无人机航摄在水电工程大比例尺地图测绘应用研究

彭 虎

(黔西南州兴源水利电力勘察设计有限公司，贵州 兴义 562400)

1 无人机航摄系统

采用SIFT算子和Harris算子结合进行影像匹配，首先提取SIFT特征点、Harris点，对其进行相对定向，得出内集点A、B，删除重复点，并合并内集点A、B，得出内集点C，删除内集点C中的错误匹配点，得出内集点D，然后构件同名三角形，获取新角点，通过相对定向得到内集点E，合并内集点D、E后，判断点数是否满足要求，如满足要求，即匹配结束。为进行大比例尺测图工作，首先需对该地区进行勘测，并收集相关资料，采用无人机航空摄影对该地区的立体数据进行采集，进行调绘与补测，之后进行两级检查，若不合格，则重新进行调绘与补测，然后进行地形图编辑，并建立数据库，制作制图数据，最后提交验收及质量检查，验收合格后即可提交验收成果，如图1所示。

图1 SIFT和Harris算子特征的影像匹配流程图

本研究所采用无人机相关参数如表1所示，航飞设计参数如表2所示。

表1 无人机相关参数

表2 航飞设计参数

根据上述无人机飞行参数，可计算得出各勘测位置的航飞参数如表3所示。根据测区的基本情况，确定本次勘测的无人机飞行距离为80 km，共计拍摄照片700张。

表3 各勘测位置的航飞参数

2 工程概况

本研究以某水电工程为研究背景，该水电工程为Ⅱ等大(2)型工程，开发任务以发电为主，水库正常蓄水位3447.00 m，相应库容0.5528亿m3，电站装机容量为660 MW，多年平均发电量32.064亿kWh，保证出力(P=5%)173.43 MW。电站工程建筑物由挡水建筑物、泄洪消能建筑物、引水发电系统及升压站等组成。该航摄测区的面积为13 km2，主要以山地为主，平均海拔为490 m。该测区的已有GPS基本控制点如表4所示。本测区采用区域网布点法进行像控点布设，航线上每隔10～15条基线布设，在旁向上按2～4条基线布设。

表4 GPS基本控制点 m

3 数据质量和精度分析

以GPS基本控制网的点位数据为基准，对各点位的中误差进行分析，其计算结果如表5所示。根据表格相关数据，可对像控点进行同步环、异步环检验，可得出其同步环最大相对闭合差为3.51 ppm，限差为15 ppm，异步环限差为± 18.71 cm；点位p11为像控点最弱点，其三维约束平差最弱边相对精度为1.33 × 10-5，其三维无约束平差相对精度为5.46 × 10-5。当成图比例尺为1∶2000时，以上计算得出的无人机勘测精度满足规范要求，其准确性较高。

表5 中误差计算结果

为分析无人机勘测得出的数据的质量及精度，需对其空三像控点误差、地形图平面精度、地形图高程精度进行计算分析，其空三像控点误差如表6所示。由表可知，各测点间的误差具有一定的差异性，X、Y、Z方向的最大误差分别为0.066 30 m、0.166 26 m、-0.171 36 m，总体而言X方向的控点误差最小，其次为Y方向的控点误差，Z方向的控点误差最大。根据该表可计算得出三个方向的残差中误差，其中，X方向的像控点残差中误差为0.0366 m，Y方向的像控点残差中误差为0.0603 m，Z方向的像控点残差中误差为0.103 m；X、Y、Z方向的空三加密点中误差分别为0.141 m、0.126 m、0.119 m。根据相关规范可得，当比例尺为1∶2000时，像控点的平面限差应<2.0 m，高程限差应<1.5 m；加密点的平面限差应<1.1 m，高程限差应<0.8 m，采用无人机勘测得出的误差远小于规范所规定的限值[1-5]，说明采用无人机航摄系统得出的勘测结果精度较高。

表6 空三像控点误差 m

地形图平面精度如表7所示。由表可知，各测点的地形图平面精度具有一定的差异性，对比图上量测数据与实测数据可得，测点48的点位偏移量最大，其值为0.1947 m，测点4的点位偏移量最小，其值为0.0228 m，图上量测数据与实测数据间的点位移偏量间的差值大部分<0.1 m，与实际数据还存在一定的差异，这是由于，在无人机测绘过程中会受到外在因素的影响，会发生光学畸变现象，导致无人机测绘得出的地形图平面数据存在一定的误差。根据表7数据计算得出地形图平面中误差为0.08 m，根据《工程测量规范》(JTS 131—2012)可得[6]，当比例尺为1∶2000时，平面位置的误差精度应<1.6 m，无人机勘测得出的地形图平面中误差远小于其指标限值，说明采用无人机航拍系统勘测的准确性较高。

表7 地形图平面精度

地形图高程精度如表8所示。由表可知，测点100的误差最大，其高程误差为4.12 m，测点7、测点8的高程误差较小，误差均为0.23 m。根据表中数据计算可得，采用无人机航拍系统得出的高程平均中误差为± 0.68 m，当比例尺为1∶2000时，规范所规定的高程中误差限值为2 m，无人机勘测得出的地形图平面中误差远小于其指标限值，说明采用无人机航拍系统勘测的准确性较高。综合以上分析可得，采用无人机航拍系统得出的空三像控点误差、地形图平面精度、地形图高程精度均在规范所规定的限值内，说明其勘测成果质量优良。

表8 地形图高程精度 m

4 结 论

(1)X方向的像控点残差中误差为0.0366 m，Y方向的像控点残差中误差为0.0603 m，Z方向的像控点残差中误差为0.103 m；X、Y、Z方向的空三加密点中误差分别为0.141 m、0.126 m、0.119 m。

(2)测点48的点位偏移量最大，其值为0.1947 m，测点4的点位偏移量最小，其值为0.0228 m，图上量测数据与实测数据间的点位移偏量间的差值大部分小于0.1 m，与实际数据还存在一定的差异，这是由于，在无人机测绘过程中会受到外在因素的影响，会发生光学畸变现象，导致无人机测绘得出的地形图平面数据存在一定的误差。

(3)当比例尺为1∶2000时，采用无人机航拍系统得出的高程平均中误差为± 0.68 m，规范所规定的高程中误差限值为2 m，其误差远小于其指标限值，

(4)采用无人机航拍系统得出的空三像控点误差、地形图平面精度、地形图高程精度均在规范所规定的限值内，说明其勘测成果质量优良。