張玉明 展薪 馮瑞軍

（1.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.新蔡縣國土資源局，河南 新蔡 463500）

1 引言

目前，無人機低空航測及處理系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于水利工程河道治理項目，結(jié)合水利工程勘察設(shè)計對高程精度要求較高的特點，嘗試將四等水準測量應(yīng)用于無人機航測中，以進一步提高像控點高程精度，確保航測成果質(zhì)量。本文以水利工程治理為例，詳細敘述四等水準測量像控點的過程，通過應(yīng)用四等水準測量航測像控點的高程，并對精度進行評估，分析四等水準測量像控點對輕小型無人機航測高程精度的提升。

2 四等水準測量航攝像控點的運用

以陸渾水庫灌區(qū)治理項目為例，實驗范圍是河南省陸渾水庫某干流中心線左右兩岸各500m，海拔為100～200m，全長約12km，寬1km。里程樁號0～5+100處，測量寬度為1150 m，實驗段共分105個圖面，面積約20平方公里。

2.1 確定像控點數(shù)量

像控點的精度和數(shù)量直接影響航測數(shù)據(jù)后處理的精度，所以像控點的布設(shè)和選擇應(yīng)盡量規(guī)范嚴格。無人機航測采用的“積云一號”無人機自帶PPK功能，有POS數(shù)據(jù)來支持其執(zhí)行任務(wù)時的可靠性，對像控點的密度要求較低，對像控點的高程精度要求很高，需要在航帶附近布設(shè)精度較高的像控點。像控點布設(shè)按照渠道兩側(cè)成對布設(shè)，形成網(wǎng)狀（如圖1所示）。共布設(shè)像控點航測任務(wù)區(qū)域68個、檢查點11個。按照均勻布設(shè)原則，挑選其中72個點位聯(lián)測四等水準，以確保其航測精度。確定航拍空域后，利用影像圖、電子地圖來確定像控點的大概位置和數(shù)量。

2.2 像控點布設(shè)

像控點一般布設(shè)在平坦的水平路面上，點位所處位置不應(yīng)在斜坡或有高差的地方。在水泥路面可以做噴漆標志，在其他地面可噴灑白灰標志。

圖1 像控點布設(shè)

無人機航測系統(tǒng)加載了GPS-PPK模塊，可利用載波像控進行事后差分的GPS定位技術(shù)，即為動態(tài)后處理技術(shù)，其工作原理為：利用進行同步觀測的一臺基準站接收機和至少一臺流動站接收機對衛(wèi)星的載波相位觀測量，再利用GPS處理軟件進行線性組合，形成虛擬的載波觀測量值，確定接收機之間厘米級的相對位置，然后進行坐標轉(zhuǎn)換得到流動站的三維坐標。

為提高航拍模型精度，在測區(qū)內(nèi)按照500m間距網(wǎng)格布設(shè)一對，共布設(shè)68個像控點、11個檢查點。像控點均布設(shè)在航線主線有效區(qū)域內(nèi)。

2.3 水準網(wǎng)的布設(shè)和精度要求

根據(jù)像控點的網(wǎng)狀要求，四等水準布設(shè)為附合路線。主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 技術(shù)指標要求

水準觀測要求為：視線長度≤100m；前后視距差≤3m；前后視距差累積≤5m；黑紅面讀數(shù)差≤3mm；黑紅面高差之差≤5mm；視線高度要求三絲能讀數(shù)。測量范圍為帶狀不連續(xù)的地形圖，各水準點間距較大，水準路線較長，做單一的附合水準很難達到限差要求。水準點位置位于灌區(qū)兩岸堤上或其附近，可利用地形便利在有大橋過河處通過水準聯(lián)測，形成水準節(jié)點網(wǎng)，保證水準網(wǎng)點的精度。單獨的四等水準附合路線長度不超過80km，環(huán)線周長不超過100km；同級網(wǎng)中節(jié)點間距不超過30 km，山地等特殊地段可適當放寬，但不宜大于上述指標1.5倍，確保精度達到規(guī)范要求。水準點的布設(shè)與GPS網(wǎng)點一致，水準要聯(lián)測沿灌區(qū)堤上斷面樁和水準控制點。每隔2～4 km有一個水準高程點，以達到低空無人機航測對高程控制點密度的要求。

2.4 測量數(shù)據(jù)檢查項及平差結(jié)果分析

水準測量存在誤差，水準測量的實測高差與理論值往往不符合，其差值成為水準路線的閉合差。

（1） 閉合水準路線：閉合水準路線高差的代數(shù)和應(yīng)是零。即∑h理＝0。由于存在誤差，所以實測高差不為零，該數(shù)值即為高差閉合差fh＝∑h測。

（2） 附合水準路線：附合水準路線的所有測段的高差代數(shù)和，理論上應(yīng)等于起、終點兩個已知水準點間的高差。即∑h理＝H終－H起。但實測高差∑h測與∑h理不相等，高差閉合差為：fh＝ ∑ h測－ ∑ h理＝ ∑ h測－（H終－ H起）[1]。

高差閉合差為fh=∑h往+∑h返。

往返測高差不符值、環(huán)線閉合差和檢測高差之差的限差：

參照測量數(shù)據(jù)，水準網(wǎng)的整體大環(huán)是閉合的，先驗證環(huán)閉合差能否達到限差要求，環(huán)閉合差不超限后，根據(jù)已有控制點成果，再分別檢查每段數(shù)據(jù)，直至無誤。

像控點高程測量數(shù)據(jù)，水準網(wǎng)采用先單段平差后整體平差方法，將整體平差出的高差不符值分別平差至各段。以測段16～14為例，單段平差結(jié)果如表2所示。

經(jīng)過對控制點高程進行比較，水準測量誤差小于規(guī)范所要求的限差≤±20，按照本段數(shù)據(jù)計算中誤差為3.16cm。水準網(wǎng)狀路線小于閉合差限差。

2.5 像控點檢查點與水準高程對比

航測數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，得到布設(shè)作為檢查點的像控點共11個。航測高程與水準高程對比如表3所示。

其中，中誤差計算：n＝11個，［VV］＝0.509m，M＝±＝0.065m，完全滿足無人機航測像控點≤±10cm的要求。在水利工程中，常用的大比例尺1∶500地形圖對高程限差的要求為d/3（d為基本等高距），即0.167m，航攝成果統(tǒng)計中誤差小于高程限差要求。因此，輕小型無人機航測的高程精度，除無人機自身原因外，很大程度上取決于像控點的高程精度。使用四等水準測量像控點，能夠有效提高航攝成果高程精度，滿足水利工程要求。

表2 平差結(jié)果表

表3 航測高程與水準高程對比表

3 結(jié)論

輕小型無人機航測系統(tǒng)受平穩(wěn)性、抗震性、載荷能力、續(xù)航時間、多傳感器融合技術(shù)等多種因素干擾[2]，難以有效保證航測精度，像控點的布設(shè)網(wǎng)形、布設(shè)密度、高程精度等因素對航攝成果的高程精度影響很大，因此通過高密度的像控點才能控制航測有效匹配和銜接，保證其平面精度，從而提高航測精度。本文通過實例論述利用四等水準測量像控點，能有效提高像控點的高程精度，達到水利工程對測繪成果的精度要求。