無人機攝影測量在丹江口大壩庫區地形測量中的應用

魏工哲　周浩　池曉壯

摘要：傳統的水利測繪方法受高差大、水面多、河岸呈帶狀等不利環境因素限制，效率較低。無人機攝影測量因其影像質量高、作業效率高等優勢，在水利測繪領域逐漸受到重視?；跓o人機攝影測量理論和技術，系統歸納了無人機攝影測量內外業數據處理流程，使用華測P330Pro電動垂起固定翼無人機對丹江口大壩庫區部分地區進行免像控大比例地形圖測繪，制作大壩及兩岸DOM模型，并分析了成果數據精度。結果表明：影像精度水平誤差在10 cm范圍內，滿足精度指標。該方法的內外業總計平均人力為8人/d，相比傳統單鏡頭無人機測繪節省40%，同時節省了30%成本，測繪效率顯著提升。

關鍵詞：垂起固定翼無人機； 地形測量； 大比例尺測繪； 水利測繪； 丹江口大壩

中圖法分類號：P231

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.005

文章編號：1006-0081（2023）12-0031-05

0引言

中國重視水利設施建設，投資力度大，工程和非工程措施協同實施，水利治理能力不斷提升。經過多年建設，中國已逐步形成了較為完備的防洪工程和非工程體系，大江大河已經基本具備防御新中國成立以來實際發生的最大洪水能力［1］。水利樞紐工程在防洪、供水、生態等方面產生綜合效益，因此保證水庫安全平穩運行對社會經濟發展具有重要意義。水利測繪能夠獲取水庫地形，采集水域和大壩等相關數據，有利于水利設施監測管理和安全防護。受到高差大、水面多、河岸呈帶狀等不利環境因素的限制，傳統水利測繪方法效率較低，數據質量難以保證，人力、物力成本較高，存在外業安全風險。無人機低空遙感因其靈活性高、數據質量好、作業效率高、成本經濟等優勢，在水利測繪領域逐漸受到重視，目前已經在洪水應急監測［2］、庫區岸線監測［3］、水庫地形測繪［4］等領域成功應用。其中，水庫地形測量通常有無人機機載雷達和無人機攝影測量兩種方法。在測量實踐中，機載雷達方法存在數據量大、內業處理耗時長、坐標系轉換復雜、操作技術要求高等問題［5］，而一般的無人機攝影測量方法多搭載非量測型、單鏡頭數碼相機，存在像幅小、影像畸變大等問題，影響測量精度［6］。

本文以丹江口大壩庫區地形測量為例，介紹無人機攝影測量的關鍵技術，設計無人機攝影測量方法在大壩監測中應用的技術路線，基于固定翼無人機搭載傾斜五鏡頭系統實現丹江口水庫地形測量，提高作業效率和測量精度，為水利測繪提供技術參考。

1無人機測繪概述

1.1技術優勢

無人機通常是指由無線電遙控設備或自身程序控制裝置操縱，具有一定自主導航、自主駕駛能力的飛行器［7］。無人機技術具備如下優勢：

（1） 便攜性。因無人機具有體積小、無需跑道起飛、測量時速最高可達400 km /h等優勢，可快速進行大面積測繪，相比傳統測繪技術手段更便攜。

（2） 高精度。目前無人機測繪的飛行高度一般為50～6 000 m，對部分精度要求更高的項目也可進行仿地飛行。因此，相比于衛星航天遙感，無人機測繪地面分辨率甚至可超過5 cm。

（3） 自動化。當前無人機地面操作系統基本已集成自動生成航線、自動飛行，甚至配備數據后解算等數據處理功能，由過去的“人工飛行”轉變為“無人駕駛飛行”。

1.2關鍵技術

依據無人機傾斜攝影測量理論和技術規范，結合生產作業實際，制定技術路線，如圖1所示。技術路線主要包括4個步驟，即準備階段、外業數據采集、內業數據預處理和內業數據后處理。其中，需要重點考量幾項關鍵流程，包括像控點布設、傾斜攝影測量平臺設定、飛行航線設計、像控點測量、空三解算、實景三維建模及邊界識別與提?。?］。像控點的布設應以開闊地、紋理明顯或有較強區分度的標志性建筑角度為佳。攝影測量系統不僅要考慮飛行平臺的穩定性與續航時間，還要考慮傳感器波段數、焦距、POS數據（Position and Orientation System，傳感器每個時刻的空間位置和姿態信息）采集能力等主要指標［9］。飛控平臺參數設置一般按照CHZ 3005-2010《低空數字航空攝影規范》規定，即航向重疊率應不低于53%，旁向重疊率應不低于8%，通常分別設置為60%～80%與15%～60%?？紤]地物遮擋和模型形變等問題，航向及旁向重疊率大于75%較適宜［10］。最后，空三解算在初次聯合平差后還需引入同名點匹配來提升空三精度，在像控點中誤差小于0.03 m且無明顯分層斷層錯位情況發生時，則可認為滿足精度要求［11-12］。

