肖 彪

(中山市水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司，廣東 中山 528400)

水利工程往往處于地形地貌相對復(fù)雜的區(qū)域，同時水利工程測量涉及地形測繪、地上建筑物測量、水下構(gòu)筑物測量、管線測量等諸多測繪內(nèi)容，且不同水利建筑物、構(gòu)筑物所處的地形環(huán)境、自身結(jié)構(gòu)特點各不相同，水下測繪、線性工程測繪交錯，為工程測量任務(wù)帶來了很大的難度。傳統(tǒng)的測繪方法主要基于人工測量，控制點選擇極為困難，效率低、宏觀性差；無人機(jī)測繪雖然效率高，但是受航空管制、氣候條件影響較大，且后期處理數(shù)據(jù)量大，對人員素質(zhì)和設(shè)備先進(jìn)性要求較高。因此，本文提出在保證測量成果精度的情況下，利用無人機(jī)輔助人工測繪控制網(wǎng)布設(shè)，以解決上述問題[1- 2]。

1 研究背景

本項目位于廣東省中山市翠亨新區(qū)DM項目區(qū)，該項目為兼具防洪和調(diào)蓄功能的水利工程，工程大堤全長5.67km，如圖1所示。該區(qū)域為飛行管制區(qū)，小型無人機(jī)限制航行高度30m，因此，該區(qū)域無法單純利用無人機(jī)實現(xiàn)高精度高效航測以及項目區(qū)域全景航測，為此，本文提出，利用無人機(jī)航測速度快，響應(yīng)效率高的特點，輔助DM水利工程項目區(qū)測繪控制點位選擇與控制網(wǎng)布設(shè)，以避免人工測繪宏觀性差、選點效率低的問題，從源頭上優(yōu)化測繪控制網(wǎng)布設(shè)方案[3- 4]。

圖1 項目地理位置圖

2 技術(shù)手段

由于翠亨新區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，同時DM項目區(qū)四面環(huán)水、東臨X河干流，風(fēng)力較大，降雨較多，因此在無人機(jī)航測設(shè)備選擇上主要考慮抗風(fēng)、防水、長續(xù)航、定點懸停等因素，本文選用飛馬D2000四軸多旋翼無人機(jī)，該航測無人機(jī)搭載四軸高轉(zhuǎn)速線性馬達(dá)，可以抵抗6級大風(fēng)，在5級大風(fēng)中可維持定點穩(wěn)定懸停，滿足10km測控需求，可完全覆蓋DM測控區(qū)域；其搭載的D-CAM2000有效像素2430萬，可在30m限高飛行情況下完成控制網(wǎng)帶狀測繪區(qū)域數(shù)據(jù)采集[5- 6]；GNSS接收機(jī)、全站儀為傳統(tǒng)測繪設(shè)備，主要用于控制測量及碎步測量、斷面測量及、地形圖測繪、高程控制測量，各設(shè)備具體參數(shù)詳見表1。

表1 硬件設(shè)備主要參數(shù)表

為進(jìn)一步配合外業(yè)測量控制網(wǎng)布設(shè)需求，完成內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理任務(wù)，本文分別選用南方CASS、LEICA Geo Office、KS平差、Smart 3D等軟件完成測繪圖形編輯、校準(zhǔn)、平差、建模、選點等工作[7]，具體詳見表2。

表2 主要應(yīng)用軟件選擇情況

3 研究方法

由于DM水利工程緊鄰X河干流，空氣濕潤，折射率高，同時該區(qū)域呈帶狀，地形呈現(xiàn)中部高南北低的特征，傳統(tǒng)的測繪方法在地塊長軸向誤差會隨著單元測量誤差的累計逐漸增大，同時，在測繪過程中單向誤差的增大將會導(dǎo)致測繪域的局布扭曲，本文將測繪域進(jìn)行微分，如圖2所示。當(dāng)εy逐漸增大而εx和像元中心點不變時，將會導(dǎo)致該區(qū)域在空間上發(fā)生扭曲，因此，需要在空間上建立坐標(biāo)定位控制網(wǎng)，實現(xiàn)測繪點位的校準(zhǔn)與修復(fù)。

