無人機航空攝影測量技術在引黃濟寧調水工程中的應用

一、引言

1.1 引黃濟寧調水工程簡介

青海省位于我國西部，是多民族聚居區(qū)，自然條件差，經(jīng)濟發(fā)展滯后，為全國最為貧困的地區(qū)之一。位于青海省東部的西寧市和海東市是全省政治、經(jīng)濟、交通、文化中心地區(qū)，以僅占全省2.9%的土地面積，3.5%的水資源量，支撐了全省58%的人口，57%的GDP和54%的耕地面積。

引黃濟寧調水工程是國務院西部開發(fā)領導小組確定的近期重點推進的引調水工程，供水對象包括西寧—海東城市群、湟水兩岸農業(yè)及生態(tài)林帶供水以及湟水干流生態(tài)補水，初步考慮近期調水量6億m3，遠期調水量12億m3。工程以黃河干流已建龍羊峽水庫為取水水源，經(jīng)隧洞穿越拉脊山自流輸水，受水區(qū)分東線城市群、南線湟水南岸灌區(qū)、北線湟水北岸生態(tài)林三條供水線路。

1.2 引黃濟寧工程的意義

引黃濟寧調水工程是穩(wěn)增長、促發(fā)展、惠民生的重大舉措，是貫徹落實“五大發(fā)展理念”和國家西部開發(fā)戰(zhàn)略的重大水資源保障工程，對加快青海省現(xiàn)代化建設、牢筑西部生態(tài)安全屏障、實現(xiàn)民族復興具有重大戰(zhàn)略意義。

1.3無人機航空攝影測量技術的應用

傳統(tǒng)大比例尺地形圖測繪通常由外業(yè)人工測量和大飛機航空攝影測量完成，但是這兩項傳統(tǒng)技術有明顯的短板：人工測量單點精度最高，但是需要足夠的地形點才能準確描述地形，且需大量的人力物力，周期長，效率低下，受天氣、地形、交通等因素的影響和制約；大飛機航測需要專業(yè)的大型起降場地，空域申請手續(xù)繁瑣，優(yōu)勢在大范圍大面積（全省或全國）測圖中能得到體現(xiàn)。低空無人機航測技術，有靈活機動、外業(yè)工作量少等優(yōu)勢，在中小范圍地形圖測繪中有明顯的優(yōu)勢。

該項目所在區(qū)域地形復雜，時間緊任務重，傳統(tǒng)的大比例尺測圖方法無法如期完成，無人機航測技術在該項目中的應用，其高效率、高機動性的優(yōu)點得到了很好的發(fā)揮。

二、無人機航空攝影測量技術

隨著無人機與數(shù)碼相機技術的發(fā)展，基于無人機平臺的數(shù)字航攝技術已顯示出它的優(yōu)勢，無人機航空攝影測量技術是無人機與航空攝影測量的完美結合。無人機航空攝影測量相對于傳統(tǒng)外業(yè)人工測量和大飛機航空攝影測量，具備以下優(yōu)點：①攜帶方便，無需專業(yè)飛行跑道和復雜的空域申請，可快速進入測區(qū)開展工作；②操作簡單，成本較低，作業(yè)人員培訓周期較短；③飛行高度低，可以獲取厘米級高分辨率的影像數(shù)據(jù)；④效率高，一天能拍攝幾十個平方公里的影像；⑤對環(huán)境要求較低，可以勝任危險區(qū)域的飛行任務。

無人機航測相對于傳統(tǒng)測繪手段的諸多優(yōu)勢，近年來得到了廣泛的應用，已廣泛應用于各行業(yè)的大比例尺測繪、災害應急、規(guī)劃、土地資源調查等領域。

2.1 無人機航測系統(tǒng)組成

無人機航測系統(tǒng)主要包括飛機平臺系統(tǒng)（動力系統(tǒng)傳感器、信號處理、GNSS接收、無線電控制）、定位定姿系統(tǒng)（簡稱POS系統(tǒng)，主要包括GNSS導航定位系統(tǒng)和IMU定姿系統(tǒng)）、信息采集系統(tǒng)（相機、傳感器、無線電控制）、地面控制系統(tǒng)（無線電控制、GPS導航、計算機、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)）、電源系統(tǒng)等。本項目測區(qū)飛行采用深圳飛馬機器人科技有限公司生產的F300固定翼平臺，影像獲取搭載SONY DSC-RX1RⅡ相機，飛控系統(tǒng)采用飛馬無人機管家3.0航測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理采用清華山維3.0、CAD2010等圖像處理軟件和繪圖軟件。

