无人机航空摄影测量技术在涉河建设项目中的应用

何业骏，钟 良，甘 拯

（长江空间信息技术工程有限公司(武汉)，湖北 武汉 430000）

1 引言

随着三峡工程的建成与运行，加快了三峡库区内城市化、工业化、现代化建设的步伐，也导致了库区内涉河建设项目活动日益频繁。为了进一步维护三峡水库运行安全和生态安全，在三峡后续工作规划已审核批复占用库容项目中，包含一批岸线环境综合整治工程为主的涉河工程项目，这些工程项目主要采用生态与工程相结合的岸线环境综合整治措施。生态措施包括草皮护坡、植生护坡等；工程措施主要用于需要稳定岸坡和防止岸坡受库水长期侵蚀产生水土流失的岸段，包括岸坡的整治、现浇混凝土护坡、挂网喷锚护坡等。

如果对这些涉河建设项目采用传统方法进行全野外实测，不仅成本高、工期长、人员作业还存在一定风险，无法达到要求。无人机低空航空摄影测量具有灵活机动、成本低廉、周期短、效率高、精度高、内业成图迅速的特点，对于地势环境相对恶劣的三峡库岸区域的数据采集具有明显优势。现场采用无人机航空摄影测量和RTK技术获取涉河工程水边界数据及岸上地形地貌数据，经处理后的正射影像和倾斜摄影模型，完整反应航摄区域内的空间信息和地表纹理信息，为涉河建设项目工程管理及项目占用库容量预算提供可靠依据。

2 无人机航空摄影测量技术发展情况

2.1 无人机航空摄影测量技术原理

近年来，无人机航空摄影测量作为一项新型航空遥感技术，发展十分迅速，技术也越来越成熟。无人机航摄是通过采集地面上的地形、地物的三维坐标以及附属的性质信息，通过计算机进行处理、显示、输出地形图。

2.2 无人机航空摄影测量技术特点

与传统工程测量相比，无人机航空摄影测量优势如下：

（1）起降灵活方便，方便携带，对周边环境和天气要求较低，一般只需要在航摄范围附近有一块无遮挡的平地即可自由起降。

（2）可以低空飞行，提高作业效率。大疆系列小型无人机可以在高度100m～500m区间进行低空航摄作业，短时间内可快速完成用户所需成果，大疆系列小型无人机每架次起落作业面积约1km2，作业效率高，相比传统工程测量外业人员投入大大减少。

（3）能够快速获取高分辨率数据。通过搭载的相机等传感器，可以准确、直观地获取地表信息，低空航摄分辨率可达到3 cm～5 cm超高分辨数字影像，这是传统测量无法做到的。

（4）无人机与GPS RTK组合，利用无人机快速、灵活获取地面平面位置数据，GPS RTK外业获取像控点平面和高程信息，保证航摄区域内测量精度，通过二者结合生成数字高程模型（DEM）。

3 工程应用实例

3.1 工程概况

某环境综合整治工程处于三峡库区重庆段内，护岸工程坡度大。建设内容包括：990 m库岸工程，排水箱涵1座（长170 m）以及堤后回填工程（排洪箱涵、片石混凝土护脚挡墙、碾压土石坝体、格构片石护坡、土石方开挖及回填等），护岸坝顶高程178 m（黄海高程）。

3.2 实施技术路线

8月处于三峡库区最低水位，在此期间采用无人机低空航摄数据外业采集和内业数据处理相结合的方式实施作业。无人机在采集区域内获取地形地貌数据后，现场使用GPS RTK进行像控点布设，经内业数据处理生成数字地表模型和影像成果，结合工程竣工后所在区域地形格网模型、施工前1∶2000地形图及库区界桩成果等资料，2期数据对比计算三峡库区最低水位145 m至最高水位175 m之间体积方量差。

图1 技术路线

3.3 坐标系统和高程基准

（1）坐标系统：CGCS2000坐标系；

（2）高程系统：1985国家高程基准；

（3）基本等高距：2 m；

（4）成图比例尺：1∶2000。

3.4 无人机低空航摄数据采集

3.4.1 现场探勘

进入现场准备执行飞行任务，能见度好的时段下飞行，满足数据所需的光照条件，在到达起降点时对无人机、相机、电池等软硬件进行全面地检查并作记录。

3.4.2 航线规划

大疆系列无人机体型小，携带方便，适合小面积航摄任务。本项目现场采用大疆精灵4型号旋翼无人机进行数据采集，大疆精灵4相机镜头为20 mm/F2.8定焦镜头，有效像素1240万。

依据项目建设单位提供的项目竣工范围及勘察现场情况后，确定本次无人机飞行航摄高度约150 m，6条航线，航线间距88 m，曝光间隔3 s，航向重叠80%，旁向重叠60%，分辨率4 cm，作业面积约0.3 km2，航时12 min，现场获取约200张高清影像，当日库水位高程146 m。

图2 航线规划

3.4.3 航测成果自检

航摄完成后，针对本次航摄作业飞行质量进行检查，包括像片重叠度、航摄比例尺、覆盖情况，现场生成快拼图。同时对影像质量进行全面检查，查看图片有无遮挡、影像色彩亮度是否协调统一。

图3 工程竣工区域正射影像图和倾斜摄影模型成果

3.4.4 外业控制测量

在满足数字高程模型及正射影像精度要求的基础上，按照《水利水电工程测量规范》等技术标准、规范进行像控点的布设。因现场地形条件限制，采用不规则区域网布点，为提高像控点的加密精度，在航摄区域范围的两端和中部位置增加平高点。

3.5 内业数据处理

无人机采集影像数据之后，制作摄区数字地表模型、数字高程模型、数字正射影像。同时，根据业主单位提供的项目竣工范围内的施工前测绘数据，去除地形上树木、临时房屋等特征要素,构建好处理后的TIN网，制作生成施工前地形数字高程模型。

图4 施工前正射影像和地形图叠加

运用ArcGIS软件生成的三角网格，计算得到每一个三棱柱的挖（填）方量，最后累计得到项目竣工范围内所有的三棱柱体积,底部则以水平面为计算表面。同时利用库区界桩成果等资料,结合现状采集地形数据与库岸工程竣工范围施工前数字高程模型进行对比计算。本工程在三峡水库145 m～175 m高程范围内占用防洪库容约16.7万m3,与前期设计阶段采用断面法计算的库容量相比有所减少。

图5 施工前后2期数字高程模型比对

本项目无人机外业数据采集和像控点测量2人共耗时0.5天，内业数据处理1人耗时1天，成果直观，计算成果满足要求，并可作为项目数字化存档资料。

4 结论

综上所述，利用无人机航空摄影测量技术获取涉水工程地形地貌数据，现场进行像控点布设及增加平高点的方法，相比传统全野外测量优势明显，节约了人力和物力资源，有效提高工作效率，减少涉水工程项目外业测量工作危险性。通过内业数据处理将工程现场实际情况与施工前地形地貌情况进行更直观的展示，为管理部门对涉水工程项目管理提供了技术支撑。此种作业方式，也可广泛应用于土地调查，水利执法，资源调查等不同领域核查，具有广泛的应用前景。