任智龍 李風(fēng)賢 柴生亮 李偉偉

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730000）

近年來，隨著國民環(huán)保意識的不斷提高，河道生態(tài)保護(hù)備受各方關(guān)注[2]。十九大精神指出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，為區(qū)域河道治理工作提供了科學(xué)指南和根本遵循[3]。西北地區(qū)氣候干燥，水資源匱乏，干涸河道占比較大。干涸河道生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)重，由于河道常年沒水或者少水，經(jīng)常會出現(xiàn)向河道傾倒垃圾、排放生活污水、甚至在河道亂采亂挖的現(xiàn)象，造成河堤失穩(wěn)，河道周邊環(huán)境惡化。西北地區(qū)干涸河道的治理迫在眉睫，只有通過河道治理逐漸恢復(fù)河道功能，才能實(shí)現(xiàn)河道資源的有效利用，促進(jìn)區(qū)域生態(tài)的良好發(fā)張，河道治理工作關(guān)系民生，意義重大[4]。

河道治理測量工作中，傳統(tǒng)的測量技術(shù)主要存在以下問題：一是傳統(tǒng)RTK 測量技術(shù)，該技術(shù)是利用GNSS的RTK 測量模式進(jìn)行碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，該技術(shù)在開展過程中需要建立移動站和CORS 基站或移動站與基準(zhǔn)站之間的信號傳遞，信號傳遞質(zhì)量的好壞直接影響測量成果的好壞，而且測量從業(yè)人員的工作量大，效率低，嚴(yán)重影響了河道治理工作的開展。二是傳統(tǒng)無人機(jī)攝影測量技術(shù)，為滿足測量精度的要求，利用傳統(tǒng)無人機(jī)攝影測量技術(shù)進(jìn)行測量工作時(shí)需要布設(shè)像控點(diǎn)，然而西北地址構(gòu)造以黃土為主，河道主要以疏松黃土為主，該介質(zhì)中像控點(diǎn)的布設(shè)和測量難度較大。

隨著無人機(jī)攝影測量技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)免像控?cái)z影測量技術(shù)在地形圖測繪、數(shù)字三維實(shí)景模型建設(shè)等方面的優(yōu)勢不斷凸顯[5]，無人機(jī)免像控?cái)z影測量技術(shù)在河道測量工作中的運(yùn)用能很好的解決傳統(tǒng)河道測量技術(shù)的不足，為河道治理工作提供更高效精確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提升河道治理工作的效率。

本文以蘭州市榆中縣某河道治理工作為例，借助飛馬智能航測系統(tǒng)D200 為研究對象，基于無人機(jī)免像控?cái)z影測量技術(shù)開展了河道三維模型建設(shè)、河道地形圖測繪[6]，河道線路縱橫斷面圖繪制等工作，分析了無人機(jī)攝影測量技術(shù)的測量精度，闡述了無人機(jī)攝影測量技術(shù)在河道治理工程中運(yùn)用的方法和流程。

1 高精度免像控航測系統(tǒng)

飛馬智能航測系統(tǒng)D200 是一款基于高性能旋翼平臺的一體化高精度航測無人機(jī)系統(tǒng)。D200 無人機(jī)的載重量為1kg，單次飛行的時(shí)長最高可達(dá)到40 分鐘，飛機(jī)的飛行安全可靠性高。本次項(xiàng)目中飛馬智能航測系統(tǒng)D200配備搭載兩軸增穩(wěn)云臺的五鏡頭傾斜攝影相機(jī)。

1.1 PPK/RTK 融合差分免像控技術(shù)

本次項(xiàng)目中運(yùn)用PPK、RTK 融合差分技術(shù)進(jìn)行免像控作業(yè)，無人機(jī)飛行時(shí)同時(shí)獲取RTK 實(shí)時(shí)差分信號和PPK 后處理差分信號，在數(shù)據(jù)處理時(shí)對基站數(shù)據(jù)和機(jī)載POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合差分解算，可得到穩(wěn)定的高精度的融合差分POS 數(shù)據(jù)，從而有效的提高了空三數(shù)據(jù)定向的精度。PPK/RTK 融合差分技術(shù)可有效的提高無人機(jī)免像控測圖精度，可達(dá)到1:500 比例尺測圖精度要求。

