基于涉河项目调查的无人机航测技术应用

高大鹏

(阜新市水利局，辽宁 阜新 123000)

近年来，随着经济的高速发展以及城市建设速度的加快，从单一的水利行业涉河项目已实现向多行业、多领域的扩展，涉及房地产开发、石油天然气、电力通信、工业生产、交通、航运、水利等诸多领域。同时，相继出现的监管工作不匹配、未严格按照批复建设、“未批先建”等问题，对河流行洪安全和沿河居民安全构成潜在的威胁。因此，高效运用各种新型科技，正成为推进水利工作数字化发展与流域水环境有效整治的主流。无人机航测技术具有成本低、分辨率高、机动灵活等特点，在涉河项目调查、水环境污染、干旱缺水、洪涝灾害等相关领域中拥有得到独厚的优势，将其应用于水利行业中能够发挥不可替代的作用[1-2]。文章以细河干流阜新段为例，在涉河项目调查中深入探讨了无人机航测技术的实现过程。

1 无人机航测优势

在河道管辖范围内实施涉河项目现状调查，主要是掌握涉河项目的数量、位置、名称、类型等相关信息。无人机航测技术可以提取高精度正射影像(DOM)，并运用正射影像直观地获取整个河道管理范围内所有涉河项目的数量、面积、位置等信息[3]。无人机航测技术相对于全野外采集的传统全站仪和GPS作业模式，具有明显降低经济投入成本、缩减野外工作量与时间、采集数据更新周期短、操作流程简单等特点，涉河项目现状调查中所表现出的具体优势如下：

1)现势性：无人机能够快速更新采集的数据，其反应速度迅速。在短时间内，经图像后处理可实现成果信息的快速生成，及时为用户提供决策依据[4]。

2)高效性：无人机航测技术与传统的作业方法相比，可将大量的野外作业转入内业以提高作业精度与效率。

3)便捷性：无人机航测可以有效解决数据采集工作效率低的问题，对特别复杂场景作业模式下，能够大大提高其安全性，避免作业人员受到伤害。

4)成本低：无人机航测提高了作业效率，在明显缩减野外工作量的同时降低了项目的劳动成本，其经济投入以及时间成本较低。

2 无人机航测系统

无人机航测系统是一种借助无线通讯、惯性导航、卫星导航、飞行控制等技术，以无人驾驶飞机为平台搭载小型影像传感器实现低空航摄飞行和地面数字影像的快速处理，以及影像后处理的集成系统，其存在精度高、适用性强、成本低、生产周期短及机动灵活等特点[5]。

2.1 无人机平台

本项目利用集成了差分定位技术的电动固定翼式无人机，型号为KC1600型，该无人机可以快速处理后期数据，对相机拍摄时的位置信息进行及时准确的获取，技术参数见表1。

表1 无人机技术参数

2.2 影像传感器

该无人机航测系统选用全画幅微单非量测索尼NEX-7相机作为影像传感器，考虑到非量测相机没有框标，且不能记录内方位元素，所以必须校验相机参数，从而满足数据处理以及摄影测量需求。

2.3 后处理软件

以INPHO软件的Ortho Vista模块和Pix4Dmapper软件作为摄影测量后处理软件，Ortho Vista模块可以分幅输出、匀光匀色、自动镶嵌来源任意的数字正射影像，具有自动处理、操作简便等特点。此外，将影像数据利用Pix Dmapper软件可快速转变成精度较高且符合要求的产品形式。

2.4 航测流程

将无人机航测系统应用于涉河项目现状调查，主要包括DOM制作、空三加密、影像控制测量、无人机航空摄影、航线设计、航区规划等流程，如图1所示。

图1 无人机航测系统调查流程

步骤1：相机校验。在使用、运输过程中产生剧烈振动或按规范要求快门曝光次数超过20 000次以后，必须用专门的软件重新校验相机以获取光学畸变差、主点坐标、焦距等参数。

步骤2：航线设计与航区规划。航线设计过程中，为提高工作效率可以按照“S”字型沿河道走向设计，航区规划时要充分考虑地形高差以及河流弯曲走向趋势。

步骤3：布测像控点。在遵循尽量共用、测区内均匀分布、易于立体测量与判刺、目标影像清晰等原则的基础上合理布设像控点，科学运用网络RTK技术完成测量。

步骤4：航空摄影。航摄之前要全面考虑风力等级、光照条件、大气透明度等因素合理设定航摄时间，为了选取合适的起降场地还应实地勘探现场情况。

步骤5：空中三角测量。将空中三角测量区域网与光束法相结合进行空三加密，该方法可以利用逐点加算的方式修正地球曲率的影响，以及因大气折光、摄像材料变形、航摄机物镜畸变等物理因素造成的像点误差，在大大降低测量野外控制点工作量的情况下，实现加密精度的显著提升。

