水利工程測繪中低空無人機遙感技術的運用分析

摘要：以某水庫為例，探究了低空無人機遙感技術在水利工程測繪中的應用。選用KC1600固定翼無人機搭載SONY"A7R高分辨率數碼相機進行航測，規劃5條航線。在設定航向和旁向重疊度、航高等參數后，開始進行低空測量；在校驗相機文件后，進行影像快速拼接；布置像控點后，進行空中三角測量。根據測量結果，生成數字高程模型（Digital"Elevation"Model，DEM）格網，在DEM基礎上，進行微分糾正和數字鑲嵌，得到數字正射影像圖（Digital"Orthophoto"Map，DOM），該圖的平面中誤差為0.355"m，滿足《低空數字航空攝影測量內業規范（CH/T"3004-2021）》的精度要求。

關鍵詞：水利工程""低空無人機""遙感技術""空中三角測量

Application"Analysis"of"Low"Altitude"UAV"Remote"Sensing"Technology"in"Water"Conservancy"Engineering"Surveying"and"Mapping

CHEN"Dongliang

Cangzhou"Water"Resources"Survey，"Planning"and"Design"Institute"Co.，"Ltd.，"Cangzhou，"Hebei"Province，"061003"China

Abstract："Taking"a"certain"reservoir"as"an"example，"this"paper"explores"the"application"of"low"altitude"unmanned"aerial"vehicle（UAV）"remote"sensing"technology"in"water"conservancy"engineering"surveying"and"mapping."KC1600"fixed"wing"unmanned"aerial"vehicle"equipped"with"SONY"A7R"high-resolution"digital"camera"was"selected"for"aerial"surveying，"and"five"flight"routes"were"planned."Low"altitude"measurements"were"started"after"setting"heading"and"lateral"overlap，"altitude"and"other"parameters."After"verifying"the"camera"files，"the"images"were"quickly"spliced;"After"arranging"image"control"points，"aerial"triangulation"was"carried"out."Based"on"the"measurement"results，"Digital"Elevation"Model（DEM）"grids"were"generated，"and"differential"correction"and"digital"tiling"were"performed"on"the"DEM"to"obtain"Digital"Orthophoto"Map（DOM）"maps."The"plane"error"of"this"map"is"0.355m，"which"meets"the"accuracy"requirements"of"the"lt;Code"for"Low"altitude"Digital"Aerial"Photogrammetry"（CH/T"3004-2021）gt;.

Key"Words："Water"conservancy"engineering;"Low"altitude"UAVs;"Remote"sensing"technology;"Aerial"triangulation

低空無人機遙感技術具有影像獲取更加便捷、受氣候條件影響小、獲取影像分辨率高等優勢，因此在工程測繪、變形監測、地籍測量等諸多領域獲得了廣泛應用。在應用低空無人機遙感技術時，除了要檢查無人機及其搭載相機，以及通信裝置、地面控制系統等硬件的質量，確保無人機起降和飛行正常外，還要重點關注像控點的布設、影像的空三處理、數字正射影像圖（Digital"Orthophoto"Map，DOM）的制作等內容，確保最終的成圖精度符合水利工程測繪要求，體現低空無人機遙感技術的實用價值。

1"水利工程概況

某水庫總庫容1"171.4萬m3，兼有防洪、灌溉功能，為中型水庫，設計灌溉面積1"3800"hm2。壩址工程位于山區峽谷，山坡呈“V”形，坡度40°～55°，兩岸坡體植被較少。選取該水庫上游河道作為研究對象，測區面積大約0.72"km2，地勢略有起伏，地物較為復雜，使用低空無人機遙感技術進行測繪。

2"低空無人機遙感技術的應用

2.1"無人機的選型

本次測繪所用低空無人機系統包括無人機、遙感設備、數據處理系統、通信設備等。無人機選擇KC1600電動型固定翼無人機，可通過地面控制系統完成航線規劃、飛行監控，具有穩定性好、續航時間長、自動化程度高等優勢。無人機的基本參數見表1。