2.2 技術測圖原理

無人機航攝技術的基本原理是通過搭載在無人機飛行平臺上的相機，采集地面上的影像數(shù)據(jù)和飛機飛行數(shù)據(jù)，然后用計算機（工作站）處理影像數(shù)據(jù)，用繪圖系統(tǒng)處理影像數(shù)據(jù)、圖形顯示和成果輸出。

2.3作業(yè)流程

基于無人機航攝技術快速測制大比例尺地形圖的作業(yè)實施流程主要分為外業(yè)測量和內業(yè)處理。外業(yè)包括影像獲取、像控布設測量、航線設計及飛行實施、影像質量檢查、pos數(shù)據(jù)處理、檢查點測量與外業(yè)調繪等；內業(yè)數(shù)據(jù)處理包括空三加密、DEM、DOM生產、立體測圖、DLG生產、編輯成圖、數(shù)據(jù)檢查及驗收等。

流程圖如下：

三、無人機航測技術在引黃濟寧項目中的應用

此次測量任務涉及青海省西寧市、貴德縣、湟中縣、平安區(qū)、樂都區(qū)、民和縣6個行政地區(qū)，有23處1：2000地形圖測繪任務，時間緊任務重，有8處測區(qū)為山地和高山區(qū)，海拔均超過2500米，山勢陡峭，交通不便，人工測量難度大，為保證工期和質量對這8處測區(qū)進行無人機航測，其他測區(qū)用傳統(tǒng)測圖方式進行測繪。本次航空攝影作業(yè)采用電機固定翼無人機（飛馬F300），搭載SONY RX1RII數(shù)碼相機，航空攝影地面分辨率12cm，采用航空攝影相機焦距35mm，本文以測區(qū)一（拉西瓦鎮(zhèn)測區(qū)）和測區(qū)二（南干渠受水區(qū)林地典型地塊測區(qū)）為例進行闡述。

3.1 外業(yè)

外業(yè)包括：無人機外業(yè)環(huán)境及路線的選定，無人機起飛，無人機的降落以及像控點的采集。

3.1.1 無人機路線的選定

一般在谷歌地球上選好起飛降落的地方，再實地踏勘確定。起降點應選在方圓100米范圍內無遮擋的平坦區(qū)域，遠離公路、高壓電線、建筑物等。選好起降點，把測區(qū)范圍導入飛馬公司的無人機管家軟件的智航線模塊，測出起降點坐標，選擇航測范圍，軟件自動計算航線、架次等，做好起飛前的準備。

3.1.2 無人機的起飛

一般選在晴朗的天氣，最好云少風小（風力在5級以下）的上午10點至下午2點的時間段（此時段太陽較高，采集的影像清晰且陰影較小）進行飛行。飛馬儀器公司的F300型無人機采用拋投起飛方式，航測人員經(jīng)過專業(yè)培訓，取得飛行執(zhí)照后方可操作。此次航測區(qū)域海拔高空氣稀薄，拋出后有時會有少許的下沉，因此拋投需借助少許風力，最好在較高的地方拋投，對投手的經(jīng)驗、技術、心理素質也是極大的考驗。

3.1.3 無人機的拍攝

在無人機順利升空后，由飛機控制系統(tǒng)（簡稱飛控系統(tǒng)）控制飛機沿著規(guī)劃好的路線飛行，地面站電腦通過數(shù)傳電臺監(jiān)控飛機在空中的飛行情況，如果飛機飛出有效工作范圍或失聯(lián)時間超過預設值，飛控系統(tǒng)將會控制飛機返航。

3.1.4 無人機的降落

F300無人機有傘降和滑降兩種方式，滑降對地面要求較高，通常用傘降方式。無人機順利降落后檢查機身及相機安全，取出相機檢查影像圖片的質量，然后采取快拼軟件將采集的影像數(shù)據(jù)拼接，檢查外業(yè)飛行質量。

3.1.5 像片控制測量

像控測量采用GNSS RTK進行測量，像控點一般選擇既能在影像上容易辨別又能在實地準確測量的明顯地物點、接近正交的線狀地物交點、地物拐角點或固定的點狀地物上，或者在測區(qū)范圍內均勻分布撒上1.6米長的白灰十字圖形。利用奧維地圖軟件提前規(guī)劃好測區(qū)的布點路線，逐點施測。

