無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于水利工程高程測量精度分析

□魏華鋒 趙曉光 張順迎

無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于水利工程高程測量精度分析

□魏華鋒 趙曉光 張順迎

無人機(jī)航空攝影測量作為一種新型作業(yè)方式，在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，然而高程精度一直制約其在水利工程中的應(yīng)用。利用實(shí)測水文斷面點(diǎn)，對DEM（數(shù)字高程模型）精度進(jìn)行校驗(yàn)，通過分析誤差較大點(diǎn)的分布情況，得到影響DEM精度的一些因素，對后續(xù)工作具有一定的借鑒作用。

無人機(jī)；攝影測量；DEM

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，水利工程建設(shè)的內(nèi)涵也在不斷豐富，傳統(tǒng)使命與新興使命的疊加，使得水利工程建設(shè)地位更加凸顯。測量工作作為水利工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系著水利工程安全、使用壽命乃至整個(gè)工程的施工質(zhì)量。所以，如何高效、精確、快捷地獲取數(shù)據(jù)，一直是水利測量工作關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

1.無人機(jī)的優(yōu)勢與不足

傳統(tǒng)測量工作以水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、全站儀為基礎(chǔ)，通過引入GPS技術(shù)使得工作效率得到提高；面對河道復(fù)雜地形、破碎地貌時(shí)，傳統(tǒng)測量手段還是不能滿足快速成圖的要求。伴隨電子科技的迅猛發(fā)展，無人機(jī)攝影測量技術(shù)在遠(yuǎn)程遙控、飛行質(zhì)量等方面得到提升，并在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在水利行業(yè)中，該技術(shù)由于機(jī)動性強(qiáng)、受地形因素影響較小、成圖周期短等優(yōu)勢，在水利規(guī)劃、設(shè)計(jì)、防洪減災(zāi)、建設(shè)數(shù)字水利工程等方面有著較好的應(yīng)用前景，并取得初步成果。

無人機(jī)攝影測量技術(shù)在具備以上優(yōu)勢的同時(shí)由于其自身硬件、技術(shù)特點(diǎn)等方面，在實(shí)際生產(chǎn)工作中也受到了種種限制。對于水利工程而言，其項(xiàng)目往往位于山區(qū)、平原河道等高差較大、地貌較為破碎地區(qū)，會對無人機(jī)攝影測量高程精度產(chǎn)生影響，而高程精度對水利工程質(zhì)量乃至安全起著至關(guān)重要的作用，所以對無人機(jī)攝影測量高程精度的研究顯得尤為重要。結(jié)合具體工程項(xiàng)目，對無人機(jī)攝影測量高程精度進(jìn)行分析。對今后生產(chǎn)工作中，如何提高無人機(jī)數(shù)據(jù)的高程精度提供思路。

2.無人機(jī)成果精度影響分析

分析影響航測成果精度的因素，有助于提高無人機(jī)航測成果精度，進(jìn)而更好推動無人機(jī)航測應(yīng)用。與傳統(tǒng)大飛機(jī)航測方式相似，無人機(jī)攝影測量技術(shù)同樣需要進(jìn)行航線設(shè)計(jì)、航攝飛行、質(zhì)量檢查、像控測量等步驟，以上各個(gè)過程都會對航測成果精度產(chǎn)生影響。

2.1 像控點(diǎn)的布設(shè)

