趙智

（晉中市水利勘測設(shè)計院有限公司，山西 晉中 030600）

1 引言

流域生態(tài)治理具有改善環(huán)境的效果，通過無人機(jī)測圖可對生態(tài)情況進(jìn)行檢測，得到準(zhǔn)確的地形結(jié)構(gòu)，便于對流域治理效果進(jìn)行檢驗。本文以瀟河為研究對象，圍繞項目展開分析，對無人機(jī)測圖方法進(jìn)行全面探索，并對測量精度進(jìn)行控制，確保測量結(jié)果與流域生態(tài)相匹配，以及無人機(jī)精度控制取得有效進(jìn)展，最終使流域治理狀態(tài)良好。

2 工程概況

瀟河發(fā)源于山西省昔陽縣沾尚鄉(xiāng)陡泉山西麓的馬道嶺，在昔陽縣境內(nèi)，其上游有白馬河和松塔河兩大支流，松塔河為主流。松塔河發(fā)源于昔陽縣沾尚鄉(xiāng)馬道嶺，先后匯入龍泉河、木瓜河后，在壽陽縣蘆家莊與白馬河匯合；在晉中市榆次區(qū)，在東趙鄉(xiāng)大發(fā)村龍門河匯入，在北合流涂河匯入，在源渦村出山口進(jìn)入平川區(qū)。源渦以下有澗河和牛耕河匯入，流經(jīng)清徐縣，在太原市小店區(qū)的洛陽、南馬村之間匯入汾河。瀟河屬于用水矛盾突出的地區(qū)，隨著水資源的持續(xù)開采，流域生態(tài)環(huán)境不斷惡化，存在地下水位下降情況。瀟河流域內(nèi)年均降水量418～483 mm，蒸發(fā)量高達(dá)2 068.5 mm，流域缺水情況嚴(yán)重。瀟河區(qū)域緊急開展流域生態(tài)治理工程，采用無人機(jī)大比例尺測圖技術(shù)對流域情況進(jìn)行分析，對流域生態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測，并把控細(xì)節(jié)部分，保障生態(tài)治理得到持續(xù)化監(jiān)測。經(jīng)過長期的流域監(jiān)測與治理，瀟河生態(tài)環(huán)境得到顯著改善，水位埋深由治理前的30.6 m 上升至24.5 m，形成旱區(qū)濕地894 km2，讓瀟河流域在生態(tài)流量上重獲新生，流域生態(tài)治理取得突破性成果。

3 流域生態(tài)治理工程中無人機(jī)大比例尺測圖技術(shù)運用

3.1 飛行路線

本工程流域分布范圍較廣，需對無人機(jī)飛行路線進(jìn)行設(shè)計，提高對河水流域的覆蓋面，保證飛行路線滿足監(jiān)測要求。瀟河整體形狀為長條狀，河道兩岸均需布設(shè)無人機(jī)，沿河道線方向飛行，對河道周邊景象進(jìn)行拍攝，便于分析河道地圖。航帶網(wǎng)法是飛行路線布設(shè)的常用方法，如圖1 所示，需根據(jù)航線進(jìn)行絕對定向控制，合理對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行使用，對河道形成全方位覆蓋。無人機(jī)飛行路線在三維坐標(biāo)體系下，便于對無人機(jī)及監(jiān)測點位置進(jìn)行描述，確保無人機(jī)能夠沿預(yù)定線路飛行，對無人機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行控制。飛行線路設(shè)計應(yīng)避免重復(fù)性，沿預(yù)定方向一次檢測成型，避免產(chǎn)生重復(fù)性的測圖工作。流域生態(tài)采用多臺無人機(jī)進(jìn)行拍攝時應(yīng)做好無人機(jī)的協(xié)同控制，讓無人機(jī)沿不同方位飛行，提高對監(jiān)測區(qū)域的覆蓋面，實現(xiàn)對飛行線路的綜合運用[1]。

圖1 基于航帶網(wǎng)法的飛行路線示意圖

無人機(jī)飛行路線具有航高控制要求，以保證拍攝成圖具有良好的分辨率，對流域情況進(jìn)行大比例尺測量。無人機(jī)航高計算公式為：

式中，H為攝影航高，m；f為鏡頭焦距，m；α 為像元尺寸，m；GSD為影像分辨率。

通過這種方式，提高對航高的控制作用，根據(jù)流域影像分辨率確定航高，使航高選擇具有理論依據(jù)，保障航高能夠得到有效取值。

3.2 像控點布設(shè)

