李向東 LI Xiang-dong

（中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410000）

0 引言

無人機攝影測量系統(tǒng)是近年來出現的一項新興測量技術，作為一項空間數據獲取的重要手段，可以實現影像的實時傳輸、高危地區(qū)探測，具有技術靈活、成本低、高效等優(yōu)點。近年來，無人機航測憑借著諸多優(yōu)勢在水利工程領域得到了廣泛的應用，本文主要圍繞此展開詳細分析。

1 無人機航測技術發(fā)展概述

20 世紀70 年代末，Przybilla 和Wester-Ebbinghaus 將攝像裝置搭載到無人飛機中，第一次將無人機系統(tǒng)運用在攝影測繪中，然而并沒有取得試驗前預想到的理想效果，卻也為無人機的用途開發(fā)提供了一個新的方向，這也是攝影測量史上的一次偉大革命，是一個巨大的轉折點，意味著無人機航測時代的來臨。

2003 年我國頂尖測繪研究所成功研究并開發(fā)了低空無人機遙感系統(tǒng)“UAVRS-Ⅱ”；通過利用該遙感系統(tǒng)獲得了某一試驗區(qū)的影像成果，利用該成果完成了試驗區(qū)DOM（數字正射影像）和DLG（數字線劃圖）的制作，這也成為我國無人機攝影測量系統(tǒng)的先驅者。2010 年，我國首次將小型無人機攝影技術應用于大比例尺測圖中，取得了圓滿成功，隨后我國不斷有學者開始研究無人機航測技術在工程測繪中的應用，并得到一些可行性方案，如：有學者將圖鷹X-100 低空無人機攝影測量系統(tǒng)運用到某一區(qū)域1∶2000 大比例尺測圖的實例研究中，對實例研究中出現的一些關鍵性問題和難題進行了說明并提供了解決方法，最后還對制作的成果進行了精度分析，通過查看精度分析的成果驗證了無人機低空攝影測量系統(tǒng)在1∶2000 比例尺測圖中的應用是成功可行的?？偟膩碚f，無人機測繪技術已然成為研究熱點，并且在測繪作業(yè)任務中使用也越來越廣泛，如：資源和環(huán)境監(jiān)測、城市規(guī)劃建設、公路勘察設計、水利工程建設和應急測繪保障等領域。本文主要就無人機航測在水利工程中的應用展開詳細分析。

2 無人機航測系統(tǒng)組成與應用基本流程

2.1 無人機航測系統(tǒng)組成

無人機航空攝影測量系統(tǒng)利用無人機作為承載平臺，集成航測任務所需的各種設備和裝置，可快速獲取視頻、影像、位姿信息等數據，具有便捷靈活、成本低、精度高、可實時觀測等諸多優(yōu)勢。無人機系統(tǒng)主要有三個方面組成（見圖1）：①飛行平臺：包括無人機機身、飛行動力裝置以及飛行控制裝置，其中，大多數固定翼無人機機身材料使用的是一些高強度、高質量的物質材料，多旋翼無人機一般采用新型材料碳纖維材質；大型無人機一般采用燃油方式提供動力，而小型無人機供電方式最為常見的是由鋰電池進行供電，但由于鋰電池儲存電量有限，因此續(xù)航問題依舊是制約小型無人機發(fā)展的一大難題；飛行控制裝置是整個飛行平臺的核心，發(fā)揮著控制無人機起降、飛行軌跡的作用。②信息采集系統(tǒng)：通過無人機自帶相機或者外接相機進行拍照完成像片數據的采集。③地面控制系統(tǒng)：包括顯示屏幕、控制系統(tǒng)（可根據情況來切換為手動模式和自動模式）以及數據傳輸系統(tǒng)。

圖1 無人機系統(tǒng)的組成

2.2 無人機航測技術應用基本流程

根據測繪任務所選的無人機類型的不同和目標區(qū)域的具體地形特征差異，無人機影像數據的獲取流程也會隨之變化，一般情況下主要包括：飛行任務規(guī)劃、現場作業(yè)、數據檢查、數據處理等主要步驟。

