基于无人机倾斜摄影测量技术的水库地形图测绘方法

张 宙，吴 波，林 璐，刘 璐，薛 健

（1.自然资源部第二地形测量队,陕西 西安 710054；2. 延安水务环保集团有限公司,陕西 延安 716000）

1 引言

水利工程是我国国民经济的基础产业,对国民经济发展与人民财产影响巨大。地形图测绘是水利工程建设、施工、运行和维护各个阶段必不可少的一项工作,然而我国大部分水利枢纽库区坐落于高山和峡谷之间,过去长期以来都是应用全站仪、RTK等测绘方法进行测量,具有难度大、耗费人工较多、整体工期较长等缺点,且测绘产品多为1∶1万精度的数字正射影像（DOM）、数字高程模型（DEM）和数字线划图（DLG）,已无法满足水利工程地形图测绘工作全覆盖、高精度、高效率的需求。无人机倾斜摄影测量通过在无人机平台上搭载多个传感器对测区进行快速航摄数据获取,应用三维重建技术制作测区实景三维模型[2],并以此为基础进行地形图成果制作,最终产品精度可满足1∶2000 地形图测绘需求,大大降低生产成本和周期。

2 测区情况

南沟门水利枢纽工程位于陕西省延安市黄陵县境内,水库坝址位于葫芦河河口上游3 km处的南沟门附近,距黄陵城约25 km。南沟门水库枢纽总库容2.006亿m3,枢纽主要建筑物由拦河坝、导流泄洪洞、溢洪道、引水发电洞、坝后电站等五部分组成。其中大坝、导流泄洪洞、溢洪道为2级建筑物；引水发电洞因供水对象的重要性也定为2级建筑物,坝后电站属5 级建筑物。

本次测图面积共31.79 km3,范围见图1。

图1 测区范围示意图

3 无人机倾斜摄影测绘地形图

3.1 无人机平台

此次航测作业采用成都纵横CW-10 C电动无人机。它是一种国内先进的垂直起降固定翼无人机[3],采用固定翼结合四旋翼的复合翼布局形式,以简单可靠的方式解决了固定翼无人机垂直起降的难题,兼具固定翼无人机航时长、速度高、距离远的特点和旋翼无人机垂直起降的功能。根据用途选用搭载的设备可获取0.02 m～0.2 m分辨率影像；并可生产大比例尺地形图产品和倾斜模型。平台主要参数见表1。

表1 CW-10C无人机平台主要技术参数

3.2 搭载相机

为提升航测效率和获取高精度成果数据,本次无人机航测系统搭载的是睿铂DG4 Pros五镜头倾斜相机,相机重量900 g,采用全画幅的CMOS传感器,单镜头像素4200万,正射光学镜头焦距值40 mm,倾斜镜头焦距值60 mm。

3.3 航线设计与影像采集

航摄线路规划时,应用地面控制软件CWCommander进行规划。根据本测区1∶2000比例尺测图的要求,设计相对航高350 m,地面分辨率优于5 cm,为保证倾斜数据的完成性和精确性,航线规划范围在测图范围基础上整体外扩一个航高的距离,并保证航线航向重叠度80%,旁向重叠度70%。根据南沟门水库范围和成图比例尺要求,综合CW-10 C无人机续航能力、影像分辨率等因素[4],最终本测区共规划8 个架次的外业航飞任务。部分区域航线规划见图2。

图2 部分区域航线设计图

3.4 像控点布设及测量

无人机航测影像像幅小,且易受飞行质量影响,采用传统的摄影测量布点方式,不但控制点数量多,且实施起来比较困难,无人机影像倾斜角过大且倾斜方向没有规律,造成航向重叠度不规则、灰度不一致,使得影像匹配难度大,精度低。飞行航线呈曲线、旋偏角大,使得影像的旁向重叠度不规则,这对于连接点的提取和布设增加了难度[5]。

