無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在引黃濟(jì)寧調(diào)水工程中的應(yīng)用

一、引言

1.1 引黃濟(jì)寧調(diào)水工程簡(jiǎn)介

青海省位于我國(guó)西部，是多民族聚居區(qū)，自然條件差，經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后，為全國(guó)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(jì)、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(jì)寧調(diào)水工程是國(guó)務(wù)院西部開(kāi)發(fā)領(lǐng)導(dǎo)小組確定的近期重點(diǎn)推進(jìn)的引調(diào)水工程，供水對(duì)象包括西寧—海東城市群、湟水兩岸農(nóng)業(yè)及生態(tài)林帶供水以及湟水干流生態(tài)補(bǔ)水，初步考慮近期調(diào)水量6億m3，遠(yuǎn)期調(diào)水量12億m3。工程以黃河干流已建龍羊峽水庫(kù)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(jì)寧工程的意義

引黃濟(jì)寧調(diào)水工程是穩(wěn)增長(zhǎng)、促發(fā)展、惠民生的重大舉措，是貫徹落實(shí)“五大發(fā)展理念”和國(guó)家西部開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的重大水資源保障工程，對(duì)加快青海省現(xiàn)代化建設(shè)、牢筑西部生態(tài)安全屏障、實(shí)現(xiàn)民族復(fù)興具有重大戰(zhàn)略意義。

1.3無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

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

該項(xiàng)目所在區(qū)域地形復(fù)雜，時(shí)間緊任務(wù)重，傳統(tǒng)的大比例尺測(cè)圖方法無(wú)法如期完成，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在該項(xiàng)目中的應(yīng)用，其高效率、高機(jī)動(dòng)性的優(yōu)點(diǎn)得到了很好的發(fā)揮。

二、無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)

隨著無(wú)人機(jī)與數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的數(shù)字航攝技術(shù)已顯示出它的優(yōu)勢(shì)，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)是無(wú)人機(jī)與航空攝影測(cè)量的完美結(jié)合。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量相對(duì)于傳統(tǒng)外業(yè)人工測(cè)量和大飛機(jī)航空攝影測(cè)量，具備以下優(yōu)點(diǎn)：①攜帶方便，無(wú)需專業(yè)飛行跑道和復(fù)雜的空域申請(qǐng)，可快速進(jìn)入測(cè)區(qū)開(kāi)展工作；②操作簡(jiǎn)單，成本較低，作業(yè)人員培訓(xùn)周期較短；③飛行高度低，可以獲取厘米級(jí)高分辨率的影像數(shù)據(jù)；④效率高，一天能拍攝幾十個(gè)平方公里的影像；⑤對(duì)環(huán)境要求較低，可以勝任危險(xiǎn)區(qū)域的飛行任務(wù)。

無(wú)人機(jī)航測(cè)相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)繪手段的諸多優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用，已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的大比例尺測(cè)繪、災(zāi)害應(yīng)急、規(guī)劃、土地資源調(diào)查等領(lǐng)域。

2.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)主要包括飛機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)（動(dòng)力系統(tǒng)傳感器、信號(hào)處理、GNSS接收、無(wú)線電控制）、定位定姿系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱POS系統(tǒng)，主要包括GNSS導(dǎo)航定位系統(tǒng)和IMU定姿系統(tǒng)）、信息采集系統(tǒng)（相機(jī)、傳感器、無(wú)線電控制）、地面控制系統(tǒng)（無(wú)線電控制、GPS導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)）、電源系統(tǒng)等。本項(xiàng)目測(cè)區(qū)飛行采用深圳飛馬機(jī)器人科技有限公司生產(chǎn)的F300固定翼平臺(tái)，影像獲取搭載SONY DSC-RX1RⅡ相機(jī)，飛控系統(tǒng)采用飛馬無(wú)人機(jī)管家3.0航測(cè)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(shù)測(cè)圖原理