步骤6：DOM制作：针对影像数字分幅裁剪、镶嵌、匀光匀色、微分纠正等工作可以用INPHO软件的Ortho Vsta模块完成。

3 实例应用

3.1 内外业航测

阿哈来河是柳河右岸一级支流，发源于辽宁省阜新县八家子乡七家子村，流经辽宁省阜 新县，在辽宁省阜新县旧庙镇哈四村汇入柳河。流域面积 568km2，河流长度 53km，该河流洪水暴涨暴落，具有山溪型河流特征。以细河干流阜新段为例，在涉河项目调查中深入探讨了无人机航测技术的实现过程，具体如下：

1)无人机航摄。考虑河道采砂和涉河项目建设情况，将细河干流阜新段划分成10个航摄分区，起降10个架次无人机共获取3126张影像。设定的航拍地面分辨率为8cm，旁向与航向重叠度为60%、75%，成图比例尺1∶1000，相对航高与航线间距582m、295m，摄影基线长95m。

2)像控点测量与布设。对于项目位置精度，涉河项目现状调查的有关要求不高，所以可沿河流走向在河道两岸每隔2km布设一对像控点。此外，为符合DOM镶嵌精度要求及像控点尽量共用的原则，可以适当增加航线重叠接合处的像控点，本项目共布设56个全部为平高点的像控点，运用网络RTK技术按照相关技术规范完成像控点测量。

3)空中三角测量。该方法主要是在室内对野外测量的少量控制点进行加密，从而获取其平面位置与高程。主要包括绝对定向(区域网平差)、像控点转刺、相对定向(同名像点自动匹配)等步骤。采用空中三角测量每个航测分区时，所应用到的软件为Pix4Dmapper，从而获取数字正射影像图反映各航测分区的实际情况。

4)DOM制作。采用Pix4Dmapper软件和INPHO软件的Ortho Vista模块完成每个航摄分区数字正射影响的提取及其分幅、镶嵌、重采样、匀光匀色等处理。其中，匀光匀色处理能够使数字影像间的层次更加分明、反差适中、色调均匀，即缩小色调差异。考虑实际要求，采用0.2m的间距完成重采样处理，选择合适的镶嵌线保证数字正射影像镶嵌后纹理清晰、自然过度、拼接痕迹不明显。结合河流走向弯曲且为条带状数字正射影像的实际情况，为了防止出现对图幅标准分幅过程中仅有少部分数据的情况，可对正射影响利用自由分幅的方式处理。

3.2 涉河项目调查

内业调查、外业调查为涉河项目调查的两大内容，其中内业调查是在数字正射影像上利用数字采集软件获取涉河项目的属性、面积、数量、位置等信息；外业调查主要是补充影像中遗漏的涉河项目及其属性，通过统计分析内外业调查资料形成涉河项目统计成果。

3.3 在河长制工作中发挥的作用

无人机航测作为一种新兴的测绘技术，在小区域地区高分辨率影像快速获取方面具有明显优势，这是河道监管手段的有力补充。对河长巡河无人机“天眼”将发挥有益补充作用，推进巡河智慧水务新模式的开启。此外，综合“无人机+大数据”平台，通过设置河流水情、水质、排污、漂浮物等监测站点，运用科技手段形成人机、空地相结合的新型巡河模式，让无人机无死角、全范围的观察河涌情况，发挥“巡河员”的作用。对违章建筑、排污口、水面漂浮物等一览无余，采用在线监控、无人机航拍技术实时动态监测水环境、水生态和水质变化状况，将实时数据和画面纳入智慧河长管理信息平台，可以作为历史资料留存。未来，还可用于治理效果测评或潜在隐患的及时发现。

4 结 论

文章结合遥感、无人机等现代测绘手段，在分析传统涉河项目现状调查工作模式的基础上设计了一种无人机航测技术方案。无人机航测技术能够将大量的野外作业转入内业，借助INPHO、Pix4 Dmapper等专业摄影测量软件实现调查区域内正射影响数据的大范围快速提取，通过处理获取的正射影像数据形成高精度的矢量数据和调查区域影像成果，为河道管理决策提供数据保障与参考依据。在项目实施过程中应用无人机航测的复杂场景数据调查、成本低、机动灵活、高效便捷等优势，可以大大缩减野外调查工作量和数据的工薪周期，在提高调查工作效率的同时降低项目的实施成本。

总体而言，随着续航、精度、传感器等技术的不断发展，在水利工程领域无人机航测所发挥的重要作用日趋突出，为水资源合理开发、水环境监测和水利项目管理等提供强有力的技术支持。