本次像控布设采用区域网布点方式,首先在测区外围角点处布设像控点,然后在测区内部均匀增加相应的内部控制点,共布设56 个像控点,其中40 个点为像控点参与平差计算,16 个点为检查点用于验证精度。像控点统一采用RTK测量,平面坐标系统为CSCS2000坐标系统,高程基准为1985国家高程基准[6]。

3.5 倾斜数据生产

倾斜数据生产包括数据准备、空三加密、实景模型重建三个主要环节[7]。

（1）数据准备

数据准备环节的主要任务有两个：其一,是将影像数据、相机文件、pos数据处理至空三加密软件所需的格式；其二,由于倾斜相机在拍照时会获取接近30%的无用照片,直接进行空三加密会导致空三加密效率的降低,在进行空三加密前需将无用照片进行剔除。

本次航飞共获取40950 张照片,通过导入飞行的pos数据和范围数据,应用成都睿铂科技公司研发的SKYfilter软件成功将无用照片删除,删除后照片数量变为31941 张照片,提高了数据处理的工作量。

（2）空三加密

空三加密是倾斜模型构建的核心环节之一,空三加密时,首先进行自由网平差,自由网平差完成后为提高成果的位置精度水平,需要将外业采集像控数据刺点至对应的像片,要求同一个点各个视角需选刺一定数量且连续的像片。最后,对刺点完成后的影像成果进行区域网平差。

目前常用的倾斜模型生产软件为Context Capture软件,但该软件对于弱纹理、加密照片数量大的测区空三通过率较低,因此本次空三加密选用的是M3D软件,该软件空三通过率较高,可极大提升空三加密效率。

（3）实景模型重建

实景模型重建是自动化处理的过程,需要提前设置重建模型范围、瓦片大小、输出格式、坐标系统等,设置完成后提交生产任务自动进行三维实景模型重建。三维模型重建流程主要是基于原始影像和空三成果,经三维TIN构建、生成三角面、纹理映射等步骤。

本次南沟门水库三维模型生产,是将M3D空三加密的成果导入CC软件中进行模型构建。模型效果见图3。

图3 南沟门水库库区实景三维模型

3.6 地形图编制

数据采集应用裸眼三维测图的模式进行采集,即利用实景三维模型数据在三维状态下进行地形图测量[8]。该测区应用的是EPS软件三维测图模式,将生成的三维模型数据导入EPS三维测图软件,应用三维测图功能即可进行DLG数据采集。在三维模型上,可以清楚地进行房屋、窑洞、陡坎、斜坡、涵洞、检修井、污水箅子、等高线、高程点等要素的采集。立体图形要素采集效果见图4。

图4 三维模型立体图形要素采集效果图

3.7 精度验证

为评定应用倾斜摄影测量技术进行大比例尺测图成果的精度,对南沟门水库1∶2000测图项目采用野外实测的方法进行精度验证[9-10]。

（1）平面精度

平面精度验证共选用27 个包含房角点、路边线等地物的平面点作为检测对象,应用RTK实测的方法获取坐标,并与图上坐标进行对比,精度情况见表2。

表2 碾压混凝土的配合比

表2 基于实景三维模型测绘的平面精度统计

（2）高程精度

高程精度选取22 个地面点,应用RTK实测的方法进行实测高程数据获取,高程精度情况见表3。

表3 基于实景三维模型测绘的高程精度统计

续表3

通过平面和高程精度统计情况得出,应用倾斜摄影测量技术进行南沟门水利枢纽1∶2000 地形图测绘,平面中误差0.26 m,高程中误差0.44,满足1∶2000 地形图测绘平面和高程精度要求。

4 结语

本文研究了倾斜摄影测量技术在水库1∶2000 地形图测绘中的应用方法,不仅获得了新型地形图产品实景三维模型,且高效获取了满足精度要求的数字线划图产品。相比于传统测绘技术和方法,在实景三维模型进行裸眼三维测图的方法,极大的提升了水库地形图测绘的效率,避免了手轮、脚盘立体采集地物的特殊作业技能要求,是一种有效的水库地形图测绘方法。