任 彤，趙建永，馬占輝

（1.海河水利委員會(huì)水文局，天津 300170；2.河北省保定水文勘測(cè)研究中心，河北 保定 071025）

1 引言

水文測(cè)站考證是為反映水文資料一致性可能受影響的程度，與測(cè)站水文要素觀測(cè)同步，對(duì)測(cè)驗(yàn)環(huán)境條件、觀測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)質(zhì)量和測(cè)站測(cè)驗(yàn)任務(wù)變化情況進(jìn)行的相關(guān)測(cè)量、記錄、說(shuō)明和行程考證的工作，是選擇水文資料整編方法和使用資料的依據(jù)[1]。測(cè)驗(yàn)河段平面圖作為測(cè)站考證中的重要內(nèi)容，能夠反映測(cè)驗(yàn)河段的河道情況、測(cè)驗(yàn)設(shè)施的布設(shè)情況及下墊面條件變化情況，為水文測(cè)站的運(yùn)行管理提供重要依據(jù)。測(cè)驗(yàn)河段平面圖測(cè)繪主要依靠高精度GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，下同）和全站儀等傳統(tǒng)測(cè)量方式。由于水文測(cè)站主要建設(shè)在山區(qū)、河流、湖庫(kù)等周邊，傳統(tǒng)測(cè)量方式受地形、地貌、水域和天氣等條件限制，時(shí)常出現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)差和通視條件不佳等測(cè)量盲區(qū)問(wèn)題，且后期繪圖過(guò)程中可能由于關(guān)鍵地物要素測(cè)量缺失或碎部點(diǎn)測(cè)量密度不夠出現(xiàn)補(bǔ)測(cè)或返工的情況，測(cè)驗(yàn)河段平面圖測(cè)繪效率不高。

無(wú)人機(jī)航測(cè)作為傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量手段的有力補(bǔ)充，具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速和適用范圍廣等特點(diǎn)，在中小區(qū)域和測(cè)量環(huán)境較復(fù)雜地區(qū)測(cè)繪方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。以大草坪水文站為例，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，研究繪制測(cè)驗(yàn)河段平面圖新的方式和方法，有效提升了外業(yè)作業(yè)效率和成圖的精細(xì)程度及范圍，是無(wú)人機(jī)在水文勘測(cè)工作中一次成功探索，也為無(wú)人機(jī)在水文行業(yè)的應(yīng)用提供了參考。

2 關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是多種技術(shù)融合的產(chǎn)物，主要包括飛行器技術(shù)、傳感器技術(shù)、姿態(tài)控制技術(shù)、通信技術(shù)和影像處理技術(shù)等，是當(dāng)前測(cè)繪遙感領(lǐng)域中快速發(fā)展的高新技術(shù)，在測(cè)繪行業(yè)中廣泛應(yīng)用。該技術(shù)是在同一飛行平臺(tái)上搭載多個(gè)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直和四個(gè)傾斜五個(gè)不同角度采集影像，多角度、多方位對(duì)地物進(jìn)行信息采集，因此其獲取的地形、地物和地貌信息更完整、更全面。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)由傾斜相機(jī)、GNSS、IMU（慣性測(cè)量單元，下同）系統(tǒng)和多種傳感器高度集成，如圖1 所示。攝影相機(jī)提供影像信息，GNSS、IMU 分別提供位置和姿態(tài)信息，多種傳感器為無(wú)人機(jī)提供飛行輔助。在數(shù)據(jù)后處理過(guò)程中，通過(guò)照片影像，結(jié)合飛機(jī)姿態(tài)、位置數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)進(jìn)行空中三角測(cè)量處理，將照片“轉(zhuǎn)化為”賦予三維坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)或三維模型，供使用者根據(jù)需求輸出成果進(jìn)行進(jìn)一步應(yīng)用。

