无人机航测技术在水利工程确权划界中的应用

吕艳兵

（忻州市水利勘测设计院，山西 忻州 034000)

水利工程确权划界，是依法对河道及水利工程划定管理和保护范围，是有效推进河长制工作的重要手段。传统测量技术成本高、效率低，已无法满足现代工程管理需要。无人机航测具有成本低，效率高等优势。将无人机航测技术应用到水利工程勘测中，在保证勘测成果质量的同时，可提高勘测作业效率。

1 GPS D 级控制网测量

工程平面坐标系统采用CGCS 2000，中央子午线为111°，高斯投影为3°带；高程采用1985 国家黄海高程；航测数字化地形图成图比例尺为1∶2000，等高距为2 m；测图范围包括运行区、工程区（从划界范围的周边外延300 m）、库区周边（从校核水位外延300 m）；数字线划图（DLG）为AUTOCAD 2004 的DWG 数据格式；数字正射影像图（DOM）为TIF 数据格式（0.07 m分辨率）。

1.1 GPS 外业观测

本次测量的D 级控制网，选取了14 点组成D 级网进行观测，并按点名进行编号（FD 01—13），点间距为4～6 km。GPS 网使用三台南方GPS 接收机（仪器标称精度：静态定位±5 mm+2 ppm），三台华测GPS 接收机（仪器标称精度：静态定位±5 mm + 2ppm）进行观测，采用三点推进边连式构网法同步观测，观测时，有效卫星数应不少于4 颗，卫星高度角最小为15°，数据间隔为15 s，时段长度大于1 h，从天线的三面分别测量天线高三次，取平均值。

1.2 GPS 布网

实测GPS 控制点15 个，其中已知控制点2 个，未知点13 个，组成同步环66 个，异步环38 个。独立基线20 条，其中必要基线14 条，多余基线36 条，平均重复设站数为1.6/站，符合《全球定位系统（GPS）测量规范》规定1.6/站[1]，详见表1。

表1 GPS 观测网的概述

1.3 GPS 基线处理和独立基线选取

外业观测后所有数据转化为Rinex 数据，用计算机对外业数据进行检查，检查得中误差小于40 mm，方差比大于3。此次观测共形成52 条合格基线，基线最短边长349 m，最大边长7670.4 m，平均边长4 047 m，详见表2。

表2 GPS网的基线

本次观测共形成66 个同步环，同步环最优闭合差1.768 mm，最弱闭合差33.018 mm。所有同步环坐标分量相对闭合差和全长相对闭合差均小于闭合限差。

本次观测形成的异步环38 个。异步环最优闭合差6.443 mm，最弱闭合差36.577 mm。网形质量良好，构网基线合理。基线质量统计见表3。

1.4 GPS 网无约束平差

对GPS 网三维无约束平差后，点位中误差为±0.0033 cm、最弱点为FD 01。基线相对精度最弱边YSN 1392141C-FD 13141BN、长度979.796 m，相对精度1/92146，表明控制网的内符合精度较高。

表3 基线质量统计

1.5 CGCS 2000 坐标系下GPS 网约束平差

CGCS 2000 坐标系下无约束平差，中央子午线为111°，高斯投影为3°带，固定平面起算点YSN 进行无约束平差，见表4。

表4 GPS 网精度统计

1.6 高程控制测量

原高程基准为大沽高程，本次测量采用1985 高程基准，以三等水准联测水库高程基准BM 02 与国家Ⅱ等水准点静汾15 后，1985 高程比大沽高程高1.518 m，D 级控制网的高程采用原四等水准网成果。

2 航测航摄作业

2.1 像控点布设

测区布设像控点89 个，检查点85 个，像控点及检查点采用GPS RTK 测量。像控点均匀布设于水库周边。利用数字空三进行平高加密。像控点打小木桩和地面齐平并且做好L 形白粉标志，像控点一律采用顺序号前冠英文字母XK 方法编号，整个测区没有重号。检查点采用顺序号前冠英文字母JC 方法编号。

