楊培鳳

(大連水利測(cè)繪公司，遼寧 大連 116019)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及國(guó)家對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略推進(jìn)，水利工程在促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展中起著舉足輕重的作用[1]。水利工程測(cè)繪作為工程建設(shè)的先行者，為水利工程設(shè)計(jì)與建設(shè)及時(shí)提供準(zhǔn)確、詳實(shí)的測(cè)繪數(shù)據(jù)；現(xiàn)階段，全站儀、GPS RTK實(shí)地測(cè)量在效率上不能滿足新形勢(shì)下水利測(cè)繪工作的要求[2]。無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快捷的特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于國(guó)家重大工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急與處理、國(guó)土監(jiān)測(cè)、資源開(kāi)發(fā)等方面。無(wú)人機(jī)遙感具有靈活性強(qiáng)、分辨率高、時(shí)效性高、成本低等特點(diǎn)，大大的減輕了外業(yè)工作人員的工作量，同時(shí)提高了作業(yè)效率及降了低工程建設(shè)成本，充分發(fā)揮了其特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 無(wú)人機(jī)遙感

1.1 無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)

無(wú)人機(jī)遙感(Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing )，即利用先進(jìn)的無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化、智能化、專用化快速獲取國(guó)土資源、自然環(huán)境、地震災(zāi)區(qū)等空間遙感信息，且完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù)，其特點(diǎn)為：

1)可在云下低空飛行，彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感和普通航空攝影在有云覆蓋地區(qū)上空不能有效采集數(shù)據(jù)的缺陷。

2)采用無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)，數(shù)據(jù)采集成本比航天航空遙感平臺(tái)低。

3)采用數(shù)碼相機(jī)作為傳感器采集數(shù)據(jù)，采集速度快，影像質(zhì)量好，地面分辨率高(可達(dá)1-3cm)。

4)無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，適應(yīng)性高，在較小的場(chǎng)地就可以實(shí)施起降作業(yè)，對(duì)天氣條件要求較低。

由于這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)，中國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)非常重視，并已取得了一系列技術(shù)上的突破，在各行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

本項(xiàng)目采用的燃油固定翼無(wú)人機(jī)，搭載5D markⅡ高分辨率數(shù)碼相機(jī)，利用地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)航線規(guī)劃、飛行控制、自動(dòng)拍攝等功能。無(wú)人機(jī)的具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)人機(jī)性能指標(biāo)參數(shù)表

1.2 拍攝相機(jī)

無(wú)人機(jī)因受其本身荷載限制，不能承載專業(yè)航攝相機(jī)，只能采用性能較好的民用數(shù)碼相機(jī)；由于民用數(shù)碼相機(jī)內(nèi)方位元素不穩(wěn)定，且存在明顯的鏡頭畸變差，如果直接用空間后方交會(huì)來(lái)計(jì)算相機(jī)的外方位元素，精度會(huì)很差，這與攝影測(cè)量成圖直接相關(guān)，因此，內(nèi)方位元素和畸變差是相機(jī)鑒定的主要項(xiàng)目[3]。在飛行起飛、降落時(shí)以及運(yùn)輸過(guò)程中有震動(dòng)，相機(jī)參數(shù)發(fā)生有較大變化，為保證后處理數(shù)據(jù)的精度，通常在飛行前要對(duì)相機(jī)進(jìn)行檢校，本次飛行的檢校參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 相機(jī)參數(shù)

2 無(wú)人機(jī)遙感在工程中的應(yīng)用

2.1 作業(yè)區(qū)域

文章以太平鎮(zhèn)西部一條河流為研究區(qū)域，該河道形狀規(guī)則，測(cè)量范圍為沿河200m內(nèi)，測(cè)量面積約0.9 km2。測(cè)區(qū)內(nèi)地勢(shì)呈南高北低，河道兩側(cè)地物簡(jiǎn)單，多為農(nóng)田和草地，測(cè)區(qū)范圍如圖1所示。

2.2 航線設(shè)計(jì)

因項(xiàng)目的成圖比例尺為1:1000，故設(shè)計(jì)航攝比例尺為1：4000，地面高度為260-280m，飛行高度1000m，航拍間距65m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為60%，影像地面分辨率(GSD)約為5cm，同時(shí)根據(jù)測(cè)區(qū)形狀規(guī)則，航線設(shè)計(jì)與河道總體方向一致，飛行3條航線，210個(gè)像對(duì)。為避免飛行過(guò)程中受到側(cè)風(fēng)的影響，飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，出現(xiàn)航攝漏洞，故加大航向和旁向重疊度。

2.3 飛行數(shù)據(jù)快拼檢查及像片控制測(cè)量

本次飛行共獲取213張影像，影像清晰、色彩飽滿、反差適中。使用飛行日志中的POS數(shù)據(jù)，使用PHOTOSCAN軟件進(jìn)行快速拼接，經(jīng)檢查無(wú)航線漏洞，各項(xiàng)指標(biāo)與設(shè)計(jì)要求基本一致。