2.2.1 飛行任務規(guī)劃

任務規(guī)劃是現場作業(yè)之前的準備工作，包括收集目標區(qū)域的氣候和地形情況等資料內容，根據所需影像和最終數據產品所需的分辨率和精度，確定影像的地面分辨率（GSD）、無人機飛行高度、影像重疊度以及規(guī)劃航線路徑等項目內容。

①確定現場任務時間和大致范圍：收集目標區(qū)域近期的氣象數據、詳細地形影像以及最新禁飛政策等。根據近期氣象數據和天氣預報，確定適宜的現場數據采集時間：根據目標區(qū)域的地形影像數據，如谷歌、高德地圖等，可以對工作區(qū)域進行初步的規(guī)劃；最后根據最新的無人機禁飛空域，確定大致的現場作業(yè)范圍。②確定影像的地面分辨率：影像的地面分辨率是數據采集之前需要確定的一項重要參數，分辨率越高影像上能然識別的地物細節(jié)越鮮盡，但同時需要采集的數據量越大，因此在確定地面分辨率的時候，應將測區(qū)的地形環(huán)境條件、在不同比例尺下航片的要求以及影像的用途等因素考慮在內。③規(guī)劃無人機飛行高度：無人機進行航測時，根據影像地面分辨率GSD、相機的焦距f 以及像元尺寸p，可以確定飛行高度H，其關系如下式所示：。④確定圖像重疊度：為保證繪制地形圖的準確度，應確保航攝所得相片的重疊度在一定范圍內。同一條航線上拍攝所得相鄰的相片，其重疊度稱為航向重疊度，應控制在60%～65%范圍之內，最低不能小于53%。相鄰的兩條航線之間拍攝所得的相片，其重疊度稱為旁向重疊度，應控制在30%～35%范圍之內，最低不能小于15%。⑤確定航線路徑：已知圖像重疊度、像幅尺寸和飛行航高，可計算攝影基線的長度，即兩相機中心之間的距離；在垂直于航線方向上，可計算攝影基線的長度即為兩條相鄰航線之間的距離，在航線方向上，可通過攝影基線的長度和無人機飛行速度可以確定相機曝光時間的間隔。

2.2.2 現場作業(yè)

現場作業(yè)主要包括無人機圖像數據采集和地面控制點量測。無人機圖像采集需要考慮現場天氣和周圍環(huán)境對作業(yè)的影響，一般選擇較少云或者無云的天氣。無人機的起降點要選擇較空曠的平地，四周無高大建筑物和樹木遮擋，衛(wèi)星GPS 信號良好即可。無人機航拍工作流程如下：①現場踏勘。在拍攝前需事先熟悉場地及其周邊的情況，通過現場踏勘調整航線，如果踏勘后發(fā)現存在問題，需要對初始設定航線進行調整，完成之后進行航拍工作。②設備檢查。無人機起飛之前需要進行設備檢查與調試，包括GPS 搜星情況、指南針、電池電量、相機鏡頭和云臺活動情況等。③控制點量測：控制點量測工作中，需要選定合適的控制點位置，一般選擇細小線狀地物的交點、明顯地物拐角點或者較小的點狀地物中心，在影像上比較明顯，易于判讀和量測，同時需要保證控制點周圍高程起伏較小且常年相對固定。對于無明顯地物點的區(qū)域，可以使用噴涂標志或自制標志物的方式來確定控制點。選定地面控制點之后，利用RTK 進行量測獲取控制點的大地坐標。④航拍工作。確定設備無誤之后，上傳本次任務的航線數據傳輸至無人機的飛控系統(tǒng)，然后開始航拍工作，過程中需要時刻注意無人機的飛行狀態(tài)，出現問題迅速解決，解決不了時及時將無人機召回。