3.1 控制點的選擇

由于本文所述案例DM水利工程涉及地形測繪、地上建筑物測量、水下構(gòu)筑物測量、管線測量等諸多測繪內(nèi)容，水下測繪、線性工程測繪交錯，因此需要同時對平面控制點和高程控制點進(jìn)行交叉布設(shè)，以形成三維控制網(wǎng)，由于DM項目區(qū)地形條件復(fù)雜，地形狹長，軸距較大，本文選用飛馬D2000輔助控制點選擇。主要控制點均布設(shè)在大堤50～300m范圍內(nèi)、過渡控制點布設(shè)于控制網(wǎng)中心區(qū)域、控制點盡量保證兩兩通視。本文利用Smart 3D實景三維建模軟件將112張無人機(jī)低空航測影像進(jìn)行點云投影，形成控制點布設(shè)區(qū)實景模型帶，經(jīng)過對該區(qū)域的宏觀分析，最終選擇大堤50～300m范圍內(nèi)可通視控制點位20個，如圖3所示。

本文選取控制點標(biāo)石為平面與高程共用標(biāo)石，4等級控制點全部為水泥路面刻石，外圍刻制20cm×20cm×3mm方框，方框內(nèi)刻制點號并用紅油漆標(biāo)注方便尋找。平面控制網(wǎng)測量采用無人機(jī)進(jìn)行觀測；平面控制網(wǎng)靜態(tài)觀測使用中海達(dá)V60 GNSS接收機(jī)進(jìn)行，航測要求見表3。

高程控制測量嚴(yán)格依據(jù)四等水準(zhǔn)測量的要求進(jìn)行觀測，并按規(guī)范進(jìn)行計算平差，高程控制網(wǎng)采用閉合路線與附合路線組成的水準(zhǔn)路線網(wǎng)，技術(shù)要求見表4。

圖2 測繪域微分示意圖

圖3 控制點位平面位置示意圖

表3 無人機(jī)取樣點技術(shù)要求

表4 四等水準(zhǔn)測量精度要求 單位：mm

3.2 控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

本文所述案例平面系統(tǒng)選取CGCS2000坐標(biāo)系，中央子午線114°00′，高程投影面0；以中山統(tǒng)一坐標(biāo)系為本坐標(biāo)系為本項目的主要坐標(biāo)系，中央子午線為113°22′，高程系統(tǒng)選用珠江高程基準(zhǔn)，等高距為0.5m。平面起算點使用中山市國土資源局2015年復(fù)測的中山整個區(qū)域的D級、E級控制網(wǎng)成果(該成果已經(jīng)通過上級測繪部門驗收，成果精度可靠)，起算點坐標(biāo)數(shù)見表5。

表5 D級控制點起算坐標(biāo)

高程起算點使用中山市國土資源局2015年復(fù)測的中山整個區(qū)域的二等、三等水準(zhǔn)網(wǎng)成果(該成果已經(jīng)通過上級測繪部門驗收，成果精度可靠)，起算點坐標(biāo)數(shù)見表6。

表6 高程控制點起算坐標(biāo)

4 控制網(wǎng)平差計算及精度分析

4.1 平面控制網(wǎng)平差計算及精度分析

本文采用中海達(dá)HGO 2.02進(jìn)行基線處理，基線處理各項指標(biāo)滿足四等要求，基線處理合格后再進(jìn)行控制網(wǎng)平差。4等網(wǎng)基線處理后形成70個同步環(huán)，25個異步環(huán)，閉合差均滿足GPS(四等)精度要求。三維無約束平差中，所有基線分量的改正數(shù)絕對值均滿足：VΔX≤3σ，VΔY≤3σ，VΔZ≤3σ要求。最終，4等網(wǎng)三維無約束平差計算后最弱邊和最弱點統(tǒng)計見表7。

本文以25GE33、25GE72、ZS28 E級點作為起算數(shù)據(jù)進(jìn)行二維約束平差，平差前對起算點進(jìn)行兼容性檢查，兼容性檢查結(jié)果見表8。