無人機(jī)大比例尺測圖需對像控點進(jìn)行布設(shè)，用于對指定流域進(jìn)行監(jiān)測，確保無人機(jī)測圖具有一定的針對性。像控點需按照規(guī)范進(jìn)行布設(shè)，做好像控點間距的控制，如1∶1000 航空比例尺測量時，像控點間距一般在250 m 左右，確保滿足大比例尺測圖條件。像控點布設(shè)注重實際環(huán)境的考量，對像控點的具體坐標(biāo)進(jìn)行確定，做好像控點的標(biāo)記工作，保證像控點能夠覆蓋監(jiān)測區(qū)域。如圖2 所示，為八點法布設(shè)像控點，在每段航帶網(wǎng)內(nèi)布置8 個平高像控點，每個航帶內(nèi)像素點位置相對應(yīng)，便于對像控點誤差進(jìn)行控制。需注意，像控點觀測期間應(yīng)避免使用對講機(jī)、手機(jī)等設(shè)備，防止對信號源造成影響，導(dǎo)致無人機(jī)的測圖精度下降。通常情況下，以特征鮮明的位置作為像控點，確保與地表形成鮮明對比，提高對周圍地物特征的辨識能力，實現(xiàn)對像控點的精準(zhǔn)定位。針對不存在明顯像控點的情況，可布設(shè)人工像控點，如采用紅色油漆標(biāo)記地塊，增強(qiáng)地物的可辨識性，使像控點布設(shè)能發(fā)揮效果。

圖2 八點法布設(shè)像控點

3.3 數(shù)據(jù)采集

無人機(jī)測圖過程中，需采用合理化的數(shù)據(jù)采集形式，保證數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性和全面性，得到清晰的流域生態(tài)影響。數(shù)據(jù)采集應(yīng)用RTK 模式，對流域情況進(jìn)行密集匹配，確保大比例尺狀態(tài)下數(shù)據(jù)采集能精準(zhǔn)無誤，保障數(shù)據(jù)采集過程能夠順利進(jìn)行。數(shù)據(jù)采集具有拍攝間距的要求，在地面分辨率1.5 cm、航向重疊率80%情況下，拍攝間距通?？刂圃?0～15 m，形成具有連續(xù)性的拍攝圖像，便于生成地圖全景。數(shù)據(jù)采集需在無風(fēng)、晴朗的天氣下，消除拍攝過程對數(shù)據(jù)采集的影響，得到準(zhǔn)確信息，降低環(huán)境因素影響。數(shù)據(jù)采集需注重銜接區(qū)域的覆蓋，確保首尾圖像連接的精準(zhǔn)程度，根據(jù)重疊度情況實現(xiàn)有效連接，防止測量過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況[2]。

3.4 空三測量

空三測量是實現(xiàn)三維建模的關(guān)鍵，通過無人機(jī)采集準(zhǔn)確的流域信息，需要滿足測量環(huán)境條件的要求，獲得流域像素點的精準(zhǔn)位置?？杖郎y量需要對影像單元進(jìn)行密集處理，結(jié)合比例尺情況對拍攝視角進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證拍攝后影像能夠與實際場景相符，通過測量操作對誤差進(jìn)行限制?？杖郎y量需具有精密的導(dǎo)軌條件，以無人機(jī)所在位置為原點，構(gòu)建X軸和Y軸方向的導(dǎo)軌，采用坐標(biāo)法對流域中像素點視差情況進(jìn)行解析，實現(xiàn)對視差的有效控制。視差計算方法如下：

式中，xi、yi為測點的X、Y軸坐標(biāo)。

視差分析是保證空三測量精度控制的關(guān)鍵，需關(guān)注公共點的連接情況，確保視差中的同名點相對應(yīng)，提高視差控制方法的有效性?？杖郎y量易產(chǎn)生視差問題，可通過視差計算消除誤差，將誤差控制在3 個像素點內(nèi)，防止在實際測量環(huán)境中產(chǎn)生較大偏移，實現(xiàn)對空三測量坐標(biāo)位置的精準(zhǔn)確定。

3.5 三維建模

流域生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)需要進(jìn)行三維建模，根據(jù)圖像采集情況生成數(shù)字表面模型，同時需要對三維模型的誤差進(jìn)行修正，提高流域地圖的建模效果。三維建?；诳臻g坐標(biāo)展開計算，如圖3 所示，點A為機(jī)載GPS 天線相位中心，點S為航攝儀投影中心，根據(jù)坐標(biāo)分量的控制條件，可得到如下三維模型關(guān)系：