根據(jù)飛行情況和規(guī)范要求設(shè)計(jì)像控點(diǎn)布設(shè)方案，按照區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)，間隔4-6條基線布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)。因像片航向重疊較大，像控點(diǎn)一般布設(shè)在6-8°重疊的范圍內(nèi)，航線首尾≥4°重疊，且采用雙點(diǎn)布設(shè)。像控點(diǎn)選取在明顯地物上，要求影像清晰、易于判讀，同時(shí)要便于測(cè)量。本區(qū)域共選取42個(gè)平高點(diǎn)和12個(gè)檢查點(diǎn)。

圖1 測(cè)區(qū)范圍

2.4 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量也稱空三加密，是利用攝影測(cè)量解析法確定區(qū)域內(nèi)所有影像的外方位元素[4]?？罩腥菧y(cè)量是影像后期處理的關(guān)鍵步驟，它利用少量地面控制點(diǎn)來(lái)計(jì)算一個(gè)測(cè)區(qū)中所有影像的外方位元素和所有加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)。本項(xiàng)目采用INPHO軟件的MATCH-AT模塊進(jìn)行空三加密。

因本次飛行所用相機(jī)存在較大鏡頭畸變，為保證后續(xù)生產(chǎn)的精度，在進(jìn)行空中三角測(cè)量之前，根據(jù)表1中給定的參數(shù)對(duì)原始影像進(jìn)行畸變矯正。

空中三角測(cè)量需要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)有畸變矯正后的影像、POS數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù)文件、控制點(diǎn)文件等。軟件根據(jù)POS數(shù)據(jù)對(duì)航線進(jìn)行排序，經(jīng)過(guò)影像金字塔創(chuàng)建、連接點(diǎn)自動(dòng)匹配、粗差剔除后，手動(dòng)加入測(cè)量控制點(diǎn)，進(jìn)行解算，再根據(jù)連接點(diǎn)及控制點(diǎn)的誤差，調(diào)整其點(diǎn)位，最后進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算。經(jīng)過(guò)區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算，基本定向點(diǎn)的平面中誤差為0.084m，高程中誤差為0.114m；檢查點(diǎn)的平面中誤差為0.102m，高程中誤差為0.143m；加密精度達(dá)到《CH/Z 3003-2010 低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》中精度指標(biāo)要求，可提供給下一道工序生產(chǎn)。提供的空中三角測(cè)量成果有影像的外方位元素、內(nèi)方位元素、加密點(diǎn)坐標(biāo)以及相機(jī)參數(shù)等。

2.5 數(shù)字高程模型DEM與數(shù)字正射影像DOM制作

空中三角測(cè)量完成以后，使用INPHO軟件中的DTMaster模塊生成DSM，再通過(guò)MATCH-T模塊提取DTM，生成DEM數(shù)據(jù)。DEM的精度滿足于正射影像影像糾正即可，參照《CH/T 9008.2-2010 基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶5001∶10001∶2000數(shù)字高程模型》中數(shù)字高程模型精度指標(biāo)中的三級(jí)丘陵地指標(biāo)執(zhí)行，網(wǎng)格間距為1.0m×1.0m，高程值取位至0.01m。在DEM制作過(guò)程中，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行編輯時(shí)，采用彩色點(diǎn)云模式，將匹配的DSM中的建筑物、高植被表面的點(diǎn)剔除，防止正射影像DOM出現(xiàn)扭曲變形現(xiàn)象，從而影響精度。

數(shù)字高程模型DEM生成以后，使用INPHO軟件中的OrthoMaster模塊對(duì)影像進(jìn)行單片糾正，然后使用OrthoVista模塊對(duì)單片的正射影像進(jìn)行鑲嵌、勻光勻色、分幅輸出處理。本次生產(chǎn)的DOM地面分辨率為0.1m，不用分幅輸出，生成一幅DOM。使用OrthoVista模塊圖象處理工具對(duì)影像進(jìn)行無(wú)縫拼接，拼接線不得通過(guò)建筑物、橋梁等，須在圖象重疊處仔細(xì)挑選，以便色調(diào)變化和拼接痕跡降到最低。

通過(guò)DOM上量測(cè)明顯地面點(diǎn)與外業(yè)實(shí)測(cè)明顯地面點(diǎn)對(duì)比，最大平面誤差為0.341 m，最小平面誤差為0.060 m，平均誤差0.194 m,滿足《CH/T 9008.3-2010 基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果 1：500 1：1000 1：2000 數(shù)字正射影像圖》中平面位置精度要求。

