魏工哲　周浩　池曉壯

摘要：傳統(tǒng)的水利測(cè)繪方法受高差大、水面多、河岸呈帶狀等不利環(huán)境因素限制，效率較低。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量因其影像質(zhì)量高、作業(yè)效率高等優(yōu)勢(shì)，在水利測(cè)繪領(lǐng)域逐漸受到重視?；跓o(wú)人機(jī)攝影測(cè)量理論和技術(shù)，系統(tǒng)歸納了無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量?jī)?nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理流程，使用華測(cè)P330Pro電動(dòng)垂起固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)丹江口大壩庫(kù)區(qū)部分地區(qū)進(jìn)行免像控大比例地形圖測(cè)繪，制作大壩及兩岸DOM模型，并分析了成果數(shù)據(jù)精度。結(jié)果表明：影像精度水平誤差在10 cm范圍內(nèi)，滿足精度指標(biāo)。該方法的內(nèi)外業(yè)總計(jì)平均人力為8人/d，相比傳統(tǒng)單鏡頭無(wú)人機(jī)測(cè)繪節(jié)省40%，同時(shí)節(jié)省了30%成本，測(cè)繪效率顯著提升。

關(guān)鍵詞：垂起固定翼無(wú)人機(jī)； 地形測(cè)量； 大比例尺測(cè)繪； 水利測(cè)繪； 丹江口大壩

中圖法分類號(hào)：P231

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.005

文章編號(hào)：1006-0081（2023）12-0031-05

0引言

中國(guó)重視水利設(shè)施建設(shè)，投資力度大，工程和非工程措施協(xié)同實(shí)施，水利治理能力不斷提升。經(jīng)過(guò)多年建設(shè)，中國(guó)已逐步形成了較為完備的防洪工程和非工程體系，大江大河已經(jīng)基本具備防御新中國(guó)成立以來(lái)實(shí)際發(fā)生的最大洪水能力［1］。水利樞紐工程在防洪、供水、生態(tài)等方面產(chǎn)生綜合效益，因此保證水庫(kù)安全平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。水利測(cè)繪能夠獲取水庫(kù)地形，采集水域和大壩等相關(guān)數(shù)據(jù)，有利于水利設(shè)施監(jiān)測(cè)管理和安全防護(hù)。受到高差大、水面多、河岸呈帶狀等不利環(huán)境因素的限制，傳統(tǒng)水利測(cè)繪方法效率較低，數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證，人力、物力成本較高，存在外業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)人機(jī)低空遙感因其靈活性高、數(shù)據(jù)質(zhì)量好、作業(yè)效率高、成本經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，在水利測(cè)繪領(lǐng)域逐漸受到重視，目前已經(jīng)在洪水應(yīng)急監(jiān)測(cè)［2］、庫(kù)區(qū)岸線監(jiān)測(cè)［3］、水庫(kù)地形測(cè)繪［4］等領(lǐng)域成功應(yīng)用。其中，水庫(kù)地形測(cè)量通常有無(wú)人機(jī)機(jī)載雷達(dá)和無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量?jī)煞N方法。在測(cè)量實(shí)踐中，機(jī)載雷達(dá)方法存在數(shù)據(jù)量大、內(nèi)業(yè)處理耗時(shí)長(zhǎng)、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換復(fù)雜、操作技術(shù)要求高等問(wèn)題［5］，而一般的無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量方法多搭載非量測(cè)型、單鏡頭數(shù)碼相機(jī)，存在像幅小、影像畸變大等問(wèn)題，影響測(cè)量精度［6］。

本文以丹江口大壩庫(kù)區(qū)地形測(cè)量為例，介紹無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量方法在大壩監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的技術(shù)路線，基于固定翼無(wú)人機(jī)搭載傾斜五鏡頭系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)丹江口水庫(kù)地形測(cè)量，提高作業(yè)效率和測(cè)量精度，為水利測(cè)繪提供技術(shù)參考。

1無(wú)人機(jī)測(cè)繪概述

1.1技術(shù)優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)通常是指由無(wú)線電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操縱，具有一定自主導(dǎo)航、自主駕駛能力的飛行器［7］。無(wú)人機(jī)技術(shù)具備如下優(yōu)勢(shì)：

（1） 便攜性。因無(wú)人機(jī)具有體積小、無(wú)需跑道起飛、測(cè)量時(shí)速最高可達(dá)400 km /h等優(yōu)勢(shì)，可快速進(jìn)行大面積測(cè)繪，相比傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)手段更便攜。

（2） 高精度。目前無(wú)人機(jī)測(cè)繪的飛行高度一般為50～6 000 m，對(duì)部分精度要求更高的項(xiàng)目也可進(jìn)行仿地飛行。因此，相比于衛(wèi)星航天遙感，無(wú)人機(jī)測(cè)繪地面分辨率甚至可超過(guò)5 cm。

