无人机航测技术在信阳某水库划界中的应用研究

申圆文

信阳市水利勘测设计院 河南 信阳 464000

1 研究背景

2016年10月11日,中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于全面推行河长制的意见》,提出依法划定河湖管理范围的主要任务[1]。自国务院下发有关文件后,各省开始有序开展各类河道、湖泊、水库以及各种水利设施的划界工作。由于河湖划界属于近年来新提出的工作任务,各测绘单位在此领域的工作经验都较少,如果使用传统的测绘技术开展此项任务,工作量将十分巨大,无法在业主规定时间内完成任务目标。近两年各测绘单位也不断积极寻找新技术新方法来取代传统测量技术,希望在作业效率有所提高,而大多数单位探索使用无人机航测技术或搭载激光雷达来替代传统的外业测量。本文主要介绍利用积云1号固定翼无人机一体化测图系统在水库划界中的应用研究,详细阐述该无人机航测系统在水库划界中的应用流程,验证了积云1号航测系统在水库划界中的可行性与高效性,希望为其他工作者在本领域工作中提供一种可行方案。

2 无人机摄影测量技术原理与流程

摄影测量是利用摄像机来获取被摄物体的影像,通过影像来研究被摄物体的形状、大小、位置及相互关系的一种科学技术。根据飞行平台与被摄物体远近的不同,一般将摄影测量分为：航天摄影测量、航空摄影测量、地面摄影测量以及近景摄影测量和显微摄影测量。近年来随着无人机技术的飞速发展,无人机在飞行稳定性、续航以及载荷方面得到很大提高,无人机航测技术也得到快速的发展。摄影测量的主要特点是直接在相片上进行量测、解译,无需直接接触被摄物体,所以不需工作人员进入到实地,这样将大大节省外业劳动力,提高工作效率。

摄影测量主要是研究被摄物体的影像来获取地物的形状、大小以及位置信息[3],其主要原理步骤包括：1、影像内定向；2、影像相对定向；3、影像的绝对定向；4、影像连接点的提取；5、DSM与DOM的生成制作,包括影像的镶嵌与拼接；6、其他产品的生成,如点云、等高线或三维纹理的生成,通过以上流程最终获取摄影测量各种产品。

3 水库划界项目技术要点

根据《河南省河湖管理范围和水利工程管理与保护范围划定技术指南》,水库须完成管理范围线与保护范围线的划界工作[2]。水库划界与河道划界要求不同,河道划界工作以多少年一遇洪水位来确定管理范围线,无确定保护范围线工作；而水库划界是以迁赔高程线来确定管理范围线,以设计洪水位确定保护范围线,从工作量来看,水库划界相对于河道划界工作较多,但水库划界无需进行洪水位计算,一般迁赔高程线与设计洪水位可以在水库历史资料中获取。

按照要求,大中型水库管理范围如下施测[2]：①整个大坝及设施占地；②主坝下游坡脚外200米,副坝下游坡脚外50至200米；③山区大坝两头分水岭之间,平原地区坝头外50米与大坝上下游坡脚外200米延长线之间；④水库迁赔高程线以内区域；⑤输、泄水建筑物边线外10米至50米；⑥已划定管理范围线的,大于上述标准不再变更,小于以上标准的需重新划定。保护范围线如下施测：①主、副坝管理范围线外延300米；②设计最高洪水位以内；③已划定保护范围线的,大于上述标准的不再变更,小于以上标准的重新划定。

4 信阳某水库划界案例分析

本项目为信阳某大型水库划界工作,该水库总面积约25.6平方千米,其中土地面积13.8平方千米,水域面积11.8平方千米,控制流域面积222平方千米,总库容达2.33亿立方米。该测区地形北侧主要以丘陵为主,高差起伏不大,南侧以山区为主,高差一般在70-80米,整个地形呈南高北地的趋势。根据《河南省河湖管理范围和水利工程管理与保护范围划定技术指南11.14印发》要求,再结合该水库实际情况,该项目需完成以下工作：1、对该测区布设D级GPS控制网,且每个GPS点须联测四等水准；2、外业航空摄影,完成1：2000正射影像图的制作；3、测绘水库管理范围线与保护范围线；4、界桩点设计；5、编写水库划界技术报告,提交成果。

