无人机摄影测量在丹江口大坝库区地形测量中的应用

魏工哲　周浩　池晓壮

摘要：传统的水利测绘方法受高差大、水面多、河岸呈带状等不利环境因素限制，效率较低。无人机摄影测量因其影像质量高、作业效率高等优势，在水利测绘领域逐渐受到重视。基于无人机摄影测量理论和技术，系统归纳了无人机摄影测量内外业数据处理流程，使用华测P330Pro电动垂起固定翼无人机对丹江口大坝库区部分地区进行免像控大比例地形图测绘，制作大坝及两岸DOM模型，并分析了成果数据精度。结果表明：影像精度水平误差在10 cm范围内，满足精度指标。该方法的内外业总计平均人力为8人/d，相比传统单镜头无人机测绘节省40%，同时节省了30%成本，测绘效率显著提升。

关键词：垂起固定翼无人机； 地形测量； 大比例尺测绘； 水利测绘； 丹江口大坝

中图法分类号：P231

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.005

文章编号：1006-0081（2023）12-0031-05

0引言

中国重视水利设施建设，投资力度大，工程和非工程措施协同实施，水利治理能力不断提升。经过多年建设，中国已逐步形成了较为完备的防洪工程和非工程体系，大江大河已经基本具备防御新中国成立以来实际发生的最大洪水能力［1］。水利枢纽工程在防洪、供水、生态等方面产生综合效益，因此保证水库安全平稳运行对社会经济发展具有重要意义。水利测绘能够获取水库地形，采集水域和大坝等相关数据，有利于水利设施监测管理和安全防护。受到高差大、水面多、河岸呈带状等不利环境因素的限制，传统水利测绘方法效率较低，数据质量难以保证，人力、物力成本较高，存在外业安全风险。无人机低空遥感因其灵活性高、数据质量好、作业效率高、成本经济等优势，在水利测绘领域逐渐受到重视，目前已经在洪水应急监测［2］、库区岸线监测［3］、水库地形测绘［4］等领域成功应用。其中，水库地形测量通常有无人机机载雷达和无人机摄影测量两种方法。在测量实践中，机载雷达方法存在数据量大、内业处理耗时长、坐标系转换复杂、操作技术要求高等问题［5］，而一般的无人机摄影测量方法多搭载非量测型、单镜头数码相机，存在像幅小、影像畸变大等问题，影响测量精度［6］。

本文以丹江口大坝库区地形测量为例，介绍无人机摄影测量的关键技术，设计无人机摄影测量方法在大坝监测中应用的技术路线，基于固定翼无人机搭载倾斜五镜头系统实现丹江口水库地形测量，提高作业效率和测量精度，为水利测绘提供技术参考。

1无人机测绘概述

1.1技术优势

无人机通常是指由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵，具有一定自主导航、自主驾驶能力的飞行器［7］。无人机技术具备如下优势：

（1） 便携性。因无人机具有体积小、无需跑道起飞、测量时速最高可达400 km /h等优势，可快速进行大面积测绘，相比传统测绘技术手段更便携。

（2） 高精度。目前无人机测绘的飞行高度一般为50～6 000 m，对部分精度要求更高的项目也可进行仿地飞行。因此，相比于卫星航天遥感，无人机测绘地面分辨率甚至可超过5 cm。

（3） 自动化。当前无人机地面操作系统基本已集成自动生成航线、自动飞行，甚至配备数据后解算等数据处理功能，由过去的“人工飞行”转变为“无人驾驶飞行”。

1.2关键技术

依据无人机倾斜摄影测量理论和技术规范，结合生产作业实际，制定技术路线，如图1所示。技术路线主要包括4个步骤，即准备阶段、外业数据采集、内业数据预处理和內业数据后处理。其中，需要重点考量几项关键流程，包括像控点布设、倾斜摄影测量平台设定、飞行航线设计、像控点测量、空三解算、实景三维建模及边界识别与提取［8］。像控点的布设应以开阔地、纹理明显或有较强区分度的标志性建筑角度为佳。摄影测量系统不仅要考虑飞行平台的稳定性与续航时间，还要考虑传感器波段数、焦距、POS数据（Position and Orientation System，传感器每个时刻的空间位置和姿态信息）采集能力等主要指标［9］。飞控平台参数设置一般按照CHZ 3005-2010《低空数字航空摄影规范》规定，即航向重叠率应不低于53%，旁向重叠率应不低于8%，通常分别设置为60%～80%与15%～60%。考虑地物遮挡和模型形变等问题，航向及旁向重叠率大于75%较适宜［10］。最后，空三解算在初次联合平差后还需引入同名点匹配来提升空三精度，在像控点中误差小于0.03 m且无明显分层断层错位情况发生时，则可认为满足精度要求［11-12］。