2.2 像控点的测量

在D 级GNSS 点的基础上，利用SXCORS RTK 架设三脚架三次初始化测量像控点，84 坐标系与GCCS 2000 坐标系的转换关系的获取方法，采用在测区现场，通过点校正的方法获取。转换参数的求解，采用13 个D 级点，并且能覆盖整个测区，通过合适的数学模型及可靠性检验，对多点组合方式进行计算和优选。通过RTK 测量像控点坐标时，其转换残差应不大于图上±0.1 mm。RTK 测量像控点高程，拟合残差为等高距的1/10[2]。全部像控点又经过山西省测绘工程院转换GC 2000 坐标系和1985 国家高程基准，较差在允许范围。

2.3 航空摄影

采用大鹏无人机系统（CW-10）搭载严密检校过的高分辨率数码相机Sony ILCE7R，完成所有航摄工作。按航片地面平均分辨率为0.07 m，相对航高为513 m 飞行。结合测区地形高差不应大于1/6 航高，分为3 个摄区，共飞行8 架次，完成航测面积为102 km2。摄影测量时间选择，应确保影像能真实地显现地面细部，太阳高度角应大于30°，阴影应小于2 倍时进行[3-4]。

2.4 测绘成果质量检查

2.4.1 GPS 数据采集

为提高搜索空间，无人机飞行时，差分GPS 天线置于飞机前方；相机拍下的每张照片，都和飞控系统记录的坐标点一一对应，飞行结束后，如果从飞控系统下载的POS 数据和照片的数量对应，则表明GPS数据采集正确。

2.4.2 照片数据质量

影像质量特别强调影像清晰，反差适中，颜色饱和，色彩鲜明，色调一致。有较丰富的层次、能辨别与地面分辨率相适应的细小地物影像，满足外业全要素精确调绘和室内判读的要求。

2.4.3 飞行质量

无人机飞行选在风速不大且稳定，日照充足的时段，飞行质量较高。相片的航测范围覆盖了整个测区，无漏测区域。航测时航向重叠率大于等于80%；旁向重叠率大于等于75%。经检查，所有航测数据完整清晰，满足精度和规范的要求。

3 航测成图的内业处理

3.1 数据预处理

为了正射影像精度小于4 个像素，DOM 和DLG成图精度可达1∶2 000 的要求，选用Pix4D 进行数据处理。

3.2 影像预处理

影像预处理包括增强图像、相片变形校正、编辑等工序，预处理后的影像更加鲜明，有利于后期空三加密。

3.3 解算GPS 后差分数据

在测区已知点架设GPS 接收机，为静态采集模式。参数设置为：在无人机起飞前直至降落持续采样，间隔为1 s。飞行时公共卫星数多于4 颗，且解算全过程显示绿色，说明数据质量较好，解算得到WGS 84 坐标下的POS 坐标数据。

3.4 空三加密

为达到1∶2 000 的精度要求，空三加密采用Pix4D进行，且刺点的误差最大不能超过3 个像素[5]。

3.5 DSM 质量评价

在武汉点云科技有限公司开发的SKYPHOTO-MAP3D 软件下，基于数字正射影像DOM 和数字高程模型DEM 生成实景三维模型DSM，提取检查点坐标，与检查点RTK 实测坐标比较，进行DSM 质量评价。经计算，检查点平面中误差±0.015 cm，高程中误差0.045 cm。

4 航测成图

4.1 数字线划地形图编辑

数据采集在武汉点云科技有限公司开发的SKYPHOTO-MAP3D 软件下，基于数字正射影像DOM和数字高程模型DEM 生成实景三维模型DSM，点状地物在地物的定位点上采集，线状地物在地物中心线采集，偏差不能超过图上0.1 mm。

DLG 成图软件使用《南方CASS10.1 地形图系统》，按《地形图图式》标准进行修改直至满足成图要求。

4.2 数字正射影像图的制作

生成DEM 后，可进行DOM 的制作。生成DOM后，要对其拉丝、划痕、变形及重叠进行检查，并用PHOTOSHOP 软件进行调色和修饰。最后在图幅上加地名、图名等打印成图。