2.6 數(shù)字線劃圖DLG制作

數(shù)字線劃地圖DLG的采集部分在MapMatrix軟件下進(jìn)行。將INPHO格式的空三結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換成MapMatrix軟件識(shí)別的格式，所需的數(shù)據(jù)有畸變后的影像、外方位元素、內(nèi)方位元素、加密點(diǎn)坐標(biāo)以及相機(jī)參數(shù)等，在MapMatrix軟件建立工程，導(dǎo)入所需的數(shù)據(jù)，對(duì)影像進(jìn)行數(shù)碼內(nèi)定向，創(chuàng)建立體模型后，進(jìn)入FeatureOne模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；采集線劃時(shí)可采用加載實(shí)時(shí)核線和原始像對(duì)兩種模式。因無(wú)人機(jī)獲取的影像自身的缺陷，采集時(shí)注意盡量使用模型中間位置，并注意保持模型切換，以免造成模型間地物接邊出現(xiàn)問(wèn)題。為保障成圖精度，可將空三加密時(shí)所用的外業(yè)控制點(diǎn)導(dǎo)入到模型中，進(jìn)行檢核，若無(wú)問(wèn)題，即可進(jìn)行采集。

采集通常分為地物要素采集與地貌要素土質(zhì)采集。地物要素主要包括水系要素及其附屬設(shè)施、居民地及其設(shè)施、交通及其附屬設(shè)施、管線及其附屬設(shè)施等；地物采集時(shí)，立體看不清的地物以及地物有局部被遮擋時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記，由外業(yè)實(shí)地進(jìn)行補(bǔ)測(cè)調(diào)繪。地貌要素主要包括等高線、高程點(diǎn)等。高程點(diǎn)的密度通常情況下為8-15個(gè)點(diǎn)，要先在一二類方位物及明顯地形變換處采集，其余的均勻分布即可；等高線采集時(shí)，根據(jù)地形類別確定等高距后，進(jìn)行采集。由于本項(xiàng)目是水利工程用圖，對(duì)水系附近的地貌要求較高，采集時(shí)河流邊線以攝影時(shí)水位為準(zhǔn)，河流邊線上每100m要采集一對(duì)水位點(diǎn)，河流兩側(cè)的陡岸每100-150m采集坎上、坎下高程。

采集的圖形數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單粗編輯，提供給外業(yè)人員，進(jìn)行調(diào)繪及修補(bǔ)測(cè)工作。調(diào)繪的主要內(nèi)容有居民地名稱、道路名稱及等級(jí)、房屋建筑材料及層數(shù)、管線的類別及走向、植被類別等。修補(bǔ)測(cè)主要包括立體采集看不清的地物及攝影后變化的地物等。

地形圖編輯以采集的圖形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合外業(yè)調(diào)繪及修補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)，按照《GB/T 20257 1-2007 國(guó)家基本比例尺地形圖圖式第1部分：1：500 1：1000 1：2000地形圖圖式》要求進(jìn)行。

為檢測(cè)地形圖的精度，采用RTK全野外實(shí)測(cè)20個(gè)明顯地物點(diǎn)及15個(gè)高程點(diǎn)；經(jīng)檢核地物點(diǎn)的平面中誤差為0.325m，高程注記點(diǎn)中誤差為0.421m，精度滿足國(guó)家《CH/Z 3003-2010低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》中的精度指標(biāo)。因本項(xiàng)目對(duì)高程要求較高，在河道兩側(cè)重點(diǎn)區(qū)域，通過(guò)外業(yè)全野外采集高程點(diǎn)的方式，加入到地形圖中并處理好相互關(guān)系，最終形成地形圖。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)本項(xiàng)目的生產(chǎn)，證明了無(wú)人機(jī)遙感配合專業(yè)的應(yīng)用軟件適用于快速獲取小面積大比例尺地形圖和數(shù)字正射影像圖，具有方便、快捷、高效、成本低等優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)遙感的劣勢(shì)也顯現(xiàn)出來(lái)，如飛行時(shí)間短、荷載小、航片姿態(tài)不穩(wěn)定等問(wèn)題，在數(shù)據(jù)后處理時(shí)，由于像片數(shù)量多、像幅面積小、航向和旁向重疊度大等原因，致使像控、空三、測(cè)圖工作量增大；同時(shí)由于基高比小，造成無(wú)人機(jī)獲取影像處理后的高程精度不高，即使能勉強(qiáng)達(dá)到規(guī)范要求的高程精度指標(biāo)，但因其不穩(wěn)定，不能直接應(yīng)用于對(duì)高程精度要求高的工程項(xiàng)目。

隨著科技的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)航攝裝備水平也不斷地提高，在飛行時(shí)間、荷載量、飛行姿態(tài)穩(wěn)定性等方面都將逐步得到提升，同時(shí)后處理軟件針對(duì)無(wú)人機(jī)影像在算法和工藝流程上必將有較大進(jìn)步，無(wú)人機(jī)遙感的劣勢(shì)將逐漸減弱，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)進(jìn)一步拓展，從而滿足各類小面積工程測(cè)繪的需求。

[1]張大方．低空無(wú)人機(jī)遙感在水利工程測(cè)繪中的應(yīng)用研究[J] ．工程技術(shù)．2016，10(10)：103-104．

[2]穆宣社．基于地理空間大數(shù)據(jù)的應(yīng)急指揮輔助決策平臺(tái)研究[J]．測(cè)繪通報(bào)，2015(06)：93-96．

[3]鄧非，閆利．?dāng)z影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教程[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2012：27-31．