小型無人機(jī)航測技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

藺全奎，李偉哲

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065；2.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院測繪分院,西安 710002)

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小型無人機(jī)航測技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

藺全奎1，李偉哲2

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065；2.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院測繪分院,西安 710002)

闡述了四旋翼無人機(jī)MD4-1000外業(yè)作業(yè)流程。通過野外像控點的布設(shè)、無人機(jī)外業(yè)航攝及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、使用Pix4Dmapper處理影像數(shù)據(jù)，最終可以生成多種測繪產(chǎn)品，可以導(dǎo)入多種類型的專業(yè)軟件完成進(jìn)一步的分析處理，生成的三維模型，更加直觀。

無人機(jī)；航測；MD4-1000；Pix4Dmapper；點云

0 前 言

無人機(jī)已經(jīng)逐漸走進(jìn)了測繪工作，且應(yīng)用優(yōu)勢明顯。小型無人機(jī)航測技術(shù)將測繪工作引向了一個新的方向，它具有生產(chǎn)設(shè)計成本低、作業(yè)方式快捷、操作靈活簡單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、影像分辨率高等特點，在局部信息快速獲取方面有著巨大優(yōu)勢。

本文以西安市藍(lán)田縣李家河水庫測量項目為例，李家河水庫位于西安市藍(lán)田縣境內(nèi)灞河支流輞川河中游，是西安市浐河以東地區(qū)的骨干水源工程，在引漢濟(jì)渭工程建成前用于向閻良飛機(jī)城應(yīng)急供水?？値烊? 690萬m3，最大壩高98.5 m(混凝土拱壩)，供水設(shè)計流量3.2 m3/s，多年平均供水量5 600萬m3。供水渠道工程采用無壓自流引水，供水渠(管)道由總干渠、北干渠、南支管組成，長度分別為18.8、28.9、21.0 km。工程總投資7.6億元。

項目航拍采用MD4-1000型四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種具有垂直起降小型自動駕駛無人飛行系統(tǒng)，可以用于執(zhí)行偵察、拍攝、測繪、檢測、指揮、搜索、通信、空投等多種空中任務(wù)。該無人機(jī)可以增加系留旋翼升空平臺系統(tǒng)，依靠地面線纜連接在無人機(jī)上不間斷地供電并傳輸通信信號，可以24 h不中斷地停留在空中執(zhí)行監(jiān)視和通信任務(wù)。

數(shù)據(jù)處理采用Pix4Dmapper，是一款全自動快速無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件，是集全自動、快速、專業(yè)、精度為一體的無人機(jī)數(shù)據(jù)和航空影像處理軟件。無需專業(yè)知識和人工干預(yù)，即可將影像資料快速制作成專業(yè)的、精確的二維地圖和三維模型。

1 外業(yè)航攝

1.1 像控點布設(shè)

測區(qū)為溝道地形，中間低、兩邊高，溝道兩側(cè)因為施工區(qū)域、植被遮擋等因素的影響，人工測圖難度較大，故使用無人機(jī)進(jìn)行航測[1]。測圖比例尺為1∶1000地形圖。

目前絕大多數(shù)的小型無人機(jī)的定位系統(tǒng)為單點定位，精度相比差分定位低一些，在后期的數(shù)據(jù)處理中只能起到輔助作用。差分定位[2]已經(jīng)逐漸普及到各種新型無人機(jī)當(dāng)中，它擁有更高的定位精度、更準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)(POS數(shù)據(jù))。因此可以減少像控點的布設(shè)數(shù)量，減輕外業(yè)工作強(qiáng)度，同時也為后續(xù)的計算工作提高了效率以及精度。這次使用的MD4-1000仍然采用單點定位方式。

使用Google Earth確定測區(qū)范圍，因為山區(qū)地物較少等因素的影響，安排在航拍之前布設(shè)像控點[3]，密度約為300 m左右布設(shè)1個，在地形變化較大的地點進(jìn)行補(bǔ)充，采用十字形在地面標(biāo)記，寬度約為10 cm，使得地面分辨率為5 cm左右的照片可以清楚地分辨出像控點。并且在實地采集檢查點以備用，用于檢查線畫圖準(zhǔn)確度，確保滿足規(guī)范及項目要求[4]。

1.2 航線規(guī)劃

航線規(guī)劃就是根據(jù)航攝相機(jī)參數(shù)、航高、航攝比例尺、航攝區(qū)域等信息，按照航向重疊53%～75%，旁向重疊15%～60%的原則設(shè)計飛機(jī)飛行線路[5]。