無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)的基本原理是通過(guò)搭載在無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)上的相機(jī)，采集地面上的影像數(shù)據(jù)和飛機(jī)飛行數(shù)據(jù)，然后用計(jì)算機(jī)（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(wú)人機(jī)航攝技術(shù)快速測(cè)制大比例尺地形圖的作業(yè)實(shí)施流程主要分為外業(yè)測(cè)量和內(nèi)業(yè)處理。外業(yè)包括影像獲取、像控布設(shè)測(cè)量、航線設(shè)計(jì)及飛行實(shí)施、影像質(zhì)量檢查、pos數(shù)據(jù)處理、檢查點(diǎn)測(cè)量與外業(yè)調(diào)繪等；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括空三加密、DEM、DOM生產(chǎn)、立體測(cè)圖、DLG生產(chǎn)、編輯成圖、數(shù)據(jù)檢查及驗(yàn)收等。

流程圖如下：

三、無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在引黃濟(jì)寧項(xiàng)目中的應(yīng)用

此次測(cè)量任務(wù)涉及青海省西寧市、貴德縣、湟中縣、平安區(qū)、樂(lè)都區(qū)、民和縣6個(gè)行政地區(qū)，有23處1：2000地形圖測(cè)繪任務(wù)，時(shí)間緊任務(wù)重，有8處測(cè)區(qū)為山地和高山區(qū)，海拔均超過(guò)2500米，山勢(shì)陡峭，交通不便，人工測(cè)量難度大，為保證工期和質(zhì)量對(duì)這8處測(cè)區(qū)進(jìn)行無(wú)人機(jī)航測(cè)，其他測(cè)區(qū)用傳統(tǒng)測(cè)圖方式進(jìn)行測(cè)繪。本次航空攝影作業(yè)采用電機(jī)固定翼無(wú)人機(jī)（飛馬F300），搭載SONY RX1RII數(shù)碼相機(jī)，航空攝影地面分辨率12cm，采用航空攝影相機(jī)焦距35mm，本文以測(cè)區(qū)一（拉西瓦鎮(zhèn)測(cè)區(qū)）和測(cè)區(qū)二（南干渠受水區(qū)林地典型地塊測(cè)區(qū)）為例進(jìn)行闡述。

3.1 外業(yè)

外業(yè)包括：無(wú)人機(jī)外業(yè)環(huán)境及路線的選定，無(wú)人機(jī)起飛，無(wú)人機(jī)的降落以及像控點(diǎn)的采集。

3.1.1 無(wú)人機(jī)路線的選定

一般在谷歌地球上選好起飛降落的地方，再實(shí)地踏勘確定。起降點(diǎn)應(yīng)選在方圓100米范圍內(nèi)無(wú)遮擋的平坦區(qū)域，遠(yuǎn)離公路、高壓電線、建筑物等。選好起降點(diǎn)，把測(cè)區(qū)范圍導(dǎo)入飛馬公司的無(wú)人機(jī)管家軟件的智航線模塊，測(cè)出起降點(diǎn)坐標(biāo)，選擇航測(cè)范圍，軟件自動(dòng)計(jì)算航線、架次等，做好起飛前的準(zhǔn)備。

3.1.2 無(wú)人機(jī)的起飛

一般選在晴朗的天氣，最好云少風(fēng)小（風(fēng)力在5級(jí)以下）的上午10點(diǎn)至下午2點(diǎn)的時(shí)間段（此時(shí)段太陽(yáng)較高，采集的影像清晰且陰影較?。┻M(jìn)行飛行。飛馬儀器公司的F300型無(wú)人機(jī)采用拋投起飛方式，航測(cè)人員經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)，取得飛行執(zhí)照后方可操作。此次航測(cè)區(qū)域海拔高空氣稀薄，拋出后有時(shí)會(huì)有少許的下沉，因此拋投需借助少許風(fēng)力，最好在較高的地方拋投，對(duì)投手的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)、心理素質(zhì)也是極大的考驗(yàn)。

3.1.3 無(wú)人機(jī)的拍攝

在無(wú)人機(jī)順利升空后，由飛機(jī)控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱飛控系統(tǒng)）控制飛機(jī)沿著規(guī)劃好的路線飛行，地面站電腦通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)監(jiān)控飛機(jī)在空中的飛行情況，如果飛機(jī)飛出有效工作范圍或失聯(lián)時(shí)間超過(guò)預(yù)設(shè)值，飛控系統(tǒng)將會(huì)控制飛機(jī)返航。