像控點(diǎn)的布設(shè)好壞對后期成圖起著相當(dāng)關(guān)鍵的作用。每條行帶至少需要一定數(shù)量的像控點(diǎn)，其具體數(shù)量應(yīng)根據(jù)地形情況確定，若地形起伏變化較大，應(yīng)加密像控點(diǎn)，否則導(dǎo)致平差數(shù)據(jù)不能達(dá)到精度要求。像控點(diǎn)應(yīng)均勻分布于航飛區(qū)域，不能靠近影像邊緣，因?yàn)橛跋襁吘壻|(zhì)量較差，像點(diǎn)受畸變和大氣折光等因素影響較大，增加判讀和刺點(diǎn)難度。刺點(diǎn)精度是影響像片控制測量精度的又一重要因素，尤其在水利工程測量中表現(xiàn)明顯。一般水利工程測量位于山區(qū)、河灘、地貌較為破碎和居民地稀少地區(qū)，通常測區(qū)內(nèi)找不到較為明顯的地物點(diǎn)，進(jìn)而對后期影像刺點(diǎn)精度產(chǎn)生影響。

2.2 儀器誤差

由于無人機(jī)體積及載重原因，無法搭載常規(guī)的航測儀進(jìn)行無人機(jī)航空攝影測量。目前無人機(jī)搭載小型數(shù)碼相機(jī)一般均為矩形陣面CCD，并非傳統(tǒng)的正方形，像片的重疊度越大基線越短，基高比越小。在立體模型下，同名地物交會角較小，降低立體觀測的效果，將會對高程精度的量測產(chǎn)生直接影響。

2.3 外界因素

對于攝影測量來說，地物亮度的大小只是像片上的曝光量，最重要的是在像片上相鄰地物之間的密度差。如果影像上地物之間沒有密度差異，也就沒有影像反差，進(jìn)而將無法從影像上辨別地物。決定影像反差的因素除地物本身特征外，還取決于陽光部分和陰影部分照度之間的差異，如果選擇在天氣條件不好進(jìn)行無人機(jī)航測，必然會影響成果的質(zhì)量。

目前無人機(jī)體積較小，一般在30kg之內(nèi)，在進(jìn)行航飛作業(yè)時(shí)受風(fēng)力、風(fēng)向影響較大，無法保持直線平穩(wěn)飛行，航線傾角、旁向傾角和旋轉(zhuǎn)角都很大，飛行姿態(tài)難以控制，造成了影像模糊，降低影像的清晰度。另外，無人機(jī)航飛作業(yè)時(shí)一般采用低空飛行，相對于地面地物的移動速度較快，在曝光過程中，成像面上的地物構(gòu)像時(shí)將產(chǎn)生像移，進(jìn)而影響成像質(zhì)量。

3.實(shí)例分析

以單位實(shí)際水利工程測量項(xiàng)目的無人機(jī)航攝成果為例，對無人機(jī)航測的高程精度進(jìn)行分析，闡述水利工程測量無人機(jī)航測高程成果的影響因素。

3.1 項(xiàng)目簡介

項(xiàng)目以河北省境內(nèi)某條河流為依托，采用塞斯納208飛機(jī)，ADS80數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行航空攝影，采用的影像地面分辨率（GSD）為0.14m。

其主要技術(shù)路線為：采用推掃式數(shù)碼航空攝影測量系統(tǒng)ADS80實(shí)施航飛作業(yè)，以航飛影像為基礎(chǔ)，通過POS數(shù)據(jù)和外業(yè)像控成果建立立體模型；內(nèi)業(yè)處理使用全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站進(jìn)行立體數(shù)據(jù)采集，生成數(shù)字線劃圖（DLG）和數(shù)字高程模型（DEM）；利用DEM數(shù)據(jù)對航飛影像進(jìn)行正射糾正，制作數(shù)字正射影像圖（DOM），最后對其成果進(jìn)行質(zhì)量檢查。