为后续外业测量,前期我们对水库进行了控制测量,包括D级GPS平面控制测量、四等水准测量,本文主要介绍无人机航测在该项目的应用,故控制测量不做赘述。控制测量完成后,开始无人机航空摄影,传统的无人机航空摄影搭载的POS系统仅提供单点定位的位置信息,其精度一般在10米左右,如果内业空三要顺利完成,外业必须布设大量的像控点,外业工作量势必增大。且本项目为水库测区,像控点只能布设在水库周边,数量远远不够。本项目采用积云1号无人机一体化测图系统,该系统搭载天宝PPK差分系统,使用该差分系统可以获取飞机拍照时刻的精确位置信息,精度一般在10cm以内,为准确的外方位元素,从而可以大大减少外业像控点的数量,提高了内业空三的速度与通过率。具体实施方法如下：

4.1 航线规划 外业航飞前,对整个测区制定航线规划,由于水库面积较大,此项目共进行十三个架次,为保证正射影像的质量,影像的航向重叠率与旁向重叠率均设置为70%,相邻架次的重叠率至少2/3个航带宽。

4.2 布设像控点 由于积云1号无人机搭载了PPK差分系统,即采用稀疏像控即可对整个测区完成控制。本项目在库区周边布设25个像控点,其中5个为检查点,20个参与空三解算。像控点采用GNSS-RTK测量,其中每个像控点平滑采集20次,取其平均值作为最终坐标。

4.3 外业航飞 为保证飞机的安全与影像的质量,航飞选择在天气晴朗且无风的条件下进行,航飞高度设置为300米。为控制各地物的阴影区域,选择在中午12点前后航飞,十三个架次分十天完成。本项目外业航测共获取照片5431张,包含整个水库测区。

4.4 内业数据处理 本项目内业采用Pix4Dmapper软件进行空三解算,Pix4Dmapper软件是由瑞士Pix4D公司研发,是一款全自动、快速、高精度的一体化航测影像数据处理软件,它内置一套逐像素密级匹配的算法,在沙漠、大面积水域、森林等特征点较少的区域仍可提取较多连接点,提高空三的通过率。而本项目属于大面积水域测区,使用该软件有效解决了正射影像在拼接时出现的漏洞、错位等问题,最终生成较为完美的正射影像。Pix4D软件同样可以生成高质量的三维彩色点云,利用点云可以生成数字表面模型DSM。软件还可以对点云进行自动分类,如分类成地面点、对象点以及未分类点,再通过人工干预进一步筛选分类,最终分类出精确地面点,利用地面点生成数字地面模型DTM。

4.5 辅助工作线生成 本项目最大的优势在使用EPS三维裸眼测图,该软件可以将DSM或DTM与正射影像进行叠加,呈现与真实地形类似的三维场景,并可以对该三维模型进行量测、测图,快速简易的完成数字线划图DLG,真正的实现了外业工作内业化[3]。在本项目我们利用EPS生成与管理范围线、保护范围线接近的辅助线,并再根据实际情况对辅助线进行调整修饰,调整后的辅助线基本接近管理与保护范围线。该辅助线可以导入到RTK手簿中,作为外业实地勘界的基础,这样可以避免外业人员做一些不必要的工作,大大提高了工作效率。

4.6 划界产品制作 根据水库划界要求,成果整理成50*50cm分幅图,底图采用航空摄影生产的1：2000正射影像,将测量的管理与保护范围线置于底图之上,并将设计的界桩点在分幅图上标明。该工作我们使用Global Mapper进行影像分幅,再使用PhotoShop对分幅影像匀光匀色,将影像加载至南方Cass软件中,最终叠加上管理、保护范围线以及设计界桩,完成划界最终产品。

5 总结

本文主要介绍了积云1号无人机一体化测图系统在水库划界中的具体应用,通过该案例可以看出,在水库划界中,除了后期外业勘测与界桩埋设,大部分工作都是基于无人机航测产品的内业工作,基本实现外业工作内业化,降低了测绘人员的工作强度,同时工作效率也大大提高。根据统计的精度检测结果,所有成果均满足项目的要求,验证了积云1号无人机航测系统在水库划界中的可行性、高效性。