3 實(shí)例分析

3.1 大草坪水文站概況

大草坪水文站為省界水資源專用水文測(cè)站，站址位于河北省豐寧滿族自治縣湯河鄉(xiāng)大草坪村，屬潮白河系湯河流域，控制流域面積622 km2，主要承擔(dān)潮白河白河水系一級(jí)支流湯河由河北省入北京市水資源量監(jiān)測(cè)任務(wù)。按照《水文測(cè)站考證技術(shù)規(guī)范》（SL742-2017）有關(guān)要求，開展大草坪水文站測(cè)驗(yàn)河段平面圖測(cè)繪工作。該水文站三面環(huán)山，周邊地形高差較大，測(cè)量條件較為復(fù)雜，本文采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)完成水文站測(cè)驗(yàn)河段平面圖測(cè)繪任務(wù)。

3.2 軟硬件平臺(tái)

本次使用搭載五鏡頭的六旋翼無(wú)人機(jī)，飛機(jī)續(xù)航時(shí)間30 min，相機(jī)鏡頭為索尼ILC-E5100，垂直鏡頭焦距25 mm，傾斜鏡頭焦距35 mm，單架次飛行控制面積約0.25 km2。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理采用Smart3D Capture和3DReshaper 軟件，繪圖使用南方CASS 軟件，輔助軟件為Google earth，輔助設(shè)備包括高精度GNSS設(shè)備等。

3.3 技術(shù)路線

技術(shù)路線，如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

3.3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要包括影像采集和像控點(diǎn)采集。在山區(qū)測(cè)繪環(huán)境中，能發(fā)揮旋翼無(wú)人機(jī)快速、高效和靈活特點(diǎn)，避免測(cè)量人員攜帶設(shè)備登山和山區(qū)衛(wèi)星定位信號(hào)不穩(wěn)定等情況。此次航測(cè)外業(yè)人員投入3 人，作業(yè)時(shí)間80 min，在保證測(cè)量精度前提下，極大提升了外業(yè)作業(yè)效率。

測(cè)驗(yàn)河段平面圖中不僅包括測(cè)站測(cè)驗(yàn)河段的范圍，而且包含測(cè)站所有水文測(cè)驗(yàn)設(shè)施，測(cè)驗(yàn)河段附近村莊、橋梁、鐵路、公路和主要水工建筑物等地形地物應(yīng)完整繪入，山地應(yīng)繪制等高線。根據(jù)規(guī)范要求，考慮水文站重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域和周邊地形高差，為保證后期建模和DOM（數(shù)字正射影像，下同）精度，使用分區(qū)域影像獲取方式進(jìn)行飛行作業(yè)，該航測(cè)任務(wù)共分3個(gè)區(qū)域。

大草坪水文站布設(shè)了100 m長(zhǎng)測(cè)流槽，水文信息采集設(shè)施均集中在測(cè)流槽上下游30 m 范圍內(nèi)，周邊有縣道509和跨河橋，因此確定區(qū)域1為重點(diǎn)飛行區(qū)域，該區(qū)域飛行高度70 m，航向和旁向重疊度為80%。測(cè)驗(yàn)河段周邊山地區(qū)域，由于高差較大，且無(wú)重點(diǎn)關(guān)注的地物要素，建模精度要求相對(duì)較低，為提高單架次作業(yè)效率，區(qū)域2 和3 飛行高度設(shè)定為120 m，航向和旁向重疊度為70%。為保證山區(qū)飛行安全，飛行區(qū)域范圍通過(guò)Google earth 經(jīng)初步測(cè)量山體高度后劃定，再導(dǎo)入飛控系統(tǒng)中進(jìn)行航跡規(guī)劃，避免出現(xiàn)撞機(jī)等危險(xiǎn)情況發(fā)生，區(qū)域劃分和區(qū)域1 航跡規(guī)劃如圖2所示。

此次航測(cè)像控點(diǎn)使用RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位，Real-Time Kinematic）技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，像控點(diǎn)測(cè)量平面控制采用CGCS2000 坐標(biāo)系統(tǒng)，高程控制采用國(guó)家85高程基準(zhǔn)。測(cè)區(qū)外圍邊角布設(shè)像控點(diǎn)，其余像控點(diǎn)均勻布設(shè)在測(cè)區(qū)，高低錯(cuò)落，高程分布合理[2]。本測(cè)區(qū)共采集像控點(diǎn)12個(gè)，其中4個(gè)作為校核點(diǎn)，供精度檢驗(yàn)時(shí)使用。