1.2 高精度多功能數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

無人機(jī)航線規(guī)劃軟件，可根據(jù)任務(wù)區(qū)域的地形起伏和影像要求，基于高精度實(shí)景三維地形自動生成滿足后期處理的最佳飛行方案和航線，能夠在航線角度調(diào)整飛行后任然能滿足后期接邊需求；適配傳感器應(yīng)用模式需求，基于高精度三維模型的地形貼合自動航線算法，生成精準(zhǔn)地形跟隨飛行方案和航線，保證獲取數(shù)據(jù)的全航程一致性。

1.3 一體化智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

“無人機(jī)管家”專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，能夠滿足POS 數(shù)據(jù)解算、像控點(diǎn)量測、快速圖形拼接、數(shù)字正射影像生產(chǎn)、數(shù)字地表模型生產(chǎn)、真正射影像生產(chǎn)、數(shù)字高程模型制作等多種成果需求。

2 工程實(shí)施

無人機(jī)免像控?cái)z影測量施測技術(shù)流程如圖1 所示，首先利用無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)完成攝影測量數(shù)據(jù)采集，然后利用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并完成數(shù)字高程模型（DOM）、數(shù)字地表模型（DSM）、數(shù)字正射影像（DEM）數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)，第三基于以上的數(shù)字產(chǎn)品，利用專業(yè)測圖軟件進(jìn)行二次加工，實(shí)現(xiàn)地形圖、線路縱橫斷面圖等的繪制工作。

圖1 技術(shù)流程圖

2.1 測區(qū)概況

該測區(qū)是蘭州市榆中縣某河道治理工程中的一段，河道地處西北黃土高原，屬于典型的山區(qū)干涸河道，河道中存在垃圾傾倒、污水排放、河堤破壞等現(xiàn)象。測區(qū)段地形復(fù)雜，溝壑比較多，地勢較為平緩，平均海拔約2100米，測區(qū)長度約10 公里，寬度沿河道中心向兩側(cè)延伸約1 公里。測區(qū)在偏遠(yuǎn)山區(qū)，手機(jī)信號弱，GPS 信號弱，易發(fā)生塌方，通視難度大。河道底部及周圍為松動型黃土，像控點(diǎn)布設(shè)難度大。

2.2 數(shù)據(jù)采集

該工程中無人機(jī)攝影測量工作數(shù)據(jù)采集主要由影像數(shù)據(jù)和檢查點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集兩部分[7]。數(shù)據(jù)采集之前首先要進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，現(xiàn)場踏勘的內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：根據(jù)任務(wù)區(qū)域情況及無人機(jī)性能確定最優(yōu)飛行計(jì)劃；觀察現(xiàn)場天氣情況，確定最佳飛行時(shí)間；量測飛行范圍內(nèi)高大建筑物、高大樹木的高度，確定無人機(jī)飛行高度；選擇合適的起飛、降落點(diǎn)，以便提高電池的利用率；無人機(jī)RTK 基站架設(shè)位置選擇，基站架設(shè)位置要考慮周圍視野的開闊性，確保基站信號的傳遞質(zhì)量；選取檢查點(diǎn)布設(shè)位置，檢查點(diǎn)位置的選取要考慮檢查點(diǎn)測量的可實(shí)施性。

2.2.1 影像數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集采用飛馬智能航測系統(tǒng)D200。根據(jù)現(xiàn)場踏勘的資料完成無人機(jī)的裝配、無人機(jī)基站的架設(shè)、相機(jī)檢查等工作后便可進(jìn)行測區(qū)影像數(shù)據(jù)采集。影像數(shù)據(jù)采集的重點(diǎn)在無人機(jī)飛行航線的規(guī)劃設(shè)計(jì)（圖2），航線規(guī)劃的好壞對影像采集的效率和影像質(zhì)量有直接的影響，此次任務(wù)采用無人機(jī)防地飛行的方式采集數(shù)據(jù)，共設(shè)計(jì)了4 條航線，飛行高度155 米，航向重疊度80%，旁向重疊度60%，像素2.0 厘米。