2.2.3 數據檢查

無人機在空中的飛行作業(yè)容易受到各種各樣的影響。例如風速過大、云霧遮擋、降雨等天氣情況，還有可能存在的空中障礙（如電纜、樹枝等），往往使得飛行航線偏移規(guī)劃航線，影響采集影像數據的質量，最終影響成圖結果的精準程度。因此，在無人機航拍任務結束后，需要對影像數據的質量進行檢查，確保其精度滿足要求。

2.2.4 數據處理

①影像數據預處理：由于航攝時順光和逆光差異導致照片的飽和度、色相及亮度均不一致，因此拍攝的照片需通過與相機配套的專業(yè)軟件進行勻光、勻色預處理，形成最佳影像數據。②POS 數據預處理：POS 原始數據，利用軟件選擇該架次距離攝區(qū)最近的基站數據進行解算，按照載波相位測量差分GPS（DGPS）定位技術，定位每張照片曝光時機載GPS 的WGS84 框架坐標，利用CQG2000 模型加地方重力改正擬合高程；再將GPS 數據和IMU 數據進行聯合處理，針對項目成果需要的投影和坐標系統(tǒng)，經過參數轉換，納入偏心角改正后，解算出每張像片的6 個外方位元素。③三維建模：無人機采集的傾斜攝影數據可通過Context Capture Center、Photo Scan 等軟件進行處理。由于Context Capture Center 可以進行集群運算（多臺機器同時計算），可以有效減少數據處理時間，因此建議用Context Capture Center 進行處理。傾斜攝影可生成三維模型，同時還能生成DOM 和DSM，通過專業(yè)軟件處理可產生DEM 和DLG。

3 實例探析無人機航測在水利工程中的應用

3.1 研究區(qū)概況

某水庫工程控制約34000km2的流域，水利總庫容為19 億m3，年均發(fā)電量可達5.55 億千瓦時，庫區(qū)處于丘陵地帶，周圍的陸地地區(qū)地形起伏變化較大，最高海拔約為734m，最低海拔約為8m。為實現水庫初步劃界，獲取無人機航測規(guī)劃的參考邊界，本文將獲取的WorldView-2 影像作為基礎數據，為水庫整體情況摸查提供完整的遙感數據，也為無人機航測提供準確的前期參考，此外由于水庫面積較大，違法違章嫌疑案例較為分散，因此選取合適的水庫示范區(qū)，利用FCN 進行違法違章嫌疑區(qū)的智能化提?。ㄒ妶D2）。

圖2 水庫測量方案

3.2 無人機航測技術的應用情況

3.2.1 野外工作

本工程采用大疆精靈系列無人機多旋翼飛行平臺拍攝水庫的影像。該機型在平原和丘陵地帶的平整地面均可起飛、安全靈活；影像地面分辨率優(yōu)于0.05m，航向重疊度為65%～80%，旁向重疊度為60%～70%，相對航高設置不高于200m。由于海拔高差相差較大，最高可至700 多m，最低處小于10m，因此將水庫分為丘陵和平原兩種情況進行航測飛行，丘陵地區(qū)重疊度較低，相對航高設置也較高，地面分辨率較平原地區(qū)低。由于經費、人力等條件限制，本次航測計劃選取大于水庫管理區(qū)范圍、小于保護區(qū)外邊界、面積約為700km2的區(qū)域作業(yè)，實際航測面積約為750km2，正射影像的地理坐標系采用CGCS2000，投影采用高斯-克呂格投影的3°分帶，數字高程模型采用1985 國家高程基準。

3.2.2 水庫確界

①水庫管理區(qū)范圍和保護區(qū)范圍的初步劃定。本文根據水文分析提取了水庫集水線和集水區(qū)域，并將其與初步劃定的管理區(qū)邊界相交的集水區(qū)外邊界作為保護范圍外邊界，而初步劃定的管理區(qū)邊界與該保護范圍外邊界之間的區(qū)域即為初步界定的水庫保護區(qū)范圍。初步劃定的水庫總面積約為1800km2，該范圍過大、實際航測耗費時間較長，由于經費有限，因此在保護區(qū)外邊界范圍內選定700km2的區(qū)域進行無人機航測作業(yè)，該區(qū)域完全覆蓋管理區(qū)范圍，充分滿足管理區(qū)確界需求。