（3） 自動(dòng)化。當(dāng)前無(wú)人機(jī)地面操作系統(tǒng)基本已集成自動(dòng)生成航線、自動(dòng)飛行，甚至配備數(shù)據(jù)后解算等數(shù)據(jù)處理功能，由過(guò)去的“人工飛行”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁o(wú)人駕駛飛行”。

1.2關(guān)鍵技術(shù)

依據(jù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量理論和技術(shù)規(guī)范，結(jié)合生產(chǎn)作業(yè)實(shí)際，制定技術(shù)路線，如圖1所示。技術(shù)路線主要包括4個(gè)步驟，即準(zhǔn)備階段、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)后處理。其中，需要重點(diǎn)考量幾項(xiàng)關(guān)鍵流程，包括像控點(diǎn)布設(shè)、傾斜攝影測(cè)量平臺(tái)設(shè)定、飛行航線設(shè)計(jì)、像控點(diǎn)測(cè)量、空三解算、實(shí)景三維建模及邊界識(shí)別與提?。?］。像控點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)以開(kāi)闊地、紋理明顯或有較強(qiáng)區(qū)分度的標(biāo)志性建筑角度為佳。攝影測(cè)量系統(tǒng)不僅要考慮飛行平臺(tái)的穩(wěn)定性與續(xù)航時(shí)間，還要考慮傳感器波段數(shù)、焦距、POS數(shù)據(jù)（Position and Orientation System，傳感器每個(gè)時(shí)刻的空間位置和姿態(tài)信息）采集能力等主要指標(biāo)［9］。飛控平臺(tái)參數(shù)設(shè)置一般按照CHZ 3005-2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》規(guī)定，即航向重疊率應(yīng)不低于53%，旁向重疊率應(yīng)不低于8%，通常分別設(shè)置為60%～80%與15%～60%?？紤]地物遮擋和模型形變等問(wèn)題，航向及旁向重疊率大于75%較適宜［10］。最后，空三解算在初次聯(lián)合平差后還需引入同名點(diǎn)匹配來(lái)提升空三精度，在像控點(diǎn)中誤差小于0.03 m且無(wú)明顯分層斷層錯(cuò)位情況發(fā)生時(shí)，則可認(rèn)為滿足精度要求［11-12］。

2應(yīng)用實(shí)例

2.1測(cè)區(qū)概況

丹江口水庫(kù)位于湖北省丹江口市，是南水北調(diào)中線一期工程供水水源地，承擔(dān)防洪、供水等任務(wù)。丹江口大壩在漢江與其支流丹江匯合口下游800 m處，壩頂高程176.6 m，正常蓄水位170.0 m，總庫(kù)容319.5億m³。水工建筑物由混凝土壩、電站廠房 、升船機(jī)提升系統(tǒng)及上游30 km的兩座引水渠道組成。丹江口水利樞紐在調(diào)節(jié)蓄水、保障用水安全的同時(shí)，具有生態(tài)、發(fā)電、航運(yùn)等綜合效益［13］。

測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)高差較大，大壩頂端離水面有近百米。大壩上下游航道岸邊有120 m以上的高差。部分地區(qū)人員無(wú)法到達(dá)，因此部分地區(qū)使用免像控測(cè)量方法。此外，測(cè)區(qū)內(nèi)有約70%以上水域，對(duì)后期建模有很大影響。

2.2軟硬件選擇及參數(shù)設(shè)置

此次作業(yè)選用上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的P330Pro垂起固定翼無(wú)人機(jī)，搭載華測(cè)HC15全畫幅正射相機(jī)，相應(yīng)的無(wú)人機(jī)及相機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1，2。

依據(jù)項(xiàng)目精度，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，此次航線飛行高度設(shè)置為200 m，航線重疊度75%，旁向重疊度75%，外擴(kuò)距離200 m。

對(duì)于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量，影像分辨率通常指地面采樣距離（Ground Sampling Distance，GSD），表示數(shù)字影像中單個(gè)像元對(duì)應(yīng)的地面尺寸。本次作業(yè)地面采樣距離依據(jù)公式（1）設(shè)置為2.3 cm/像素。

P_GSD=Ha／f（1）

式中：P_GSD為地面采樣距離，cm/像素；

H為飛行高度，m；

a為像元尺寸，mm/像素;

f為相機(jī)焦距，mm。

實(shí)測(cè)當(dāng)日風(fēng)向西北，風(fēng)速2～3級(jí)。為使測(cè)繪效率最大化，航線規(guī)劃應(yīng)平行長(zhǎng)邊，并依據(jù)“順風(fēng)起，逆風(fēng)降”原則，規(guī)劃航線如圖2所示。

2.3像控點(diǎn)布設(shè)

