基于无人机遥感在水利工程测绘中的应用

杨培凤

(大连水利测绘公司，辽宁 大连 116019)

0 引 言

随着科学技术的快速发展以及国家对现代化农业的战略推进，水利工程在促进区域经济发展以及现代农业的发展中起着举足轻重的作用[1]。水利工程测绘作为工程建设的先行者，为水利工程设计与建设及时提供准确、详实的测绘数据；现阶段，全站仪、GPS RTK实地测量在效率上不能满足新形势下水利测绘工作的要求[2]。无人机具有机动灵活、高效快捷的特点，目前已广泛应用于国家重大工程建设、灾害应急与处理、国土监测、资源开发等方面。无人机遥感具有灵活性强、分辨率高、时效性高、成本低等特点，大大的减轻了外业工作人员的工作量，同时提高了作业效率及降了低工程建设成本，充分发挥了其特有的技术优势。

1 无人机遥感

1.1 无人机飞行平台

无人机遥感(Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing )，即利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，能够实现自动化、智能化、专用化快速获取国土资源、自然环境、地震灾区等空间遥感信息，且完成遥感数据处理、建模和应用分析的应用技术，其特点为：

1)可在云下低空飞行，弥补卫星遥感和普通航空摄影在有云覆盖地区上空不能有效采集数据的缺陷。

2)采用无人机作为飞行平台，数据采集成本比航天航空遥感平台低。

3)采用数码相机作为传感器采集数据，采集速度快，影像质量好，地面分辨率高(可达1-3cm)。

4)无人机遥感平台机动性强，适应性高，在较小的场地就可以实施起降作业，对天气条件要求较低。

由于这些技术优势，中国对无人机系统的研发非常重视，并已取得了一系列技术上的突破，在各行业中得到广泛应用。

本项目采用的燃油固定翼无人机，搭载5D markⅡ高分辨率数码相机，利用地面控制系统实现航线规划、飞行控制、自动拍摄等功能。无人机的具体技术参数见表1。

表1 无人机性能指标参数表

1.2 拍摄相机

无人机因受其本身荷载限制，不能承载专业航摄相机，只能采用性能较好的民用数码相机；由于民用数码相机内方位元素不稳定，且存在明显的镜头畸变差，如果直接用空间后方交会来计算相机的外方位元素，精度会很差，这与摄影测量成图直接相关，因此，内方位元素和畸变差是相机鉴定的主要项目[3]。在飞行起飞、降落时以及运输过程中有震动，相机参数发生有较大变化，为保证后处理数据的精度，通常在飞行前要对相机进行检校，本次飞行的检校参数见表2。

表2 相机参数

2 无人机遥感在工程中的应用

2.1 作业区域

文章以太平镇西部一条河流为研究区域，该河道形状规则，测量范围为沿河200m内，测量面积约0.9 km2。测区内地势呈南高北低，河道两侧地物简单，多为农田和草地，测区范围如图1所示。

2.2 航线设计

因项目的成图比例尺为1:1000，故设计航摄比例尺为1：4000，地面高度为260-280m，飞行高度1000m，航拍间距65m，航向重叠度为80%，旁向重叠度为60%，影像地面分辨率(GSD)约为5cm，同时根据测区形状规则，航线设计与河道总体方向一致，飞行3条航线，210个像对。为避免飞行过程中受到侧风的影响，飞行姿态不稳定，出现航摄漏洞，故加大航向和旁向重叠度。

2.3 飞行数据快拼检查及像片控制测量

本次飞行共获取213张影像，影像清晰、色彩饱满、反差适中。使用飞行日志中的POS数据，使用PHOTOSCAN软件进行快速拼接，经检查无航线漏洞，各项指标与设计要求基本一致。

根据飞行情况和规范要求设计像控点布设方案，按照区域网布点，间隔4-6条基线布设一对像控点。因像片航向重叠较大，像控点一般布设在6-8°重叠的范围内，航线首尾≥4°重叠，且采用双点布设。像控点选取在明显地物上，要求影像清晰、易于判读，同时要便于测量。本区域共选取42个平高点和12个检查点。

图1 测区范围

2.4 空中三角测量

空中三角测量也称空三加密，是利用摄影测量解析法确定区域内所有影像的外方位元素[4]。空中三角测量是影像后期处理的关键步骤，它利用少量地面控制点来计算一个测区中所有影像的外方位元素和所有加密点的地面坐标。本项目采用INPHO软件的MATCH-AT模块进行空三加密。

因本次飞行所用相机存在较大镜头畸变，为保证后续生产的精度，在进行空中三角测量之前，根据表1中给定的参数对原始影像进行畸变矫正。

空中三角测量需要准备的数据有畸变矫正后的影像、POS数据、相机参数文件、控制点文件等。软件根据POS数据对航线进行排序，经过影像金字塔创建、连接点自动匹配、粗差剔除后，手动加入测量控制点，进行解算，再根据连接点及控制点的误差，调整其点位，最后进行区域网平差计算。经过区域网平差计算，基本定向点的平面中误差为0.084m，高程中误差为0.114m；检查点的平面中误差为0.102m，高程中误差为0.143m；加密精度达到《CH/Z 3003-2010 低空数字航空摄影测量内业规范》中精度指标要求，可提供给下一道工序生产。提供的空中三角测量成果有影像的外方位元素、内方位元素、加密点坐标以及相机参数等。