表7 四等網(wǎng)三維無約束平差分析表

表8 二維約束平差兼容性檢查分析

綜上分析，本文所選取的3個抽樣點精度可靠，能夠滿足作為本項目平差約束點的要求。二維約束平差計算后，最弱點點位中誤差最大為2.94mm(Ⅰ06)，最弱邊Ⅳ01-Ⅳ03的邊長相對中誤差為1∶121311，小于規(guī)范要求的1/40000，所有相鄰點的坐標(biāo)分量及其相對中誤差均滿足限差要求。

4.2 高程控制網(wǎng)平差計算及精度分析

高程數(shù)據(jù)處理采用武漢大學(xué)測繪學(xué)院KS地面控制測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行平差并評定精度。高程控制網(wǎng)采用4等水準(zhǔn)觀測方法施測，測段點數(shù)20個，水準(zhǔn)線路總長度21.52km，測段平均長度1.08km，最短測段長度0.09km，最長測段長度8.11km。先驗單位權(quán)中誤差5.00mm，后驗單位權(quán)中誤差17.17mm，評定精度采用中誤差17.17mm，PVV(mm2)為589.4784。同時，最弱點高程中誤差17.36mm，最弱測段高差中誤差16.99mm，高程控制網(wǎng)最弱點(I2、I3和Ⅳ008)高程中誤差為17.36mm，優(yōu)于規(guī)范要求±25mm，閉合差9mm，優(yōu)于規(guī)范要求±90.46mm。經(jīng)過統(tǒng)計，本次高程測量各項精度指標(biāo)均滿足GB/T 12898—2009《國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范》精度要求[8]。

4.3 高程點外業(yè)檢查

此外，本文對閉合路線高程閉合差進(jìn)行了復(fù)測，復(fù)測合格，復(fù)測成果詳見表10。

4.4 控制點邊長檢查

本文對項目現(xiàn)場各控制點邊長進(jìn)行了抽樣檢查，運用Random函數(shù)隨機(jī)抽取2個抽樣點，抽查結(jié)果如表11所示。通過邊長檢查可以得出本項目內(nèi)部精度滿足規(guī)范小于1/40000的要求。

4.5 控制點擬合分析

為進(jìn)一步論證本文所述控制點布設(shè)方法的準(zhǔn)確性，本文利用Matlab回歸計算工具箱，將20個控制點分別在平面、立面進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合[8]，并與經(jīng)過多次校準(zhǔn)后的控制點位數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如圖4所示。

表9 高程控制點檢測

表10 高程閉合差復(fù)測成果表

表11 控制點邊長抽樣檢查

圖4 控制點擬合曲線圖

經(jīng)過對比可知，無人機(jī)輔助控制網(wǎng)布設(shè)過程中，控制點位精度在立面上與經(jīng)過多次校準(zhǔn)后的控制點位數(shù)據(jù)高程一致，精度極高，在平面上與經(jīng)過多次校準(zhǔn)后的控制點位數(shù)據(jù)局部略有差異，但最大誤差值小于10cm，滿足精度要求。經(jīng)過分析可知，該誤差主要呈現(xiàn)在東西向，其原因為東西向軸距較短，誤差較小，在精度要求范圍內(nèi)，本文沒有針對東西向誤差進(jìn)行集中修正，與實際情況相符。

5 結(jié)語

經(jīng)過上文所述分析，運用無人機(jī)輔助水利工測量程控制網(wǎng)布設(shè)，在平面控制網(wǎng)布設(shè)、高程控制網(wǎng)布設(shè)、外業(yè)及邊長檢查等過個方面均能夠滿足相關(guān)規(guī)范的精度要求。同時，借助無人機(jī)靈活、高效的優(yōu)勢，原工期3d的控制點布設(shè)任務(wù)，在1d內(nèi)就全部完成，大幅提高了測繪點位選取與布設(shè)效率。在控制網(wǎng)布設(shè)過程中，控制點位精度在立面上與經(jīng)過多次校準(zhǔn)后的控制點位數(shù)據(jù)高度一致，精度極高；在平面上與經(jīng)過多次校準(zhǔn)后的控制點位數(shù)據(jù)局部略有差異，但在精度要求范圍內(nèi)。因此，本文所述方法具有較好的應(yīng)用效果與研究意義。