圖2 航線規(guī)劃圖

2.2.2 檢查點(diǎn)坐標(biāo)采集

此次任務(wù)為了驗(yàn)證無人機(jī)免像控?cái)z影測量的精度，在無人機(jī)影像數(shù)據(jù)采集之前布設(shè)了檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)分布在測區(qū)地形特征發(fā)生變化的位置，以提高無人機(jī)免像控?cái)z影測量精度驗(yàn)證準(zhǔn)確度。此次共布設(shè)了30 個(gè)檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)坐標(biāo)的量測采用RTK 技術(shù)實(shí)施，測量前對無人機(jī)基站點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行檢校，保證了無人機(jī)影像POS 和檢查點(diǎn)坐標(biāo)在同一坐標(biāo)系統(tǒng)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用的是飛馬“無人機(jī)管家”一體化智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容有檢查原始影像質(zhì)量，進(jìn)行POS 融合差分解算，坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換工作，空中三角測量定向，以及DOM、DSM、DEM、實(shí)景三維模型等測量成果的生產(chǎn)，此次數(shù)據(jù)處理生產(chǎn)的成果同時(shí)也是后期測量成果的基礎(chǔ)資料，見圖3。

圖3 空三定向

在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)需要注意以下幾個(gè)方面：原始數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，分別從檢查影像像素點(diǎn)、像素點(diǎn)的匹配程度、匹配點(diǎn)的平均高程、成圖比例尺、成圖分辨率、影像航向重疊度、旁向重疊度等多個(gè)角度檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，作為航飛質(zhì)量評價(jià)的可靠依據(jù)；相機(jī)檢校及畸變?nèi)コ?，利用基于地面檢校場模型約束的相機(jī)檢校方法，檢校并輸出更加穩(wěn)定準(zhǔn)確的最優(yōu)相機(jī)模型，保證后期空三解算和測圖精度要求；PPK 和RTK 融合差分解算，取得高精度的差分POS 數(shù)據(jù)；參數(shù)計(jì)算與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，測量成果坐標(biāo)要符合項(xiàng)目要求的坐標(biāo)系統(tǒng)，目前常用的坐標(biāo)系統(tǒng)有北京54 坐標(biāo)系、西安80 坐標(biāo)系、CGCS2000 國家坐標(biāo)系[8]，而高精度融合差分POS 數(shù)據(jù)是以大地坐標(biāo)系（經(jīng)度，緯度，高程）的形式呈現(xiàn)的，這就需要利用四參數(shù)或七參數(shù)對坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以滿足航測生產(chǎn)成果需求。

3 精度分析

將檢查點(diǎn)坐標(biāo)以（東坐標(biāo)x，北坐標(biāo)y，高程h）的格式導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件，完成檢查點(diǎn)在航測影像上的刺點(diǎn)工作，通過無控控制網(wǎng)空三計(jì)算實(shí)現(xiàn)檢查點(diǎn)在數(shù)字正射影像中坐標(biāo)的量測，并與檢查點(diǎn)RTK 測量坐標(biāo)值進(jìn)行比對，計(jì)算出各檢查點(diǎn)的測量誤差值,檢查點(diǎn)的東坐標(biāo)x、北坐標(biāo)y、高程h的測量誤差值分別用Δx、Δy、Δh 表示，平面誤差用Δs表示（表1）。

表1 DOM 測量坐標(biāo)與RTK 測量坐標(biāo)較差 cm

檢查點(diǎn)坐標(biāo)的中誤差為：

式中，Δ 為檢查點(diǎn)誤差值，n 為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)。

由表1 可知Δx 的最大值為4.8cm，中誤差mx 為±2.5cm；Δy 的最大值為4.5cm，中誤差my 為±2.6cm；Δs的最大值為5.9cm，平面中誤差ms 為±3.6cm；Δh 的最大值為8.0cm，高程中誤差ms 為±4.6cm。檢查點(diǎn)平面精度和高程精度均能夠滿足《數(shù)字?jǐn)z影測量空中三角測量規(guī)范》[9]中丘陵地帶1:500 比例尺測圖的要求。

