CW-15无人机在河湖范围划界中的应用

摘  要：传统的地理相关信息采集方式主要是人工逐点进行，这种方法程序复杂，需要大量的时间、人力，而且成果也不精细，甚至有的地方无法进行作业，比如人力不能到达的危险陡峭山崖。随着无人机的出现，传统采集模式开始被高效率仪器所替代，并逐渐大量应用到现实生产实践中。文章以河湖划界为例，研究CW-15无人机倾斜摄影技术在地理信息采集中的应用。

关键词：无人机;倾斜摄影;河湖划界;三维建模

中图分类号：TP79;TV697      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）18-0026-03

Abstract：In the traditional way of geographic information collection，it is mainly manual point by point. This method is complex and requires a lot of time and manpower，and the results are not fine. Even some places can not operate，such as dangerous steep cliffs that cannot be reached by manpower. With the arrival of UAV，the traditional acquisition mode has been replaced by high-efficiency instruments，and gradually applied to practical production. Taking the delimitation of rivers and lakes as an example，this paper studies the application of CW-15 UAV oblique  photography technology in geographic information collection.

Keywords：UAV;oblique photography;river-lake demarcation;three-dimensional modeling

0  引  言

河湖范围划界项目的地理信息采集方法有很多种，但是传统的方法耗时长，精力消耗巨大。近年来，随着无人机航摄技术的崛起，倾斜摄影技术完全改变了当前的状况，使作业方便、快捷、省时省力。笔者所在的甘肃省地质矿产勘查开发局第三地质矿产勘查院正面对即将进行的大量河湖划界项目，为了降低成本，前期进行无人机倾斜摄影真实实验研究，使各类方法相结合，从而达到周期最短化、效益最大化的目的。

1  河湖范围划界业务的目标

在研究区域范围内，全面查清划界河道管理保护范围，确定河流水域岸线等水生态空间权属，划定河道管理保护范围边界，建立归属清晰、权责明确、监管有效的河道产权制度。为建立水生态环境治理长效机制、建立河道管理保护体系、全面推行河长制奠定坚实基础。

1.1  河湖范围划界中无人机倾斜摄影相关的工作要求

需要完成河道控制断面测量，完成河道带状1：2 000地形图测绘、将控制点测制并进行编号，完成正射影像的制作，完成河道洪水分析、河道典型區域全景影像制作，设立界桩、告示牌确定范围，建立数字化档案等。

1.2  河湖范围划界工作中倾斜摄影的技术难点与解决办法

相控点的布设：难点是由于山大沟深信号很弱或者直接没有信号，RTK踩点困难。解决办法是架设基站，快速静态测量。

影像的航飞：难点是由于河流形状不规则，蜿蜒弯曲，并且深浅不一，航线比较难确定，航飞难度较高;再有山体落差大，误差就大。解决办法是对航飞测区进行分区分块，这样既能保证最高点的重叠度，又能保证最低点的地面分辨率。

模型的建立：难点是对硬件和软件要求较高，尤其是相片张数过多时，模型导出比较费时间，后期修模工作量也比较大。解决办法是保证高配置的计算机硬件，分批分量地进行后期处理，寻找合适的相关软件搭配使用。

界桩的埋设：难点是地势险峻的地方，车辆难以到达;由于界桩沉重，人力运输困难;有时岩石坚硬，埋界桩时很难挖动。解决办法是可以将界桩设置点稍微平移一下，换地方进行。

2  纵横CW-15无人机航测系统及特点

2.1  纵横CW-15无人机航测系统基本情况

纵横CW-15无人机为垂直起降的固定翼无人机，它的布局是采用固定翼结合四旋翼的设计，这样不仅有固定翼无人机续航时间长、速度快、飞行距离远的优点，也大大解决了固定翼无人机垂直起降的难题。它可以根据实际条件更换任务载荷，因为有多个任务模块仓，机身连接使用快锁装置，设计为折叠形式的旋翼机臂，不需要拆卸，使用方便快捷。CW-15无人机外观如图1所示。

2.2  纵横CW-15无人机航测系统特点

纵横CW-15无人机作业效率较高，一架次可以采集大概十二个平方千米的数据，续航时间大致为2小时40分钟，并且没有场地和空域条件要求，可以做到一站多机。其结构比较简单，配件主要是以套合的方式进行安装，展开时间短，不用螺丝来固定;用电脑操控，系统监控警告及应急处理及时，直观清楚;一键起飞，安全性高;定点起降，可以实现精准作业。该无人机兼具固定翼和螺旋翼的优点，统一任务仓可以轻松拆卸适用于不同的飞行平台，还可以解决部分区域有云层遮挡的情况。

3  河湖范围划界方法研究

3.1  研究区域概况以及对作业的影响

本文研究区域为陇东黄土高原西北部，该地区大概有以下几种情况会影响到航飞的过程和效果：

（1）黄土地区由于水土流失，塬面大多支离破碎，川台狭小，山区梁峁起伏，岘掌曲伏缠绵，沟壑纵横，呈残垣沟壑与丘陵沟壑地貌类型，航拍分辨率更加清晰，内业处理比较繁琐耗时。