2.5 数字高程模型DEM与数字正射影像DOM制作

空中三角测量完成以后，使用INPHO软件中的DTMaster模块生成DSM，再通过MATCH-T模块提取DTM，生成DEM数据。DEM的精度满足于正射影像影像纠正即可，参照《CH/T 9008.2-2010 基础地理信息数字成果1∶5001∶10001∶2000数字高程模型》中数字高程模型精度指标中的三级丘陵地指标执行，网格间距为1.0m×1.0m，高程值取位至0.01m。在DEM制作过程中，对点云进行编辑时，采用彩色点云模式，将匹配的DSM中的建筑物、高植被表面的点剔除，防止正射影像DOM出现扭曲变形现象，从而影响精度。

数字高程模型DEM生成以后，使用INPHO软件中的OrthoMaster模块对影像进行单片纠正，然后使用OrthoVista模块对单片的正射影像进行镶嵌、匀光匀色、分幅输出处理。本次生产的DOM地面分辨率为0.1m，不用分幅输出，生成一幅DOM。使用OrthoVista模块图象处理工具对影像进行无缝拼接，拼接线不得通过建筑物、桥梁等，须在图象重叠处仔细挑选，以便色调变化和拼接痕迹降到最低。

通过DOM上量测明显地面点与外业实测明显地面点对比，最大平面误差为0.341 m，最小平面误差为0.060 m，平均误差0.194 m,满足《CH/T 9008.3-2010 基础地理信息数字成果 1：500 1：1000 1：2000 数字正射影像图》中平面位置精度要求。

2.6 数字线划图DLG制作

数字线划地图DLG的采集部分在MapMatrix软件下进行。将INPHO格式的空三结果进行转换成MapMatrix软件识别的格式，所需的数据有畸变后的影像、外方位元素、内方位元素、加密点坐标以及相机参数等，在MapMatrix软件建立工程，导入所需的数据，对影像进行数码内定向，创建立体模型后，进入FeatureOne模块进行数据采集；采集线划时可采用加载实时核线和原始像对两种模式。因无人机获取的影像自身的缺陷，采集时注意尽量使用模型中间位置，并注意保持模型切换，以免造成模型间地物接边出现问题。为保障成图精度，可将空三加密时所用的外业控制点导入到模型中，进行检核，若无问题，即可进行采集。

采集通常分为地物要素采集与地貌要素土质采集。地物要素主要包括水系要素及其附属设施、居民地及其设施、交通及其附属设施、管线及其附属设施等；地物采集时，立体看不清的地物以及地物有局部被遮挡时，应对其进行标记，由外业实地进行补测调绘。地貌要素主要包括等高线、高程点等。高程点的密度通常情况下为8-15个点，要先在一二类方位物及明显地形变换处采集，其余的均匀分布即可；等高线采集时，根据地形类别确定等高距后，进行采集。由于本项目是水利工程用图，对水系附近的地貌要求较高，采集时河流边线以摄影时水位为准，河流边线上每100m要采集一对水位点，河流两侧的陡岸每100-150m采集坎上、坎下高程。

采集的图形数据经过简单粗编辑，提供给外业人员，进行调绘及修补测工作。调绘的主要内容有居民地名称、道路名称及等级、房屋建筑材料及层数、管线的类别及走向、植被类别等。修补测主要包括立体采集看不清的地物及摄影后变化的地物等。

地形图编辑以采集的图形数据为基础，结合外业调绘及修补测数据，按照《GB/T 20257 1-2007 国家基本比例尺地形图图式第1部分：1：500 1：1000 1：2000地形图图式》要求进行。

为检测地形图的精度，采用RTK全野外实测20个明显地物点及15个高程点；经检核地物点的平面中误差为0.325m，高程注记点中误差为0.421m，精度满足国家《CH/Z 3003-2010低空数字航空摄影测量内业规范》中的精度指标。因本项目对高程要求较高，在河道两侧重点区域，通过外业全野外采集高程点的方式，加入到地形图中并处理好相互关系，最终形成地形图。

3 结 语

通过本项目的生产，证明了无人机遥感配合专业的应用软件适用于快速获取小面积大比例尺地形图和数字正射影像图，具有方便、快捷、高效、成本低等优势。在实际应用的过程中，无人机遥感的劣势也显现出来，如飞行时间短、荷载小、航片姿态不稳定等问题，在数据后处理时，由于像片数量多、像幅面积小、航向和旁向重叠度大等原因，致使像控、空三、测图工作量增大；同时由于基高比小，造成无人机获取影像处理后的高程精度不高，即使能勉强达到规范要求的高程精度指标，但因其不稳定，不能直接应用于对高程精度要求高的工程项目。

随着科技的进步，无人机航摄装备水平也不断地提高，在飞行时间、荷载量、飞行姿态稳定性等方面都将逐步得到提升，同时后处理软件针对无人机影像在算法和工艺流程上必将有较大进步，无人机遥感的劣势将逐渐减弱，其应用领域将会进一步拓展，从而满足各类小面积工程测绘的需求。

[1]张大方．低空无人机遥感在水利工程测绘中的应用研究[J] ．工程技术．2016，10(10)：103-104．

[2]穆宣社．基于地理空间大数据的应急指挥辅助决策平台研究[J]．测绘通报，2015(06)：93-96．

[3]邓非，闫利．摄影测量实验教程[M]．武汉：武汉大学出版社，2012：27-31．