4 河道圖形測繪

為滿足河道治理工作的需要，在利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)完成河道數(shù)據(jù)的采集工作后，需要基于高精度的攝影測量成果完成河道地形測繪工作，河道圖形測繪的主要成果有河道帶狀地形圖、河道縱斷面圖、河道橫斷面圖。河道圖測繪內(nèi)容包括繪圖數(shù)據(jù)的獲取和圖形的繪制兩部分。主要技術(shù)流程如下，首先將河道實(shí)景三維模型或數(shù)字正射影像導(dǎo)入EPS 測圖軟件，在EPS 中完成河道縱橫斷面繪制所需的點(diǎn)位坐標(biāo)的采集，然后將采集好的坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CASS 圖形繪制軟件進(jìn)行繪圖工作。其中河道大比例尺地形圖的測繪可以直接利用EPS 軟件完成，大比例尺地形圖測繪是EPS 的主要模塊之一，EPS可以直接進(jìn)行地貌、地物的采集工作。利用實(shí)景三維模型進(jìn)行圖形立體測量工作，降低了傳統(tǒng)測圖外業(yè)數(shù)據(jù)獲取的難度，解決了應(yīng)地形環(huán)境等因素影響人無法到達(dá)的測量技術(shù)難題。EPS 數(shù)據(jù)采集流程主要包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)修改、數(shù)據(jù)輸出。

河道地形圖繪制內(nèi)容包括河道地形以及河道周邊地貌、地物元素，本次測量的河道是干涸河道，不涉及水下地形的測量。此次地形圖測繪的測圖比例尺為1:1000，圖形成果滿足1:1000 測圖比例尺精度要求，河道地形圖如圖4 所示。

圖4 河道地形圖示意

河道縱橫斷面圖繪制，河道斷面圖在河道治理、設(shè)計(jì)工作中是比較重要的圖紙，要求的精度比較高，數(shù)據(jù)量測時(shí)需要特別注意以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：地形變化較大的位置、河道轉(zhuǎn)彎的位置必須設(shè)置橫斷面；橫斷面測量時(shí)需要提前設(shè)定好測量樁號設(shè)計(jì)好樁點(diǎn)位置和裝點(diǎn)里程；橫斷面應(yīng)從岸頂向外延伸30 米左右（圖5）；河道縱斷面圖沿著河道的中心線做河道的坡面，以河道的里程為x 軸，以河底的高程為y 軸建立的河道中心坡度及落差的走勢圖（圖6）。

圖5 河道橫斷面示意圖圖

圖6 河道縱斷面局部示意圖

5 結(jié)論

目前，在河道治理測量工作中傳統(tǒng)測量技術(shù)主要存在以下兩個(gè)問題，一是傳統(tǒng)RTK 測量技術(shù)需要設(shè)備之間傳遞信號和測區(qū)有良好的通訊條件，受測區(qū)通訊信號的好壞和信號傳遞距離的限制嚴(yán)重；二是傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)需要利用控制點(diǎn)對影像測量成果進(jìn)行糾正，受像控點(diǎn)布設(shè)要求的限制嚴(yán)重。以飛馬無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)D200研究對象，基于PPK 和RTK 融合差分技術(shù)的無人機(jī)免像控?cái)z影測量技術(shù)很好的解決了傳統(tǒng)技術(shù)存在的問題。

結(jié)合無人機(jī)免像控?cái)z影測量技術(shù)的迅速發(fā)展，以西北地區(qū)干涸河道實(shí)際項(xiàng)目為例，驗(yàn)證了無人機(jī)免像控?cái)z影測量技術(shù)使用與河道治理測量工作中的可行性，該技術(shù)能夠滿足1:500 比例尺測圖精度的要求。

詳細(xì)的介紹了無人機(jī)免像控技術(shù)運(yùn)用于河道地形圖、河道縱橫斷面圖、河道數(shù)字實(shí)景三維模型測繪的詳細(xì)操作流程。后續(xù)，我將持續(xù)深入研究，推進(jìn)無人機(jī)攝影測量技術(shù)在河道檢測、河道生態(tài)保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，為從事河道工程、測繪工程等相關(guān)工作及研究的人員提供參考，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。