相機(jī)采用索尼ILCE-7R全畫幅無反相機(jī)。參數(shù)如表1所示。

表1 索尼ILCE-7R無反相機(jī)主要參數(shù)表

相機(jī)采用35 mm定焦鏡頭，且手動對焦，固定快門時間的方式拍攝，快門速度1/1000 s，這樣保證在航拍過程中采集到清晰的影像資料。相對地面飛行高度為380 m，計算得到地面分辨率(GSD)約為5.37 cm，滿足1∶1000比例尺地形圖精度要求。設(shè)置拍照航向重疊75%，旁向重疊60%，采用S形飛行方式，航線內(nèi)水平速度8 m/s。將這些計算所得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MD4-1000型無人機(jī)的航線規(guī)劃軟件mdCockpit當(dāng)中，進(jìn)行航線規(guī)劃[6]，如圖1。

圖1 mdCockpit規(guī)劃任務(wù)圖

1.3 飛行作業(yè)

四旋翼MD4-1000型無人機(jī)的起降點，選擇較為靈活，相對較為開闊的地面，避免下洗氣流影響旋翼飛機(jī)的起降即可。這次選擇在水庫左壩肩位置的觀景平臺上。

無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是航測系統(tǒng)的重要組成部分，用來在無人機(jī)航拍時，對無人機(jī)的操控、遙測、跟蹤定位以及信息傳輸，遠(yuǎn)距離實時操控?zé)o人機(jī)和實時獲取無人機(jī)的載荷測量信息[7]，如圖2。當(dāng)MD4-1000在視距范圍之外時，通過該系統(tǒng)可以很好并且安全地控制、監(jiān)控?zé)o人機(jī)。

圖2 飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控界面圖

監(jiān)控操作員應(yīng)時刻注意無人機(jī)狀態(tài)信息，在確認(rèn)飛機(jī)起飛，平穩(wěn)滯空后，操控手操作使用進(jìn)入自動巡航模式(Waypoint)，MD4-1000自動爬升高度至指定航拍高度，并自動進(jìn)入航線開始航拍。視距外飛行階段，監(jiān)控操作員須密切監(jiān)視無人機(jī)的飛行高度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)載電源電壓、飛行姿態(tài)等，一旦出現(xiàn)異常，應(yīng)及時人工干預(yù)，取消任務(wù)并自動返航。

結(jié)束航拍任務(wù)后開始下降，應(yīng)該階梯式降低高度，在達(dá)到視距范圍以內(nèi)后，避免下洗氣流引起的旋翼機(jī)失速，造成事故，應(yīng)使用落葉式降落辦法[8]，安全降落，檢查無人機(jī)以及其狀態(tài)信息并回收。同時檢查相片質(zhì)量是否符合要求。

2 內(nèi)業(yè)處理

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

飛行結(jié)束后，由機(jī)載內(nèi)存卡導(dǎo)出飛行記錄數(shù)據(jù)文件，最重要的信息是位置與姿態(tài)系統(tǒng)(position and orientation system，POS)信息，包含有每張航片的拍攝時刻的位置(X，Y，Z)、旁向傾角(Omega)、航向傾角(Phi)、像片旋角(Kappa)等信息，根據(jù)航拍導(dǎo)出的相片數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，建立航帶影像縮略圖，進(jìn)行航帶整理，人工判斷航帶是否正確，如果不正確需要重新進(jìn)行航帶整理，直至航帶排列正確[4]確認(rèn)POS數(shù)據(jù)完整無誤，存儲備用。

同時準(zhǔn)備相機(jī)的檢校參數(shù)(表2)，在Pix4Dmapper項目中錄入相機(jī)檢校參數(shù)，使得在計算中，軟件自動對影像進(jìn)行畸變差改正[9]。

表2 相機(jī)檢校參數(shù)表

確定像控點的平面控制系統(tǒng)為獨立坐標(biāo)系，高程控制網(wǎng)為1985國家高程基準(zhǔn)。整理包含像控點的影像，并標(biāo)記其所在位置。

2.2 數(shù)據(jù)解算

2.2.1 新建項目

打開Pix4Dmapper軟件，新建項目，導(dǎo)入航拍影像數(shù)據(jù)，修改圖像坐標(biāo)系，默認(rèn)為WGS84系統(tǒng)下的經(jīng)緯度，并導(dǎo)入影像的POS數(shù)據(jù)，使得所有航拍影像都匹配到其位置信息。根據(jù)相機(jī)檢校參數(shù)修改軟件的參數(shù)信息，以達(dá)到最優(yōu)化數(shù)據(jù)處理。

2.2.2 加入像控點

打開“控制點編輯器”，選擇控制點坐標(biāo)系，尋找測區(qū)合適的坐標(biāo)系，如果沒有，可以從ArcGIS中導(dǎo)出一份包含坐標(biāo)系定義的文件再導(dǎo)入進(jìn)去。之后導(dǎo)入外業(yè)完成布設(shè)的像控點數(shù)據(jù)，并且在“平面編輯器”中標(biāo)記像控點所在的航片。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