2应用实例

2.1测区概况

丹江口水库位于湖北省丹江口市，是南水北调中线一期工程供水水源地，承担防洪、供水等任务。丹江口大坝在汉江与其支流丹江汇合口下游800 m处，坝顶高程176.6 m，正常蓄水位170.0 m，总库容319.5亿m³。水工建筑物由混凝土坝、电站厂房 、升船机提升系统及上游30 km的两座引水渠道组成。丹江口水利枢纽在调节蓄水、保障用水安全的同时，具有生态、发电、航运等综合效益［13］。

测区现场高差较大，大坝顶端离水面有近百米。大坝上下游航道岸边有120 m以上的高差。部分地区人员无法到达，因此部分地区使用免像控测量方法。此外，测区内有约70%以上水域，对后期建模有很大影响。

2.2软硬件选择及参数设置

此次作业选用上海华测导航技术股份有限公司生产的P330Pro垂起固定翼无人机，搭载华测HC15全画幅正射相机，相应的无人机及相机参数见表1，2。

依据项目精度，结合现场实际情况，此次航线飞行高度设置为200 m，航线重叠度75%，旁向重叠度75%，外扩距离200 m。

对于无人机摄影测量，影像分辨率通常指地面采样距离（Ground Sampling Distance，GSD），表示数字影像中单个像元对应的地面尺寸。本次作业地面采样距离依据公式（1）设置为2.3 cm/像素。

P_GSD=Ha／f（1）

式中：P_GSD为地面采样距离，cm/像素；

H为飞行高度，m；

a为像元尺寸，mm/像素;

f为相机焦距，mm。

实测当日风向西北，风速2～3级。为使测绘效率最大化，航线规划应平行长边，并依据“顺风起，逆风降”原则，规划航线如图2所示。

2.3像控点布设

项目坐标系统采用CGCS2000坐标系，高程系统采用1985国家高程基准，PGSD要求3 cm/像素，平面精度需要满足20 cm，要求获取大坝及河道两岸DOM数字正射影像和倾斜模型。因作业测区长约4 km，宽约1 km，整体呈梯形，按航测1∶1 000项目要求，需要按照距离小于500 m一个点均匀分布像控点。本文采用GPS实时动态差分定位技术，依据已知基准站接收卫星信号，以流动站形式采用智能中海达IRTK2求得基准站和流动站间的坐标增量，实现实时联合解算，获取全部像控点位置信息［14］。

2.4影像处理

将静态数据（HCN）、无人机端的流动数据（rtcm、mrk）导入到华测数据解算软件CGO 2.0中进行POS解算，项目后处理选用Context Capture软件进行影像数据拼接，项目成果如图3所示。通过空三加密与刺像控点和设置水面约束等处理提升精度，得到图3（a）所示的原始数字正射影像（DOM）。由于项目水域范围广，受弱纹理区域与高差起伏较大等影响，水体部分出现较大空洞。图3（b）为使用PS软件对水体部分进行纹理贴图处理后的成果。对水体、路面和林地部分的空洞进行精细化修复后，得到最终DOM成果，如图3（c）所示。

3精度检验

采用同精度检测方法，中误差计算公式为

M=∑ⁿ_i=1Δ²_i／n-1（2）

式中：M为成果中误差;Δi为较差;n为检测点（边）总数。将实际检测点与DOM、DEM数据分别进行比较，在允许中误差22倍以内的误差值均参与数学精度统计，超过允许中误差22倍的误差视为粗差［15］。经计算，DOM影像平面精度中误差为0.041 m，高程中误差为0.074 m，满足精度要求。精度检验结果见表3。

4结语

丹江口水库测量任务时间紧、任务重、难度大。采用传统无人机摄影测量手段无法达到要求，借助部分地区免像控手段与搭载全画幅五镜头相机开展测量。内外业项目总计使用人力平均为8人/d，相比传统单镜头无人机测绘节约40%，成本开销节约30%，成果模型经验证也满足1∶1 000精度要求。该项目采用的方法在理论上可达更高精度，但在工程实践中也存在不足之处，如大坝上为较粗糙的混凝土路面，喷漆内角不够清晰，所以选取更多的特征点作为像控点，会增加误差。该项目采用的技术方法为无人机摄影测量发展和应用提供了思路，可为今后水利大坝监测任务提供参考。

参考文献：

［1］陈晨.我国水利事业取得历史性成就［N］.光明日报，2022-09-14（004）.