3.1.6 影像圖調繪

影像調繪采用內外業(yè)結合的方法作業(yè)，對測區(qū)內居民地、水系設施、交通設施、植被土質、管線設施等進行調查和測量。

3.2 內業(yè)

3.2.1 空三加密

使用飛馬無人機管家軟件完成空三加密和DEM、 DOM的制作。先在智檢圖模塊完成航飛質量的檢查和評估，在智理圖模塊完成無人機數(shù)據(jù)預處理，提供畸變糾正、影像勻色、金字塔創(chuàng)建等功能，在智拼圖模塊完成影像自動拼接。以飛馬F300為例，步驟如下：

（1）下載無人機、基站等原始數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)預處理。

（2）創(chuàng)建工程，導入影像文件和POS數(shù)據(jù)。

（3）連接點匹配，特征點提取和匹配。

（4）控制點量測，進行平差計算和平差優(yōu)化，平差優(yōu)化結束后檢查空三報告中的精度統(tǒng)計，如精度滿足規(guī)范要求可進入下一步，如不滿足規(guī)范要求，則可進行控制點的調整，重復平差優(yōu)化功能，直至精度符合要求，如精度始終滿足不了要求，需檢查原始數(shù)據(jù)和預處理數(shù)據(jù)等。

（5）輸出空三成果，導出DOM和DEM成果數(shù)據(jù)。

3.2.2 內業(yè)成圖

使用清華山維軟件進行內業(yè)成圖，將DEM成果（DSM）和DOM導入清華山維軟件，建立三維模型，在三維模型上進行內業(yè)測圖，繪制地物、提取高程點，將地物導出成cad格式，在cass里面整理出圖。

四、成果精度分析

4.1 空三精度評價指標

區(qū)域網(wǎng)平差的精度通過野外觀測的檢查點進行評定，根據(jù)解算出的外方位元素和檢查點的像點坐標，求出檢查點地面坐標的解算值，計算與實測坐標值的差值。檢查點的平面中誤差、高程中誤差分別按公式計算:

式中，m為檢查點中誤差；Δ_i為檢查點野外實測坐標值與解算值的差值；n為檢查點的個數(shù)。

4.2精度評定

測區(qū)一（拉西瓦鎮(zhèn)測區(qū)）飛行了兩個架次，每個架次4條航線，470張像片，影像航向重疊約77%，旁向重疊約62%。相對飛行高度為780米，航攝地面分辨率為0.12米，測區(qū)航線規(guī)劃圖如圖1。測區(qū)二（南干渠受水區(qū)林地典型地塊測區(qū)）飛行4個架次，總共1193張照片，影像航向重疊約76%，旁向重疊約63%。相對飛行高度為750米，航攝地面分辨率為0.12米，測區(qū)航線規(guī)劃圖如圖2。

圖1 測區(qū)一航線規(guī)劃圖

圖2測區(qū)二航線規(guī)劃圖

2個測區(qū)的精度檢查結果如表1和表2所示

表4-1像控點精度統(tǒng)計

表4-2地形圖成果精度統(tǒng)計

由表1和表2可知，像控點精度滿足規(guī)范要求，每個測區(qū)都進行了地形點和地物點的檢查，檢查結果滿足1：2000成圖要求。

五、經(jīng)驗總結和結論

按《水利水電工程測量規(guī)范》（SL 197-2013）限差要求，本次成果滿足規(guī)范要求，達到了1：2000地形圖的精度指標。本次成圖在短時間內完成了較大的任務，給水工、地質等專業(yè)爭取了寶貴的時間，也為無人機航測技術積累了經(jīng)驗。通過幾個測區(qū)的飛行任務，得出以下的結論。

（1）無人機航攝技術的生產效率提高明顯，節(jié)約成本，提高了經(jīng)濟效益。

（2）前期控制測量需做好，像控點盡量布設均勻且保證足夠的密度。

（3）高精度DEM提取地貌數(shù)據(jù)的方法是可行的，極大的節(jié)約了人工成本。林地典型地塊DEM數(shù)據(jù)需進行編輯，外業(yè)盡量多實測些地形點，結合EPS內業(yè)立體測圖軟件，使成果精度滿足規(guī)范要求。

（4）可以得到測區(qū)的DOM成果，測區(qū)地形地貌直觀的展現(xiàn)在其他專業(yè)人員面前，使其更方便的進行設計。