在工程測繪中，常用的遙感設備有多光譜成像儀、紅外掃描儀、數碼相機等。鑒于KC1600的荷載限制，本次測繪任務選擇了SONY"A7R高分辨率數碼相機作為遙感設備，像素7"400×4"800。

2.2"無人機航測

測繪人員通過現場踏勘掌握測繪區域的地質條件、通過查閱相關資料了解測繪區域的氣象條件，在此基礎上，選擇有利于進行低空無人機遙感作業的時間，最終確定在6月12日上午進行無人機航測。

在正式測量前，做如下準備。第一是挑選起飛場地。為保證無人機與機載設備安全，使航測任務順利完成，選擇一處開闊平地作為起降場地。第二是規劃航線。結合測區的面積和形狀及測試當天的風向和比例尺1：1000地形圖的相關要求，設計了5條航線，每條航線的彎曲度不得超過1.5%。各項參數設定如下：（1）航向重疊度80%；（2）旁向重疊度70%；（3）航高377"m；（4）相片分辨率0.06"m；（5）曝光方式為等距曝光。為防止無人機航測期間受側風影響導致飛行姿態不穩，進而影響像片精度，將重疊度參數設計的較大。第三是無人機系統質量檢查。測繪人員依次檢查無人機及其搭載設備、通信裝置與地面控制系統的運行情況。確定不存在質量問題后，開始航測。

無人機起飛后，按照既定航線飛行并拍攝測區像片，要求無人機的實際飛行高度與設計航線高度的差值控制在±30"m以內，并且整個測區的相對高差控制在20"m以內[1]。完成飛行后，共獲得127張像片，其中9張像片存在模糊、色彩不均勻等問題，剔除不合格像片后，共獲得118張內容清晰、反差適中、色彩均勻的高質量相片，滿足航攝規范要求。

2.3"相機校驗文件

在低空攝影測量過程中，機載數碼相機受到干擾后容易發生相機畸變（如徑向畸變、偏心畸變等）。為了提高測繪精度需要進行相機校驗，本文主要從3個方面進行了校驗：第一是測定主點位置與主距；第二是測定光學畸變系數；第三是測定成像分辨率。校驗結果顯示，主點水平位置（x向）的校驗值為-0.033，垂直位置（y向）的校驗值為0.215，焦距為35.54，徑向畸變系數為6.92e-0.08"mm，偏心畸變系數為2.01e-0.05"mm。

2.4"影像拼接與像控測量

低空無人機遙感影像具有像幅小、數量多等特點，再加上測區內的特征點較多，因而增加了影像內容的辨識難度。為了從航測像片中盡可能多地獲取有效內容，在相機校驗基礎上，需要根據每張像片對應的定位定姿系統（Position"and"Orientation"System，POS）數據進行影像快速拼接。

在影像拼接前，進行去噪、邊緣提取、直方圖處理等操作，增強影像的可拼接性，對提高拼接質量也有積極幫助。然后進行影像配準，找出兩幅或多幅待拼接影像的變換關系（如平移、旋轉等），使兩幅或多幅影像中相同的部位相互重疊，從而完成配準[2]。

基于低空無人機測量優勢，像控點盡量布置在航向重疊或旁向重疊6片范圍內，個別困難地區不得低于4片重疊；鑒于像片邊緣位置容易發生畸變，因此，像控點要盡量靠近像片的中心位置，避開邊緣位置；優先選擇比較明顯的地物點作為像控點，如房屋的頂點或拐角、公路上的橋、地面上的井等[3]，如果沒有明顯的地物點，則可以選擇平坦地方的高程點作為像控點。本次測繪任務共設置了25個像控點，平面精度和高程精度均優于5"cm。

