無人機航攝在水電工程大比例尺地圖測繪應用研究

彭 虎

(黔西南州興源水利電力勘察設計有限公司，貴州 興義 562400)

1 無人機航攝系統

采用SIFT算子和Harris算子結合進行影像匹配，首先提取SIFT特征點、Harris點，對其進行相對定向，得出內集點A、B，刪除重復點，并合并內集點A、B，得出內集點C，刪除內集點C中的錯誤匹配點，得出內集點D，然后構件同名三角形，獲取新角點，通過相對定向得到內集點E，合并內集點D、E后，判斷點數是否滿足要求，如滿足要求，即匹配結束。為進行大比例尺測圖工作，首先需對該地區進行勘測，并收集相關資料，采用無人機航空攝影對該地區的立體數據進行采集，進行調繪與補測，之后進行兩級檢查，若不合格，則重新進行調繪與補測，然后進行地形圖編輯，并建立數據庫，制作制圖數據，最后提交驗收及質量檢查，驗收合格后即可提交驗收成果，如圖1所示。

圖1 SIFT和Harris算子特征的影像匹配流程圖

本研究所采用無人機相關參數如表1所示，航飛設計參數如表2所示。

表1 無人機相關參數

表2 航飛設計參數

根據上述無人機飛行參數，可計算得出各勘測位置的航飛參數如表3所示。根據測區的基本情況，確定本次勘測的無人機飛行距離為80 km，共計拍攝照片700張。

表3 各勘測位置的航飛參數

2 工程概況

本研究以某水電工程為研究背景，該水電工程為Ⅱ等大(2)型工程，開發任務以發電為主，水庫正常蓄水位3447.00 m，相應庫容0.5528億m3，電站裝機容量為660 MW，多年平均發電量32.064億kWh，保證出力(P=5%)173.43 MW。電站工程建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發電系統及升壓站等組成。該航攝測區的面積為13 km2，主要以山地為主，平均海拔為490 m。該測區的已有GPS基本控制點如表4所示。本測區采用區域網布點法進行像控點布設，航線上每隔10～15條基線布設，在旁向上按2～4條基線布設。

表4 GPS基本控制點 m

3 數據質量和精度分析

以GPS基本控制網的點位數據為基準，對各點位的中誤差進行分析，其計算結果如表5所示。根據表格相關數據，可對像控點進行同步環、異步環檢驗，可得出其同步環最大相對閉合差為3.51 ppm，限差為15 ppm，異步環限差為± 18.71 cm；點位p11為像控點最弱點，其三維約束平差最弱邊相對精度為1.33 × 10-5，其三維無約束平差相對精度為5.46 × 10-5。當成圖比例尺為1∶2000時，以上計算得出的無人機勘測精度滿足規范要求，其準確性較高。

表5 中誤差計算結果

為分析無人機勘測得出的數據的質量及精度，需對其空三像控點誤差、地形圖平面精度、地形圖高程精度進行計算分析，其空三像控點誤差如表6所示。由表可知，各測點間的誤差具有一定的差異性，X、Y、Z方向的最大誤差分別為0.066 30 m、0.166 26 m、-0.171 36 m，總體而言X方向的控點誤差最小，其次為Y方向的控點誤差，Z方向的控點誤差最大。根據該表可計算得出三個方向的殘差中誤差，其中，X方向的像控點殘差中誤差為0.0366 m，Y方向的像控點殘差中誤差為0.0603 m，Z方向的像控點殘差中誤差為0.103 m；X、Y、Z方向的空三加密點中誤差分別為0.141 m、0.126 m、0.119 m。根據相關規范可得，當比例尺為1∶2000時，像控點的平面限差應<2.0 m，高程限差應<1.5 m；加密點的平面限差應<1.1 m，高程限差應<0.8 m，采用無人機勘測得出的誤差遠小于規范所規定的限值[1-5]，說明采用無人機航攝系統得出的勘測結果精度較高。

表6 空三像控點誤差 m

地形圖平面精度如表7所示。由表可知，各測點的地形圖平面精度具有一定的差異性，對比圖上量測數據與實測數據可得，測點48的點位偏移量最大，其值為0.1947 m，測點4的點位偏移量最小，其值為0.0228 m，圖上量測數據與實測數據間的點位移偏量間的差值大部分<0.1 m，與實際數據還存在一定的差異，這是由于，在無人機測繪過程中會受到外在因素的影響，會發生光學畸變現象，導致無人機測繪得出的地形圖平面數據存在一定的誤差。根據表7數據計算得出地形圖平面中誤差為0.08 m，根據《工程測量規范》(JTS 131—2012)可得[6]，當比例尺為1∶2000時，平面位置的誤差精度應<1.6 m，無人機勘測得出的地形圖平面中誤差遠小于其指標限值，說明采用無人機航拍系統勘測的準確性較高。

表7 地形圖平面精度

地形圖高程精度如表8所示。由表可知，測點100的誤差最大，其高程誤差為4.12 m，測點7、測點8的高程誤差較小，誤差均為0.23 m。根據表中數據計算可得，采用無人機航拍系統得出的高程平均中誤差為± 0.68 m，當比例尺為1∶2000時，規范所規定的高程中誤差限值為2 m，無人機勘測得出的地形圖平面中誤差遠小于其指標限值，說明采用無人機航拍系統勘測的準確性較高。綜合以上分析可得，采用無人機航拍系統得出的空三像控點誤差、地形圖平面精度、地形圖高程精度均在規范所規定的限值內，說明其勘測成果質量優良。

表8 地形圖高程精度 m

4 結 論

(1)X方向的像控點殘差中誤差為0.0366 m，Y方向的像控點殘差中誤差為0.0603 m，Z方向的像控點殘差中誤差為0.103 m；X、Y、Z方向的空三加密點中誤差分別為0.141 m、0.126 m、0.119 m。

(2)測點48的點位偏移量最大，其值為0.1947 m，測點4的點位偏移量最小，其值為0.0228 m，圖上量測數據與實測數據間的點位移偏量間的差值大部分小于0.1 m，與實際數據還存在一定的差異，這是由于，在無人機測繪過程中會受到外在因素的影響，會發生光學畸變現象，導致無人機測繪得出的地形圖平面數據存在一定的誤差。

(3)當比例尺為1∶2000時，采用無人機航拍系統得出的高程平均中誤差為± 0.68 m，規范所規定的高程中誤差限值為2 m，其誤差遠小于其指標限值，

(4)采用無人機航拍系統得出的空三像控點誤差、地形圖平面精度、地形圖高程精度均在規范所規定的限值內，說明其勘測成果質量優良。