3.3.2 無(wú)人機(jī)內(nèi)業(yè)處理

無(wú)人機(jī)內(nèi)業(yè)處理主要包含空中三角測(cè)量和三維建模，傾斜攝影技術(shù)將部分外業(yè)工作轉(zhuǎn)化為內(nèi)業(yè)工作，使得外業(yè)工作得到了簡(jiǎn)化，同時(shí)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作技術(shù)變得尤為關(guān)鍵。

（1）空中三角測(cè)量?？罩腥菧y(cè)量是傾斜攝影技術(shù)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的核心，其算法是根據(jù)少量的野外控制點(diǎn)，求解未知點(diǎn)坐標(biāo)和影像的外方位元素，以獲得加密點(diǎn)的高程和平面位置的測(cè)量方法。采集像控點(diǎn)是獲取野外控制點(diǎn)的方法之一，此次數(shù)據(jù)處理采用解析空中三角測(cè)量方法，即電算加密法?？罩腥菧y(cè)量主要包含影像匹配和絕對(duì)定向兩個(gè)過(guò)程，其精度會(huì)直接影響整個(gè)數(shù)字測(cè)圖過(guò)程和輸出結(jié)果質(zhì)量，本次使用Smart3D capture 軟件進(jìn)行空中三角測(cè)量、三維建模和DEM（數(shù)字高程模型，下同）、DOM 等主要成果輸出。

影像匹配又稱相對(duì)定向，利用同名光線對(duì)對(duì)相交的原理，自動(dòng)提取足夠的分布合理的同名像點(diǎn)，并計(jì)算該立體像對(duì)的相對(duì)方位元素的過(guò)程[3]。此次無(wú)人機(jī)影像匹配采用基于特征點(diǎn)的圖像配準(zhǔn)方法，先提取圖像的特征信息（特征點(diǎn)），然后進(jìn)行特征匹配，最后確定影像相對(duì)位置和姿態(tài)，同時(shí)解算出特征點(diǎn)及其他未知點(diǎn)的坐標(biāo)，并形成獨(dú)立的相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，完成相對(duì)定向。

絕對(duì)定向是利用像控點(diǎn)將相對(duì)定向建立的相對(duì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)系的過(guò)程，處理中對(duì)8個(gè)像控點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算，建立絕對(duì)坐標(biāo)系，后采用坐標(biāo)系變換矩陣，通過(guò)如下七參數(shù)模型（數(shù)學(xué)方程組）對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)和尺度縮放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相對(duì)坐標(biāo)系向絕對(duì)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，完成絕對(duì)定向。空中三角測(cè)量成果為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖3所示。

式中：m為尺度變化參數(shù)；ΔX0、ΔY0、ΔZ0為平移變化參數(shù)；εz、εY、εX為旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

（2）三維建模?？罩腥菧y(cè)量完成后，獲得具有絕對(duì)坐標(biāo)的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于測(cè)區(qū)有房屋、橋梁、道路、水文設(shè)施和其他地物，無(wú)法直接獲取DEM 數(shù)據(jù)。為此，先采用三維表面模型重建法，通過(guò)不規(guī)則三角網(wǎng)格模擬地物和地形表面，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，獲取DSM（數(shù)字地表模型，下同）[4]；后將DSM數(shù)據(jù)導(dǎo)入3DReshaper 模型處理軟件中，人工剔除房屋、橋梁道路、水文設(shè)施和其他地物，同時(shí)根據(jù)DSM模型進(jìn)行高程數(shù)據(jù)內(nèi)插，生成水文站周邊山地區(qū)域等高線，從而獲取水文站測(cè)驗(yàn)河段完整的DEM數(shù)據(jù)。