2.4"空中三角測量

在外業測量得到控制點后，還需要進行內業加密，以獲得加密點的平面坐標與高程，這一步驟即為“空三加密”?，F階段，常用的空中三角測量軟件有Helava系統、Image"Station系統等。本文選擇了國內自主開發的DATmatrix系統。該系統不僅支持各種數碼影像和膠片影像的處理，還提供了內定向、連接點自動提取等功能，自動化程度較高，減輕了測繪人員的工作壓力[4]。基于DATmatrix軟件的空中三角測量流程如圖1所示。

內定向的目的是構建像方坐標系，該軟件提供自動內定向功能，在導入像片框表和讀取相機參數后，快速恢復相機與影像的相對位置，并生成.tif格式的內定向文件。在影像內定向的基礎上，進行自動轉點操作，軟件自動提取任意2張影像的同名點，輸出每張影響的轉點成果并以.jpg或.tif格式文件保存。在轉點結束后，檢查連接點分布情況：如果某個區域連接點較少，則可以人工添加連接點；如果連接點編輯不好，則需要刪除。最后，進行平差解算，在完成第一次解算后，從軟件控制界面上重新設置sigma值，進行第二次平差解算，重復這一步驟直到沒有爭議點。完成平差解算后，基本定向點和接差點的平差精度見表2。

表2中的規范限差來自《低空數字航空攝影測量內業規范（CH/T"3004－2021）》。由表2數據可知，本次測繪中空三加密的中誤差和最大殘差滿足規范的精度要求。

2.5"成圖與精度分析

使用VirtuoZo全數字攝影測量工作站繪制地形圖，將空中三角測量成果導入該軟件中，依次經過相對定向、核線采集后，通過像點的密集匹配獲得包含高程信息的點云數據，再根據國家規范規定的地圖符號（如房屋、水域等）獲取測區的地物地貌數據，最后生成數字高程模型（Digital"Elevation"Model，DEM）網格[5]。對DEM網格作數字微分糾正、數字鑲嵌等一系列處理，并且設置好格網間距、等高距后，即可得到包含豐富紋理特征和具有較高幾何精度的數字正射影像圖（Digital"Orthophoto"Map，，DOM）。為了驗證成圖精度，本文利用野外實時動態定位技術（Real-Time"Kinematic，RTK）實測14個地物特征點的平面位置精度，并根據中誤差計算公式求出平面中誤差。公式如下：

式（1）中：x為圖解坐標；Xi為RTK坐標；i表示第i個地物特征點；n表示檢查點數量。將所得數據代入式（1）后，可以求得平面點位中誤差為0.355"m，該值小于《低空數字航空攝影測量內業規范（CH/T"3004－2021）》中對1：1000地形圖要求的誤差限制（0.5"m），說明成圖精度能夠滿足水利工程測繪精度要求。

3"結語

在數字技術賦能水利建設和發展的背景下，將低空無人機遙感技術應用到水利工程測繪中，可以克服傳統測繪存在的成本高、精度低、周期長等困難，為水利工程的規劃、建設與維護提供幫助。為了提高測繪精度，一方面，要從硬件層面上檢查無人機、數碼相機、通信設備等質量，以確保航測任務順利完成，提高影像拍攝精度；另一方面，要從軟件層面上做好影像數據的去噪、快速拼接、鑲嵌、加密等處理，保證最終繪制的DOM圖精度能夠滿足測繪要求。

參考文獻

[1]"汪恩良，胡勝博，韓紅衛，等.基于無人機低空遙感和OTSU算法的黑龍江開江流凌密度研究[J].水利學報，2022，53（1）：68-77.

[2]"李剛勇，陳春波，李均力，等.低空無人機遙感在草原監測評價中的應用進展[J].生態學報，2023，43（16）：6889-6901.

[3]"朱姜蓬.農用多光譜低空遙感多旋翼無人機系統開發及作物長勢監測應用研究[D].杭州：浙江大學，2023.

[4]"陳立娜，李真，宋輝.基于人工智能的無人機測繪遙感圖像信息提取方法[J].電子設計工程，2023，31（24）：181-185.

[5]"金歡.無人機傾斜攝影測量技術在安徽省農村房地一體測量中的應用研究[D].合肥：合肥工業大學，2022.