以對像控點位置的選擇便尤為重要。DEM 是DOM的基礎，DEM 的精度也是十分關鍵的，其與像控點的位置、采集精度和刺點精度等都有密不可分的關系，此外還與航攝姿態、重疊度、航旋角及曝光瞬間等因素密切關聯。

6 結語

本研究以無人機在潮南區龜頭海水閘新建工程中的應用情況為背景，首先對工程的情況做簡要概述，在此背景下從影像糾偏處理技術、空三加密處理技術、DLG 生產技術等入手，分析無人機航測技術在水閘新建工程中的具體應用，根據項目的實際實施過程總結出航攝優化措施。

根據實際案例條件出具具體的作業方案，按照方案進行航攝，對空三加密精度、模型計算誤差等結果進行統計分析，尤其需要注意像控點的布設形式，為最大程度減小接邊誤差，盡量采用Inpho 進行自動化處理，采用人機結合的方式進行結果處理，最后對DOM 成果進行質量檢查，得出整個航攝結果是符合國標標準的。