3.1.4 無(wú)人機(jī)的降落

F300無(wú)人機(jī)有傘降和滑降兩種方式，滑降對(duì)地面要求較高，通常用傘降方式。無(wú)人機(jī)順利降落后檢查機(jī)身及相機(jī)安全，取出相機(jī)檢查影像圖片的質(zhì)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(zhì)量。

3.1.5 像片控制測(cè)量

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

3.1.6 影像圖調(diào)繪

影像調(diào)繪采用內(nèi)外業(yè)結(jié)合的方法作業(yè)，對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)居民地、水系設(shè)施、交通設(shè)施、植被土質(zhì)、管線設(shè)施等進(jìn)行調(diào)查和測(cè)量。

3.2 內(nèi)業(yè)

3.2.1 空三加密

使用飛馬無(wú)人機(jī)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(zhì)量的檢查和評(píng)估，在智理圖模塊完成無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)預(yù)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(dòng)拼接。以飛馬F300為例，步驟如下：

（1）下載無(wú)人機(jī)、基站等原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

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

（3）連接點(diǎn)匹配，特征點(diǎn)提取和匹配。

（4）控制點(diǎn)量測(cè)，進(jìn)行平差計(jì)算和平差優(yōu)化，平差優(yōu)化結(jié)束后檢查空三報(bào)告中的精度統(tǒng)計(jì)，如精度滿足規(guī)范要求可進(jìn)入下一步，如不滿足規(guī)范要求，則可進(jìn)行控制點(diǎn)的調(diào)整，重復(fù)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(yù)處理數(shù)據(jù)等。

（5）輸出空三成果，導(dǎo)出DOM和DEM成果數(shù)據(jù)。

3.2.2 內(nèi)業(yè)成圖

使用清華山維軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)成圖，將DEM成果（DSM）和DOM導(dǎo)入清華山維軟件，建立三維模型，在三維模型上進(jìn)行內(nèi)業(yè)測(cè)圖，繪制地物、提取高程點(diǎn)，將地物導(dǎo)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(píng)價(jià)指標(biāo)

區(qū)域網(wǎng)平差的精度通過(guò)野外觀測(cè)的檢查點(diǎn)進(jìn)行評(píng)定，根據(jù)解算出的外方位元素和檢查點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)，求出檢查點(diǎn)地面坐標(biāo)的解算值，計(jì)算與實(shí)測(cè)坐標(biāo)值的差值。檢查點(diǎn)的平面中誤差、高程中誤差分別按公式計(jì)算:

式中，m為檢查點(diǎn)中誤差；Δ_i為檢查點(diǎn)野外實(shí)測(cè)坐標(biāo)值與解算值的差值；n為檢查點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

4.2精度評(píng)定

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

圖1 測(cè)區(qū)一航線規(guī)劃圖

圖2測(cè)區(qū)二航線規(guī)劃圖

2個(gè)測(cè)區(qū)的精度檢查結(jié)果如表1和表2所示

表4-1像控點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

表4-2地形圖成果精度統(tǒng)計(jì)

由表1和表2可知，像控點(diǎn)精度滿足規(guī)范要求，每個(gè)測(cè)區(qū)都進(jìn)行了地形點(diǎn)和地物點(diǎn)的檢查，檢查結(jié)果滿足1：2000成圖要求。

五、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和結(jié)論

按《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》（SL 197-2013）限差要求，本次成果滿足規(guī)范要求，達(dá)到了1：2000地形圖的精度指標(biāo)。本次成圖在短時(shí)間內(nèi)完成了較大的任務(wù)，給水工、地質(zhì)等專業(yè)爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間，也為無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)積累了經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)幾個(gè)測(cè)區(qū)的飛行任務(wù)，得出以下的結(jié)論。

（1）無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)的生產(chǎn)效率提高明顯，節(jié)約成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

（2）前期控制測(cè)量需做好，像控點(diǎn)盡量布設(shè)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(jìn)行編輯，外業(yè)盡量多實(shí)測(cè)些地形點(diǎn)，結(jié)合EPS內(nèi)業(yè)立體測(cè)圖軟件，使成果精度滿足規(guī)范要求。

（4）可以得到測(cè)區(qū)的DOM成果，測(cè)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(jìn)行設(shè)計(jì)。