馬廣恩,羅火錢(qián),李鳳濱,師 琨,劉我慶

(1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000；2.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 院士專(zhuān)家工作站，福建 永安 366000；3.福建省三明水文水資源勘測(cè)分中心，福建 三明 365000)

我國(guó)的水問(wèn)題相比全球其他國(guó)家更為嚴(yán)峻和突出，尤其是福建省屢次遭受臺(tái)風(fēng)侵襲以及洪澇災(zāi)害的威脅。因此急需建設(shè)“數(shù)字流域”來(lái)研究和解決福建省江河水利水害問(wèn)題。數(shù)字流域是1998年由張勇傳院士提出的一個(gè)跨學(xué)科的交叉科學(xué)領(lǐng)域，旨在利用現(xiàn)代技術(shù)手段和研究方法將人類(lèi)對(duì)于水利資源的研究放在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)某一流域信息的采集和數(shù)字化，把人們對(duì)流域的認(rèn)識(shí)從文字圖像升級(jí)為數(shù)字形式。本文以文川溪為研究對(duì)象，利用地理信息科學(xué)和新興的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)生成文川溪流域的數(shù)字化產(chǎn)品，為文川溪數(shù)字流域和智慧水利建立和研究的基礎(chǔ)資料。

1 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)航測(cè)是傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量手段的有力補(bǔ)充，具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，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)已顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1-5]。無(wú)人機(jī)與航空攝影測(cè)量相結(jié)合使得“無(wú)人機(jī)數(shù)字低空遙感”成為航空遙感領(lǐng)域的一個(gè)嶄新發(fā)展方向。

無(wú)人機(jī)航測(cè)具有如下特點(diǎn)：

(1)成本低。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量相比傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量以及遙感監(jiān)測(cè)等手段，操作運(yùn)行成本比較低，降低了作業(yè)入門(mén)的門(mén)檻，便于各個(gè)水利部門(mén)自行開(kāi)展航測(cè)業(yè)務(wù)。

(2)分辨率高。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)時(shí)段，調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行高度和速度，規(guī)劃合理的飛行路線(xiàn)，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量可以獲取分辨率高的影像。普通航空攝影和衛(wèi)星遙感影像獲取過(guò)程會(huì)受到比較多大氣云層的干擾。

(3)易操作。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量只需1～2人組成工作小組，甚至可以單兵作戰(zhàn)。無(wú)人機(jī)體積較小，便于攜帶、組裝、折疊，操作比較簡(jiǎn)便。而航空攝影測(cè)量或衛(wèi)星遙感需要組織大量的人力物力，或者依賴(lài)衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)，對(duì)于各級(jí)基層水利部門(mén)來(lái)說(shuō)非常難以實(shí)施。

(4)效率高。無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)由外業(yè)航拍和內(nèi)業(yè)處理組成。無(wú)人機(jī)短時(shí)間即可覆蓋大片區(qū)域，作業(yè)時(shí)間很短。內(nèi)業(yè)處理根據(jù)計(jì)算機(jī)配置不同會(huì)略有差別。相比傳統(tǒng)測(cè)量方式，效率顯著提高。

據(jù)此，無(wú)人機(jī)航測(cè)可廣泛應(yīng)用于國(guó)家重大工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急與處理、河長(zhǎng)制管理、水利管理等方面，尤其在小流域水利水電管理、水利在建工程監(jiān)察、小流域數(shù)字模型建立等方面具有廣闊前景[6]。所以，利用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行河道、流域地形測(cè)繪，不僅能降低外業(yè)測(cè)繪的工作強(qiáng)度，而且能大大縮短成圖周期。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)在文川溪數(shù)字流域及智慧水利中應(yīng)用的具體實(shí)例

文川溪曾名清溪，是繞連城縣縣城東南曲折向北而去的閩江水系上游小支流。自陳地、定坑、馬坑山發(fā)源，沿溪山澗陡峭，流小而湍急。姚坊以上匯集8條小澗，流量漸大。后注于閩江上游沙溪，經(jīng)南平于福州入海。境內(nèi)全長(zhǎng)約72.8 km，落差約15 m，流域面積約為396 km2，共有支流34條，年徑流量4.98億m3，流域沿岸惠及人口約為80萬(wàn)人。文川溪局部概覽(見(jiàn)圖1)。過(guò)往對(duì)文川溪流域利用傳統(tǒng)手段所建立資料在三維模型上有所欠缺[8],因此用地理信息科學(xué)和新興的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)相結(jié)合共同生成文川溪流域的數(shù)字化產(chǎn)品，可作為文川溪數(shù)字流域和智慧水利建設(shè)依據(jù)。

圖1 文川溪局部概覽

2.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)前精度的選取

根據(jù)航空攝影測(cè)量規(guī)范的要求，在確保成圖精度的前提下，本著有利于縮短成圖周期、降低成本、提高測(cè)繪綜合效益的原則在表1的范圍內(nèi)選擇。

表1 測(cè)圖比例尺和地面分辨率對(duì)照表

2.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)前設(shè)備選型

本次飛行選用幻影HEK1300八旋翼無(wú)人機(jī)(見(jiàn)圖2)。該飛機(jī)采用碳纖復(fù)合材，強(qiáng)韌、穩(wěn)固的機(jī)身結(jié)構(gòu)，超簡(jiǎn)約電機(jī)系統(tǒng)，GNSS定位系統(tǒng)，集多種功能于一體，搭載SONYα60單反相機(jī)，有效像素6 000萬(wàn)。根據(jù)航測(cè)任務(wù)的需求，定制兩軸云臺(tái)搭載相機(jī)，安裝方便，功能靈活。從氣動(dòng)原理上講，八旋翼比四旋翼無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程更穩(wěn)定，對(duì)于復(fù)雜天氣條件的耐受度更高[7]。