圖3 無人機(jī)大比例尺測圖三維模型

式中，式中，XA、YA、ZA和XS、YS、ZS分別為點A、S兩點的空間坐標(biāo)；R表示影像外方位元素的3 個角元素u、v、w所構(gòu)成的正交變換矩陣。

通過三維建?？蓪o人機(jī)進(jìn)行實時控制，得到無人機(jī)的最佳控制條件，對無人機(jī)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用坐標(biāo)法對流域生態(tài)進(jìn)行測量。三維模型解算過程中需要具有清晰的層次感，基于DEM 數(shù)據(jù)對影響進(jìn)行糾正，形成多角度的影像映射，同時確保影像具有連續(xù)性，對三維模型的完整性進(jìn)行控制[3]。

三維建模過程中需實現(xiàn)紋理的貼合控制，通過紋理控制提高圖像的清晰度，形成紋理清晰的流域生態(tài)影像。圖像紋理基于計算機(jī)視覺技術(shù)展開修正，根據(jù)多圖像對比生成AI 算法，實現(xiàn)對紋理的自動校正，提高對地圖紋理的處理效率。大比例尺地圖需要具有清晰的紋理，否則將會影響到流域生態(tài)的辨識效果，不利于地形圖具體情況的掌控，可見，實現(xiàn)模型有效貼合具有必要性。

3.6 成圖指標(biāo)

無人機(jī)測圖過程中需對成圖質(zhì)量進(jìn)行控制，結(jié)合成圖指標(biāo)的要求，掌握成圖質(zhì)量控制的要點。成圖指標(biāo)控制包括以下兩個方面。

1）成圖質(zhì)量指標(biāo)。無人機(jī)拍攝過程中，需避免出現(xiàn)圖像不清晰的情況及圖像中出現(xiàn)盲區(qū)或盲點，導(dǎo)致地圖的關(guān)鍵區(qū)域存在遮擋，無法對指定流域情況進(jìn)行識別。

2）成圖精度指標(biāo)。大比例尺測圖在誤差方面具有較高要求，需要合理對像控點、空三測量、三維建模過程進(jìn)行分析，掌握誤差控制的關(guān)鍵點，防止因誤差未達(dá)標(biāo)而增加額外工作量，導(dǎo)致流域的成圖精度不足。成圖指標(biāo)需要結(jié)合圖像的實際情況，將像控點導(dǎo)入圖像中，解決空三加密中的殘差問題，保證空三加密中的圖像銜接效果，便于生成三維建模的實景模型，提高成圖指標(biāo)控制的有效性。成圖指標(biāo)控制核心在于數(shù)據(jù)處理，根據(jù)數(shù)據(jù)精度情況進(jìn)行匹配，結(jié)合成圖指標(biāo)情況進(jìn)行控制，去除不精準(zhǔn)的控制點，對精度不足情況進(jìn)行重測，導(dǎo)入準(zhǔn)確的空間信息，進(jìn)而降低誤差的影響范圍[4]。

3.7 精度控制

誤差控制是保證成圖質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，需對流域平面中誤差控制效果進(jìn)行分析，確保誤差控制能發(fā)揮作用，防止產(chǎn)生較大誤差。平面位置中誤差控制情況如表1 所示，在比例尺為1∶500、1∶1000、1∶2000 情況，不同平面位置誤差情況均小于檢查點精度等級要求，說明成圖的精度控制效果良好。

表1 平面位置中誤差控制情況

4 結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)大比例尺測圖在流域生態(tài)治理中具有重要作用，需確保測圖技術(shù)應(yīng)用的合理性，解析測圖的精度控制過程，提高對成圖質(zhì)量的控制效果。無人機(jī)測圖速度快、適度高，可實現(xiàn)對流域生態(tài)的可視化測繪，并借助三維模型進(jìn)行分析，發(fā)揮實景測量的優(yōu)勢，生成的地形圖更具可靠性。無人機(jī)測圖具有較高的技術(shù)要求，需采用規(guī)范的操作形式，做好無人機(jī)飛行控制與成圖效果，降低無人機(jī)測圖中的誤差影響?；诰瓤刂品椒ù_保無人機(jī)測量與流域環(huán)境相適應(yīng)，提高對誤差的制約能力，得到具有分析價值的流域地形圖，實現(xiàn)流域治理效果的精準(zhǔn)分析。