3.2 檢校DEM精度

檢查對象為此次航飛作業(yè)區(qū)的部分地區(qū)數(shù)字高程模型，其數(shù)據(jù)格式為ESRI GRID，格網(wǎng)尺寸2.0m×2.0m，按50cm×50cm正方形分幅；檢查內(nèi)容為該DEM數(shù)據(jù)精度，其設(shè)計(jì)精度要求的高程中誤差不大于0.17m；采用水文測量斷面實(shí)測數(shù)據(jù)為檢查基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；其具體檢校步驟如下：利用ARCGIS將水文斷面實(shí)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為shp矢量文件，并與該DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加；實(shí)測斷面點(diǎn)的坐標(biāo)提取DEM上相應(yīng)點(diǎn)處的高程值；以實(shí)測斷面點(diǎn)的高程為檢?；鶞?zhǔn)，計(jì)算DEM數(shù)據(jù)高程與相應(yīng)斷面點(diǎn)高程之間的較差（Δi=hDEM-h斷）；由檢查點(diǎn)的較差計(jì)算中誤差，本次檢查取高精度檢測中誤差，其計(jì)算公式為

式中：

M-成果中誤差；

n-檢查點(diǎn)總數(shù)；

Δi-較差。

由于此次檢查區(qū)域較大，總共501 幅DEM數(shù)據(jù)。選取部分影像作為檢查對象，選取原則按河口邊界線包括影像2/3面積以上作為檢查對象。檢查結(jié)果見表1和表2所示，并對檢查結(jié)果進(jìn)行了可靠性分析，統(tǒng)計(jì)較差分布情況如表3所示。

表1 檢校點(diǎn)統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)

表2 檢校點(diǎn)高精度中誤差

表3 可靠性分析

3.3 精度分析

此次航飛項(xiàng)目設(shè)計(jì)的高程精度為0.17m，從上文檢查結(jié)果來看精度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為此，對檢查結(jié)果進(jìn)行了分析；將檢查點(diǎn)與航飛地區(qū)的數(shù)字線劃圖（DLG）進(jìn)行疊加，截取部分疊加圖，如圖1所示。

圖1中，高亮顯示的點(diǎn)為實(shí)測水文斷面點(diǎn)與DEM高程較差大于0.7m的點(diǎn)。通過對圖1分析，可以發(fā)現(xiàn)，較差較大的點(diǎn)大多分布于河道兩岸，地形高差較大的地方，選取了檢查點(diǎn)中部分點(diǎn)的分布情況如圖2所示。圖2中高亮顯示的點(diǎn)為較差大于1m的點(diǎn)，從其分布情況來看，主要分布在陡坡、溝坎和地貌較為破碎的地方。

通過展繪誤差較大點(diǎn)的分布，對檢查結(jié)果進(jìn)行分析，可能造成最終誤差未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的原因有以下三個(gè)方面：首先此次航飛作業(yè)生成的數(shù)字高程模型格網(wǎng)間距采用2.0m×2.0m，能滿足地勢較為平坦地區(qū)的精度要求，但難以滿足有溝坎的復(fù)雜地貌的精度要求。其次在內(nèi)業(yè)處理時(shí)，由于植被的遮擋造成內(nèi)業(yè)處理人員在切點(diǎn)時(shí)的不準(zhǔn)確，進(jìn)而造成后續(xù)處理的誤差。最后在河道進(jìn)行水文斷面點(diǎn)實(shí)際測量時(shí)，由于儀器自重原因和河灘地表較為松散，造成測量時(shí)儀器下沉，實(shí)際測量數(shù)據(jù)不精確，不利于后期精度的檢查。

圖1 檢查點(diǎn)與DLG疊加截圖

4.結(jié)論

結(jié)合實(shí)際航飛項(xiàng)目，通過分析檢查點(diǎn)誤差大小與實(shí)際位置的關(guān)系，得出幾點(diǎn)影響高程精度的因素，并對后續(xù)工作提出合理化建議；在地形較為復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行航飛作業(yè)時(shí)，適當(dāng)增加DEM格網(wǎng)精細(xì)度；提高內(nèi)業(yè)立體采集人員的專業(yè)素質(zhì)，使得立測數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

圖2 部分檢查點(diǎn)分布

2017-02-10

魏華鋒，男，漢族，河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院。

趙曉光，男，漢族，河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院，高級工程師。

張順迎，男，漢族，河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院。