項(xiàng)目坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，PGSD要求3 cm/像素，平面精度需要滿足20 cm，要求獲取大壩及河道兩岸DOM數(shù)字正射影像和傾斜模型。因作業(yè)測(cè)區(qū)長(zhǎng)約4 km，寬約1 km，整體呈梯形，按航測(cè)1∶1 000項(xiàng)目要求，需要按照距離小于500 m一個(gè)點(diǎn)均勻分布像控點(diǎn)。本文采用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)，依據(jù)已知基準(zhǔn)站接收衛(wèi)星信號(hào)，以流動(dòng)站形式采用智能中海達(dá)IRTK2求得基準(zhǔn)站和流動(dòng)站間的坐標(biāo)增量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)聯(lián)合解算，獲取全部像控點(diǎn)位置信息［14］。

2.4影像處理

將靜態(tài)數(shù)據(jù)（HCN）、無(wú)人機(jī)端的流動(dòng)數(shù)據(jù)（rtcm、mrk）導(dǎo)入到華測(cè)數(shù)據(jù)解算軟件CGO 2.0中進(jìn)行POS解算，項(xiàng)目后處理選用Context Capture軟件進(jìn)行影像數(shù)據(jù)拼接，項(xiàng)目成果如圖3所示。通過(guò)空三加密與刺像控點(diǎn)和設(shè)置水面約束等處理提升精度，得到圖3（a）所示的原始數(shù)字正射影像（DOM）。由于項(xiàng)目水域范圍廣，受弱紋理區(qū)域與高差起伏較大等影響，水體部分出現(xiàn)較大空洞。圖3（b）為使用PS軟件對(duì)水體部分進(jìn)行紋理貼圖處理后的成果。對(duì)水體、路面和林地部分的空洞進(jìn)行精細(xì)化修復(fù)后，得到最終DOM成果，如圖3（c）所示。

3精度檢驗(yàn)

采用同精度檢測(cè)方法，中誤差計(jì)算公式為

M=∑ⁿ_i=1Δ²_i／n-1（2）

式中：M為成果中誤差;Δi為較差;n為檢測(cè)點(diǎn)（邊）總數(shù)。將實(shí)際檢測(cè)點(diǎn)與DOM、DEM數(shù)據(jù)分別進(jìn)行比較，在允許中誤差22倍以內(nèi)的誤差值均參與數(shù)學(xué)精度統(tǒng)計(jì)，超過(guò)允許中誤差22倍的誤差視為粗差［15］。經(jīng)計(jì)算，DOM影像平面精度中誤差為0.041 m，高程中誤差為0.074 m，滿足精度要求。精度檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

4結(jié)語(yǔ)

丹江口水庫(kù)測(cè)量任務(wù)時(shí)間緊、任務(wù)重、難度大。采用傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量手段無(wú)法達(dá)到要求，借助部分地區(qū)免像控手段與搭載全畫幅五鏡頭相機(jī)開(kāi)展測(cè)量。內(nèi)外業(yè)項(xiàng)目總計(jì)使用人力平均為8人/d，相比傳統(tǒng)單鏡頭無(wú)人機(jī)測(cè)繪節(jié)約40%，成本開(kāi)銷節(jié)約30%，成果模型經(jīng)驗(yàn)證也滿足1∶1 000精度要求。該項(xiàng)目采用的方法在理論上可達(dá)更高精度，但在工程實(shí)踐中也存在不足之處，如大壩上為較粗糙的混凝土路面，噴漆內(nèi)角不夠清晰，所以選取更多的特征點(diǎn)作為像控點(diǎn)，會(huì)增加誤差。該項(xiàng)目采用的技術(shù)方法為無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量發(fā)展和應(yīng)用提供了思路，可為今后水利大壩監(jiān)測(cè)任務(wù)提供參考。

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（編輯：李慧）

Application of UAV photogrammetry in topographic surveying of Danjiangkou Dam

WEI Gongzhe ZHOU Hao CHI Xiaozhuang

（1.Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Wuhan 430071，China；

2.National Observation and Research Station of Gravitation and Earth Tide，Wuhan 430071，China

3.Key Laboratory of Earthquake Dynamics，School of Disaster Prevention Science and Technology，Langfang 065201，China）

Abstract：Due to unfavorable environmental factors such as large elevation differences，multiple water surfaces and banded river banks，traditional water conservancy surveying methods have a low efficiency.UAV photogrammetry has gradually gained attention in the field of water conservancy surveying and mapping for its high image quality and high operational efficiency.Based on the theory and technology of UAV photogrammetry，the data processing flow for both internal and external work were systematically summarized.Huace P330Pro electric vertical fixed-wing UAV was used to conduct large-scale topographic mapping of Danjiangkou Dam，some of which were free from image control，and DOM models of the dam and both banks were established.The accuracy of the results were analyzed.It showed that the horizontal error was within 10 cm，which met the accuracy index.The average manpower for this project was 8 people per day，which saved 40% of time and 30% of cost comparing to the traditional single lens UAV surveying.The efficiency of dam surveying and mapping was significantly improved.The research can provide a reference for subsequent water conservancy surveying and mapping projects．

Key words：vertical fixed wing UAV； topographic surveying； large-scale mapping； water conservancy surveying and mapping； Danjiangkou Dam