2應用實例

2.1測區概況

丹江口水庫位于湖北省丹江口市，是南水北調中線一期工程供水水源地，承擔防洪、供水等任務。丹江口大壩在漢江與其支流丹江匯合口下游800 m處，壩頂高程176.6 m，正常蓄水位170.0 m，總庫容319.5億m³。水工建筑物由混凝土壩、電站廠房 、升船機提升系統及上游30 km的兩座引水渠道組成。丹江口水利樞紐在調節蓄水、保障用水安全的同時，具有生態、發電、航運等綜合效益［13］。

測區現場高差較大，大壩頂端離水面有近百米。大壩上下游航道岸邊有120 m以上的高差。部分地區人員無法到達，因此部分地區使用免像控測量方法。此外，測區內有約70%以上水域，對后期建模有很大影響。

2.2軟硬件選擇及參數設置

此次作業選用上海華測導航技術股份有限公司生產的P330Pro垂起固定翼無人機，搭載華測HC15全畫幅正射相機，相應的無人機及相機參數見表1，2。

依據項目精度，結合現場實際情況，此次航線飛行高度設置為200 m，航線重疊度75%，旁向重疊度75%，外擴距離200 m。

對于無人機攝影測量，影像分辨率通常指地面采樣距離（Ground Sampling Distance，GSD），表示數字影像中單個像元對應的地面尺寸。本次作業地面采樣距離依據公式（1）設置為2.3 cm/像素。

P_GSD=Ha／f（1）

式中：P_GSD為地面采樣距離，cm/像素；

H為飛行高度，m；

a為像元尺寸，mm/像素;

f為相機焦距，mm。

實測當日風向西北，風速2～3級。為使測繪效率最大化，航線規劃應平行長邊，并依據“順風起，逆風降”原則，規劃航線如圖2所示。

2.3像控點布設

項目坐標系統采用CGCS2000坐標系，高程系統采用1985國家高程基準，PGSD要求3 cm/像素，平面精度需要滿足20 cm，要求獲取大壩及河道兩岸DOM數字正射影像和傾斜模型。因作業測區長約4 km，寬約1 km，整體呈梯形，按航測1∶1 000項目要求，需要按照距離小于500 m一個點均勻分布像控點。本文采用GPS實時動態差分定位技術，依據已知基準站接收衛星信號，以流動站形式采用智能中海達IRTK2求得基準站和流動站間的坐標增量，實現實時聯合解算，獲取全部像控點位置信息［14］。

2.4影像處理

將靜態數據（HCN）、無人機端的流動數據（rtcm、mrk）導入到華測數據解算軟件CGO 2.0中進行POS解算，項目后處理選用Context Capture軟件進行影像數據拼接，項目成果如圖3所示。通過空三加密與刺像控點和設置水面約束等處理提升精度，得到圖3（a）所示的原始數字正射影像（DOM）。由于項目水域范圍廣，受弱紋理區域與高差起伏較大等影響，水體部分出現較大空洞。圖3（b）為使用PS軟件對水體部分進行紋理貼圖處理后的成果。對水體、路面和林地部分的空洞進行精細化修復后，得到最終DOM成果，如圖3（c）所示。

3精度檢驗

采用同精度檢測方法，中誤差計算公式為

M=∑ⁿ_i=1Δ²_i／n-1（2）

式中：M為成果中誤差;Δi為較差;n為檢測點（邊）總數。將實際檢測點與DOM、DEM數據分別進行比較，在允許中誤差22倍以內的誤差值均參與數學精度統計，超過允許中誤差22倍的誤差視為粗差［15］。經計算，DOM影像平面精度中誤差為0.041 m，高程中誤差為0.074 m，滿足精度要求。精度檢驗結果見表3。

4結語

丹江口水庫測量任務時間緊、任務重、難度大。采用傳統無人機攝影測量手段無法達到要求，借助部分地區免像控手段與搭載全畫幅五鏡頭相機開展測量。內外業項目總計使用人力平均為8人/d，相比傳統單鏡頭無人機測繪節約40%，成本開銷節約30%，成果模型經驗證也滿足1∶1 000精度要求。該項目采用的方法在理論上可達更高精度，但在工程實踐中也存在不足之處，如大壩上為較粗糙的混凝土路面，噴漆內角不夠清晰，所以選取更多的特征點作為像控點，會增加誤差。該項目采用的技術方法為無人機攝影測量發展和應用提供了思路，可為今后水利大壩監測任務提供參考。

參考文獻：

［1］陳晨.我國水利事業取得歷史性成就［N］.光明日報，2022-09-14（004）.