DOM 制作是以DSM成果為基礎(chǔ)，對(duì)原始影像進(jìn)行輻射校正、幾何校正，把中心投影轉(zhuǎn)換為垂直投影，并經(jīng)過(guò)整體調(diào)色、鑲嵌、裁切等步驟后對(duì)地面高程DSM 進(jìn)行紋理映射，消除各種畸變和位移誤差，最終得到具有包含地理信息的影像地圖。大草坪水文站數(shù)字正射影像，如圖4所示。

圖4 大草坪水文站數(shù)字正射影像

3.3.3 測(cè)驗(yàn)河段平面圖繪制

大草坪水文站測(cè)驗(yàn)河段平面圖主要由包含多種地圖要素的DLG（數(shù)字線劃圖，下同）和水文測(cè)站山區(qū)地形等高線（DEM）組成。山區(qū)等高線數(shù)據(jù)獲取方法已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)明，下面重點(diǎn)介紹根據(jù)DOM 繪制DLG的方法。

測(cè)驗(yàn)河段平面圖中DLG 是對(duì)DOM 中包含的地物要素進(jìn)行矢量化處理，輸出一種矢量化數(shù)據(jù)文件，其數(shù)據(jù)量小，便于分層，能快速生成包含多種信息的平面地圖[5]。

本文使用南方CASS 軟件進(jìn)行DLG 繪制，首先在CASS 軟件使用光柵圖像工具插入DOM，人工對(duì)影像地圖進(jìn)行坐標(biāo)校正，再利用影像地圖將房屋、橋梁、道路等基本特征地物和河堤、水尺、水位自記井和站房等水文相關(guān)要素進(jìn)行矢量化處理，得到DLG成果。將DLG 與DEM 兩項(xiàng)成果數(shù)據(jù)同時(shí)導(dǎo)入CASS軟件中可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)整合，最終獲取完整的水文站測(cè)驗(yàn)河段平面圖。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，此次無(wú)人機(jī)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間約3 d、繪圖時(shí)間約3 d，總耗時(shí)約6 d。在測(cè)圖范圍和測(cè)圖精細(xì)程度等方面，無(wú)人機(jī)航測(cè)繪圖較傳統(tǒng)繪圖手段均有較大提升，成圖更具有實(shí)用性和參考價(jià)值，可以為測(cè)站運(yùn)行管理提供有力支撐。無(wú)人機(jī)航測(cè)繪圖與傳統(tǒng)繪圖對(duì)比，如圖5所示。

圖5 無(wú)人機(jī)航測(cè)繪圖與傳統(tǒng)繪圖對(duì)比

3.4 精度檢驗(yàn)

《1∶500 1∶1000 1∶2000 外業(yè)數(shù)字測(cè)圖技術(shù)規(guī)程》（GB/T14912-2017）有關(guān)要求，詳見(jiàn)表1—2。

表1 地物點(diǎn)平面位置精度m

將校核點(diǎn)與DEM 中對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算得到DEM 平面中誤差：X 方向?yàn)?.041 m，Y 方向?yàn)?.045 m，均小于0.3 m；計(jì)算得到DEM高程中誤差為0.131 m，小于0.17 m（1∶500 地形圖的平地等高距0.5 m 的1/3）。由此可見(jiàn)，DEM 平面和高程中誤差均滿足標(biāo)準(zhǔn)中1∶500 比例尺要求，而大草坪水文站測(cè)驗(yàn)河段平面圖比例尺為1∶500。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以大草坪水文站為例，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，提出測(cè)繪測(cè)驗(yàn)河段平面圖的新方法。該方法可極大提升測(cè)量外業(yè)作業(yè)效率，提高測(cè)驗(yàn)河段平面圖繪制的精細(xì)程度和范圍，更好地為水文測(cè)站運(yùn)行管理提供服務(wù)。但傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在內(nèi)業(yè)處理如涉及水面和復(fù)雜水工建筑物成圖方面尚存在一定短板，下一步將通過(guò)控制約束和分區(qū)塊處理等方式探索新的內(nèi)業(yè)處理方法，繼續(xù)升級(jí)完善該技術(shù)，以便使其進(jìn)一步在水文行業(yè)中得到推廣應(yīng)用。