②水庫管理區(qū)范圍和保護區(qū)范圍的最終確界。通過內業(yè)數據處理的相關步驟，對無人機拍攝的高分辨率影像進行拼接、融合、控制點刺點糾正，分別生產1∶2000 的水庫正射影像圖和數字高程模型。

基于無人機數據生產的高分辨率數字高程模型，通過高程線提取、水文分析得到最終確界結果如圖3 所示，統(tǒng)計指標如表1 所示，可以看出，雖然管理區(qū)范圍大于初步劃定的管理區(qū)，但此次無人機航測范圍仍滿足水庫管理區(qū)范圍的確界需求；初步劃定的管理區(qū)與最終劃定的管理區(qū)范圍整體上較為相似，但最終劃定的管理區(qū)范圍邊長是初步劃定的管理區(qū)范圍邊長的兩倍以上，說明最終確界的管理區(qū)邊界在細節(jié)上更為精細。對比初步確界和最終確界的管理區(qū)邊界可知，主干流域大部分都被劃入管理區(qū)范圍，但最終確界的管理區(qū)邊界在細節(jié)上更加貼合流域邊界；而在支流部分，初步確界的管理區(qū)邊界雖然更為平滑，但部分流域未完整劃入管理區(qū)范圍，且無人機航測數據的空間分辨率更高，最終確界的管理區(qū)邊界比初步確界結果更準確。

圖3 水庫最終確界的管理區(qū)和保護區(qū)范圍

表1 水庫最終確界范圍統(tǒng)計

3.2.3 水庫示范區(qū)違法違章嫌疑區(qū)解譯

基于無人機航測的水庫示范區(qū)的正射影像，利用FCN中的FCN-16 模型實現該示范區(qū)的影像分類。首先制作繪制標簽，通過256×256 滑動窗口，以100 的步長進行剪裁，得到8791 張樣本，為減少訓練樣本對人工的依賴，再將所有樣本分別進行鏡像翻轉以及90°、180°和270°三個方向的旋轉，通過數據增強的方式擴大樣本量，最終得到43955 張原始圖像和對應樣本，其中隨機選取35164 張用于訓練，其余8791 張用于驗證。

將訓練模型應用至分類中，得到水庫示范區(qū)的分類圖，裸地、建筑、道路、船只、植被和水體6 種地物均可被分類模型識別出來，分類結果具有較高的精度，可用于分析和進一步應用?；诜诸惤Y果，結合確界數據，提取得到示范區(qū)的違法違章嫌疑區(qū)共計30 處，主要集中在北江沿岸兩側以及支流的水面，其中數量最多的是網箱養(yǎng)魚和開墾兩類嫌疑區(qū)；北江沿岸兩側存在14 處違法違章嫌疑區(qū)，主要為開墾和庫區(qū)河鮮船，北江西側存在一個較大的采砂場；支流存在16 處違法違章嫌疑區(qū)，靠近北江的流域水面存在大量網箱養(yǎng)魚的情況，接近支流末端的違法違章嫌疑區(qū)主要為開墾。

4 結語

綜上所述，在水利工程領域中，利用無人機獲取的測量成果可反映工程區(qū)地表情況和地質狀況，從不同方位反映物體的形狀、大小和高差，使相關工作人員可準確全面掌握工程全貌全局，得到細部點的高精度空間關系。工程實踐中無人機航測技術的應用會涉及很多專業(yè)知識，比如各種參數設置、無人機設備等，這就需要在實踐中不斷總結經驗，從而讓無人機技術更好地服務于水利測繪工作。