選擇本地處理，打開“選項”，勾選第一步“初始化處理”進(jìn)行“全面高精度”處理，點擊“開始”，完成對項目的第一步處理。根據(jù)第一步預(yù)處理的點位精度，調(diào)整每一個像控點的刺點位置，并再次進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，直到滿足像控點的精度要求，且使用檢查點也通過檢查，即完成必須的本地處理任務(wù)[10]。

數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查結(jié)果如圖3，“Image”表示平均每張照片有92 621個匹配點；“Dataset”表示總共263張照片中有255參與本地處理且符合軟件要求；“Camera Optimization”表示相機(jī)的初始參數(shù)和Pix4D軟件中計算得出的相機(jī)優(yōu)化參數(shù)差異為0.06%；“Matching”表示矯正照片間相互匹配的鍵值數(shù)為23611.7；“Georeferencing”表示本地處理中使用了9個像控點，軟件測算點位精度為0.031 m。對號符號表示符合軟件解算的要求。

圖3 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查圖

2.2.4 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

Pix4Dmapper擁有種類繁多的數(shù)據(jù)導(dǎo)出類型，以應(yīng)對各種任務(wù)的需求，例如：未畸變影像、加密點云(圖4)、三維網(wǎng)格紋理、數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字正攝影像圖(DOM)、谷歌地圖瓦片數(shù)據(jù)、等高線等等。

在航天遠(yuǎn)景的MapMatrix軟件中建立立體模型，對空三成果進(jìn)行精度檢測。根據(jù)實地測量檢查點對比結(jié)果平面誤差小于5 cm，高程誤差小于0.3 m，符合規(guī)范及項目設(shè)計要求，可以進(jìn)行數(shù)字化測圖，生產(chǎn)數(shù)字線畫圖(DLG)。數(shù)字表面模型(DSM)與之前檢查的精度一致，但是兩側(cè)的植被以及構(gòu)筑物影響使用，則需要進(jìn)一步處理成為數(shù)字地面模型(DTM)來表示實際地形特征，這樣更便于使用且精度更高。根據(jù)報告中的數(shù)據(jù)顯示，數(shù)字正攝影像圖(DOM)的平均地面采樣距離(GSD)為3.91 cm，滿足規(guī)范中8～15 cm的要求[11]。

圖4 Pix4D中加密點云展示壩體圖

由高分辨率影像生成的加密點云上，我們可以進(jìn)行測距、面積和體積測量、多段線繪制等等工作，并且模型對象元素可以加載到ArcGIS當(dāng)中(圖5)；加密點云可以導(dǎo)入AutoCAD Civil 3D或者CATIA等[12]；正攝影像圖可以導(dǎo)入AutoCAD或者Global Mapperd等軟件之中[13]，在不同類型的軟件中進(jìn)行進(jìn)一步的分析及處理工作[14]。

圖5 ArcGIS中DEM與DOM模型疊加圖

3 結(jié) 論

小型無人機(jī)航測技術(shù)擁有靈活的運(yùn)輸和起降優(yōu)勢，為水利工程中較為偏僻的地區(qū)調(diào)查勘測提供了有利的實施條件[15]，同時結(jié)合航測內(nèi)業(yè)處理軟件，應(yīng)對更多、更復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害等的應(yīng)急測繪保障。通過系留電源系統(tǒng)，還可以進(jìn)行項目的實時監(jiān)控，提供更多用于測繪等工作的信息。

在水利工程的設(shè)計和建設(shè)過程中，利用航測軟件生成多種三維空間產(chǎn)品成果，可以有效并且快速地完成立體構(gòu)筑物的設(shè)計、三維模型建立、施工圖繪制等的工作，相比平面圖使用起來則更加直觀、更加方便。未來測繪生產(chǎn)將會逐漸以三維模型等產(chǎn)品為主。

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Application of Aerial Surveying Technology by Small Drone in Water Resources Engineering

LIN Quankui1, LI Weizhe2

(1. Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China; 2. Surveying and Mapping Section, Shaanxi Province Water Resources and Electric Power Investigation and Design, Xi'an 710002,China)

The field work procedures of the 4-rotor-wing drone are described. Through distribution of field image control points, aerial shooting by drone, indoor data preparation and image data processed by Pix4Dmapper, multiple surveying and mapping products can be produced. They can be further processed by application of special software, producing 3D models which are more visual. Key words: drone; aerial survey; MD4-1000; Pix4Dmapper; point cloud

1006—2610(2016)05—0028—04

2016-03-17

藺全奎(1959- )，男，陜西省渭南市人，高級工程師，從事水利水電測繪和工程測量監(jiān)理技術(shù)工作.

TV221.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.007