［2］黃筱，張林杰，馮剛，等.無人機遙感在黑龍江特大洪水應急監測中的應用［J］.水利水電快報，2023，44（3）：34-38.

［3］馮精金，夏輝，王成.基于多源遙感數據的三峽庫區岸線利用類型監測分析［J］.水利水電快報，2023，44（1）：39-42.

［4］黎廣，黎亮，楊智翔.機載LiDAR系統在水庫地形測繪中的應用研究［J］.測繪與空間地理信息，2021，44（10）：76-79.

［5］黃丹.無人機機載雷達在廣西古皂水庫地形測繪中的

應用［J］.水利水電快報，2022，43（增2）：18-22.

［6］馬海政，強德霞.免像控無人機航攝系統在大比例尺地形圖測量中的應用［J］.測繪通報，2020（7）：159-161.

［7］王京衛．測繪無人機低空數字航攝影像去霧霾研究［J］．測繪學報，2016，45（2）：251-251．

［8］SVENNEVIG K，GUARNIERI P，STEMMERIK L．From oblique photogrammetry to a 3D model-structural modeling of Kilen，eastern North Greenland ［J］.Computers ＆ Geosciences，2015，83：120-126．

［9］楊亞彬，謝思梅，謝榮安．無人機傾斜攝影測量技術在不動產更新測繪中的應用［J］．測繪通報，2020，（7）：108-111．

［10］周陽陽，徐尚昭，陳斌，等.無人機傾斜攝影測量技術應用于自然保護區勘界［J］.測繪通報，2021（9）：43-48.

［11］沙紅良，陸德中，付康，等.融合無人機LiDAR與攝影測量的河道地形測繪方法［J］.人民長江，2023，54（4）：157-162.

［12］王建梅，朱紫陽．利用已有像控點的多期航空影像光束法區域網聯合平差［J］．測繪學報，2010，39（1）：22-27．

［13］程孟孟.2014～2020年丹江口水庫綜合利用效益分析［J］.水利水電快報，2021，42（9）：64-69.

［14］辛星，谷金．GPS-ＲTK 界址點測量系統性誤差改正方法探討［J．測繪工程，2018，27（1）： 73-76．

［15］李濤，高波，張允濤，等.天狼星無人機航測技術在河湖劃界中的應用［J］.測繪學報，2019（3）：151-154.

（編輯：李慧）

Application of UAV photogrammetry in topographic surveying of Danjiangkou Dam

WEI Gongzhe ZHOU Hao CHI Xiaozhuang

（1.Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Wuhan 430071，China；

2.National Observation and Research Station of Gravitation and Earth Tide，Wuhan 430071，China

3.Key Laboratory of Earthquake Dynamics，School of Disaster Prevention Science and Technology，Langfang 065201，China）

Abstract：Due to unfavorable environmental factors such as large elevation differences，multiple water surfaces and banded river banks，traditional water conservancy surveying methods have a low efficiency.UAV photogrammetry has gradually gained attention in the field of water conservancy surveying and mapping for its high image quality and high operational efficiency.Based on the theory and technology of UAV photogrammetry，the data processing flow for both internal and external work were systematically summarized.Huace P330Pro electric vertical fixed-wing UAV was used to conduct large-scale topographic mapping of Danjiangkou Dam，some of which were free from image control，and DOM models of the dam and both banks were established.The accuracy of the results were analyzed.It showed that the horizontal error was within 10 cm，which met the accuracy index.The average manpower for this project was 8 people per day，which saved 40% of time and 30% of cost comparing to the traditional single lens UAV surveying.The efficiency of dam surveying and mapping was significantly improved.The research can provide a reference for subsequent water conservancy surveying and mapping projects．

Key words：vertical fixed wing UAV； topographic surveying； large-scale mapping； water conservancy surveying and mapping； Danjiangkou Dam