（2）森林覆盖率高的地区，尤其是树木比较高大、浓密的地方，外业航拍后内业打点比较困难。

（3）天气多变，风沙较多，空气中有杂质，会对无人机航拍的能见度以及飞行器正常飞行产生影响。

3.2  传统方法

用RTK对特征点逐点采集，并绘制外业草图，导出数据到计算机后，用相关软件按照草图进行连接以及后期相关处理得出所需成果。由于黄土地区水土流失痕迹较重，沟壑比较多，地形支离破碎，RTK所需要采集的特征点繁多，任务繁重，需要大量时间。

3.3  新技术手段

纵横CW-15无人机进行倾斜摄影测量包含以下步骤：得到外业数据、将各类影像数据匹配、对平差纠正并处理、对正射影像进行处理。依据本研究项目测区的航摄资料、测区其他已经收集到的资料进行统筹分析，采用航空摄影测量技术开展的河湖管理范围划定河流1：2 000地籍测绘工作任务有航飞资料的检查、像片控制测量、空三加密、DOM生产、DEM生产、成果整理并提交等环节，严格控制质量关键节点，各环节质检合格后移交下一环节。具体流程如图2所示。

在图2的整体流程中，需要细致分析一下空三加密，新技术无人机作业流程中，基于本研究区域航空摄影测量作业模式，测区航片成果数据采用专业的软件环境和流程分别进行空三加密，使用空三加密软件PHOTOMOD对全部航片进行空三加密，具体流程如下：

（1）选择影像：选择航片成果中的影像数据，同时将POS数据中的线元素数据（B、L）制表并导入ArcGIS软件，经投影变换与测区范围线套合，根据所需加密范围挑选影像，记录航带数与像片编号。

（2）无人机影像畸变改正：根据相机文件中给定的畸变参数，利用空三加密软件中畸变改正模块对所需加密的影像进行重采样，并输出改正后的影像。

（3）建立连接点匹配工程：建立航带，添加改正后的影像，并根据畸变改正时影像的旋转方向对航带进行旋转，导入POS数据。

（4）提取连接点：先利用PHOTOMOD软件进行金字塔影像生成，然后设置缓冲区进行同名点自动匹配，构建自由网。

（5）自由网平差：利用软件功能模块对所构建的自由网进行平差，逐步剔除粗差较大的连接点，在保证自由网强度（连接点数量及分布）的同时提高自由网的精度，以保证后续区域网平差的精度。

（6）区域网平差：导入航外像片控制点坐标数据，先对所需加密区域的四角进行像片控制点像点坐标观测，然后进行初步的控制网平差，在此基础上，借助软件的预测功能并对照控制点对其他像片控制点和检测点进行转点，全部像片控制点和检测点观测完成后调用平差模块进行区域网平差，并用检测点检查空三的精度是否满足规范要求，若精度满足空三规范要求，则输出空三加密成果。

研究区域大概7平方千米，无人机航拍采集数据需要一个小时左右，随后进行影像内业处理，基于PHOTOMOD软件的影像空三加密成果进行，具体作业流程为：

（1）影像匹配：建立PHOTOMOD集群化数据处理系统的数据处理工程，利用空三加密成果以及原始影像数据，进行多核多线程影像匹配，生成测区初始DEM。

（2）立体建模：利用加密成果以及原始影像数据，在JX-4CDPW或GEOWAY DPS环境中进行定向并恢复立体模型。

（3）DEM立体编辑：在立体环境中载入对应区域初始DEM，采用系统编辑工具（点编辑、特征线、区域重构等），对建筑、树木、桥梁等区域进行修改，对未能反映真实地表高程的飞點以及误差区域进行编辑;之后经数据接边及质量检查，合格后作为成果DEM输出。

（4）DOM数据生产：DOM数据生产以航摄成果影像为数据源。

（5）基于PHOTOMOD空三加密成果以及测区DEM成果进行正射纠正。

（6）最后结合ContextCapture软件，利用直观的三维立体模型进行DSM的制作以及后续的工作，图3为使用ContextCapture软件进行三维建模自动生成的3D模型。

3.4  对比分析

在同一地区、面积为7平方千米、精度为0.08、使用的人力都为1个工作人员的情况下，无人机与传统人力相比较，无人机的外业和内业总共大概需要5天;人工采集数据大概需要2个月，绘制DSM3天，共63天，如表1所示。

从数据不难看出，无人机和传统方法在面积相同、人力相同、精度相同的同一地区进行作业时，时间耗费相差比较大，这就体现了无人机快速作业的优势。

4  结  论

为了缩短项目进程，解决无人机在实际应用中出现的具体操作问题，作者对此项目进行了研究。在以上关于河湖划界的研究中，不难看出无人机倾斜摄影技术将时间大大缩短，解放了人力，并且它将传统测量技术与正射影像相结合，在同一平台上搭载多个传感器，全自动、多角度、高效率、精准拍摄，短时间就能获取海量的高精度数据，可以满足河湖划界工作降低成本、缩短项目时间的要求。

参考文献：

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作者简介：王福莲（1990—），女，汉族，甘肃会宁人，助理测绘工程师，本科，主要研究方向：野外测绘、航测内业制图、数据库建设、地理信息工程等。