［2］黄筱，张林杰，冯刚，等.无人机遥感在黑龙江特大洪水应急监测中的应用［J］.水利水电快报，2023，44（3）：34-38.

［3］冯精金，夏辉，王成.基于多源遙感数据的三峡库区岸线利用类型监测分析［J］.水利水电快报，2023，44（1）：39-42.

［4］黎广，黎亮，杨智翔.机载LiDAR系统在水库地形测绘中的应用研究［J］.测绘与空间地理信息，2021，44（10）：76-79.

［5］黄丹.无人机机载雷达在广西古皂水库地形测绘中的

应用［J］.水利水电快报，2022，43（增2）：18-22.

［6］马海政，强德霞.免像控无人机航摄系统在大比例尺地形图测量中的应用［J］.测绘通报，2020（7）：159-161.

［7］王京卫．测绘无人机低空数字航摄影像去雾霾研究［J］．测绘学报，2016，45（2）：251-251．

［8］SVENNEVIG K，GUARNIERI P，STEMMERIK L．From oblique photogrammetry to a 3D model-structural modeling of Kilen，eastern North Greenland ［J］.Computers ＆ Geosciences，2015，83：120-126．

［9］杨亚彬，谢思梅，谢荣安．无人机倾斜摄影测量技术在不动产更新测绘中的应用［J］．测绘通报，2020，（7）：108-111．

［10］周阳阳，徐尚昭，陈斌，等.无人机倾斜摄影测量技术应用于自然保护区勘界［J］.测绘通报，2021（9）：43-48.

［11］沙红良，陆德中，付康，等.融合无人机LiDAR与摄影测量的河道地形测绘方法［J］.人民长江，2023，54（4）：157-162.

［12］王建梅，朱紫阳．利用已有像控点的多期航空影像光束法区域网联合平差［J］．测绘学报，2010，39（1）：22-27．

［13］程孟孟.2014～2020年丹江口水库综合利用效益分析［J］.水利水电快报，2021，42（9）：64-69.

［14］辛星，谷金．GPS-ＲTK 界址点测量系统性误差改正方法探讨［J．测绘工程，2018，27（1）： 73-76．

［15］李涛，高波，张允涛，等.天狼星无人机航测技术在河湖划界中的应用［J］.测绘学报，2019（3）：151-154.

（編辑：李慧）

Application of UAV photogrammetry in topographic surveying of Danjiangkou Dam

WEI Gongzhe ZHOU Hao CHI Xiaozhuang

（1.Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Wuhan 430071，China；

2.National Observation and Research Station of Gravitation and Earth Tide，Wuhan 430071，China

3.Key Laboratory of Earthquake Dynamics，School of Disaster Prevention Science and Technology，Langfang 065201，China）

Abstract：Due to unfavorable environmental factors such as large elevation differences，multiple water surfaces and banded river banks，traditional water conservancy surveying methods have a low efficiency.UAV photogrammetry has gradually gained attention in the field of water conservancy surveying and mapping for its high image quality and high operational efficiency.Based on the theory and technology of UAV photogrammetry，the data processing flow for both internal and external work were systematically summarized.Huace P330Pro electric vertical fixed-wing UAV was used to conduct large-scale topographic mapping of Danjiangkou Dam，some of which were free from image control，and DOM models of the dam and both banks were established.The accuracy of the results were analyzed.It showed that the horizontal error was within 10 cm，which met the accuracy index.The average manpower for this project was 8 people per day，which saved 40% of time and 30% of cost comparing to the traditional single lens UAV surveying.The efficiency of dam surveying and mapping was significantly improved.The research can provide a reference for subsequent water conservancy surveying and mapping projects．

Key words：vertical fixed wing UAV； topographic surveying； large-scale mapping； water conservancy surveying and mapping； Danjiangkou Dam