圖2 幻影HEK1300八旋翼無(wú)人機(jī)

2.3 無(wú)人機(jī)航測(cè)中飛行方案的設(shè)計(jì)

本次飛行面積約5 km2，地形以河道為主，觀(guān)測(cè)和拍攝范圍為：沿著河道中心線(xiàn)平均海拔約180 m，最高約180.5 m，最低約179.9 m。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，本次飛行方案采用Sony RX1R II微單數(shù)碼相機(jī)，設(shè)計(jì)地面分辨率4 cm，相對(duì)航高311 m，航向重疊80%，旁向重疊60%，共設(shè)計(jì)2架次飛行作業(yè)。按照以上計(jì)劃在地面站中設(shè)置飛行路線(xiàn)、設(shè)置飛行重疊率、完成飛機(jī)自檢、動(dòng)力電池自檢等步驟，然后，根據(jù)民航總局頒布的一般運(yùn)行和飛行規(guī)則，規(guī)范、高效、準(zhǔn)確的完成飛行和航拍，獲取高質(zhì)量低空影像。

測(cè)區(qū)平均飛行高度約為300 m，根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)高程，計(jì)算可得實(shí)際獲取影像的地面采樣間隔為3.9～4.0 cm，滿(mǎn)足1 ∶500航攝規(guī)范的要求。

2.4 無(wú)人機(jī)航測(cè)中控制點(diǎn)測(cè)量的設(shè)計(jì)

根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范(CHZ/3004—2010)》進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)。為了后期使用context capture處理數(shù)據(jù)有足夠的像控點(diǎn)，可以根據(jù)河道長(zhǎng)度沿著河道進(jìn)行布設(shè)。大概每相隔1 km布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn)，也可根據(jù)河道兩岸的建筑物、地物分布情況合理加密或精簡(jiǎn)控制點(diǎn)個(gè)數(shù)。控制點(diǎn)坐標(biāo)利用FJ-CORS網(wǎng)絡(luò)RTK方法量測(cè)得到，選取在地面具有明顯標(biāo)識(shí)處，或者使用專(zhuān)用的地面標(biāo)志點(diǎn)位，測(cè)定其轉(zhuǎn)角點(diǎn)坐標(biāo)作為控制點(diǎn)坐標(biāo)。為提高控制網(wǎng)精度，在不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)的凸角和凹角區(qū)域都增設(shè)了控制點(diǎn)。另外，為了提高加密控制點(diǎn)的質(zhì)量，就算是高程控制點(diǎn)也加測(cè)了其平面坐標(biāo)，以便后期檢核使用。

3 無(wú)人機(jī)航測(cè)成果

在確定精度、設(shè)備選型、飛行方案設(shè)計(jì)、控制點(diǎn)測(cè)量設(shè)計(jì)等前期準(zhǔn)備工作做好后，便運(yùn)用于數(shù)字流域進(jìn)行汶川溪的三維模型生成。

3.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)中河流三維模型和正射影像的建立

在context capture軟件中新建工程，導(dǎo)入所獲取的低空影像，并進(jìn)行控制點(diǎn)影像關(guān)聯(lián)(俗稱(chēng)刺點(diǎn))，提交空中三角測(cè)量計(jì)算任務(wù)(其中導(dǎo)入POS、導(dǎo)入控制點(diǎn)、填寫(xiě)相機(jī)參數(shù)都是可選項(xiàng)目，影響最終精度)。

空中三角測(cè)量計(jì)算任務(wù)完成之后，得到一個(gè)新區(qū)塊(block)，每張影像都有精確的內(nèi)外方位元素。提交重建任務(wù)，則軟件會(huì)為重建出影像采集區(qū)域的三維模型和正射影像(見(jiàn)圖3—4)。

圖3 無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中生成的河流區(qū)域正射影像

圖4 無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中生成的河流區(qū)域三維模型

3.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)中河流數(shù)字線(xiàn)劃圖(DLG)的生成

利用SV360對(duì)生成的三維模型進(jìn)行繪圖處理，利用這款軟件的立體采集繪制功能，不需要紅綠眼鏡和任何外置設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的直接采集。通過(guò)DLG立體采集、調(diào)繪及補(bǔ)測(cè)、編輯自檢后，將生成河流數(shù)字線(xiàn)劃圖成果保存(見(jiàn)圖5)。

圖5 利用軟件處理生成河流數(shù)字線(xiàn)劃圖

實(shí)際上，多款主流軟件都可以根據(jù)流域測(cè)區(qū)內(nèi)的三維模型進(jìn)行數(shù)字線(xiàn)劃圖的制作。由于數(shù)字線(xiàn)劃圖是項(xiàng)目驗(yàn)收、工程規(guī)劃、政府存檔等領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)地理信息資料，因此流域數(shù)字線(xiàn)劃圖的制作非常重要。

4 結(jié)語(yǔ)

為了更好地保護(hù)和利用好福建省豐富的河流流域資源，需要建立基于數(shù)字流域支撐的智慧河流數(shù)據(jù)是其余各項(xiàng)工作的基礎(chǔ)。無(wú)人機(jī)航測(cè)可以快速、準(zhǔn)確的獲取河流及其沿岸的低空影像，以此為基礎(chǔ)快速建立生成圖片區(qū)域的三維模型和正射影像圖、數(shù)字線(xiàn)劃圖等成果。相比傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量和其他測(cè)繪測(cè)量方式，這種方法精度夠、效率高、易操作、成本低，可滿(mǎn)足不同的水利部門(mén)對(duì)于快速獲取智慧水利基礎(chǔ)資料的需求，建立實(shí)時(shí)更新的數(shù)字流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，為智慧水利的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。