無人機(jī)航攝技術(shù)在峽山水庫測量中的應(yīng)用

王 杰

(滄州水利勘測設(shè)計(jì)院，河北 滄州 061000)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對于自身的居住及生存環(huán)境提出了全新的要求，水庫不但具存蓄水、調(diào)節(jié)氣候的作用，還是人們旅游觀光的重要場所。因此，為了更好地進(jìn)行規(guī)劃，需要應(yīng)用航攝技術(shù)。但是，由于該類航攝任務(wù)的周期比較長，花費(fèi)資金較多，經(jīng)濟(jì)效益不理想，手續(xù)煩瑣，必須要應(yīng)用專門、先進(jìn)的測量技術(shù)進(jìn)行量測分析。對此，本文就相關(guān)方面內(nèi)容進(jìn)行了探究與分析，為更好地探測數(shù)據(jù)奠定了基礎(chǔ)。

1 庫區(qū)概況

峽山水庫地處山東半島東面，濰河中下游，位于濰坊市中部，流域面積約為4200 km2，該水庫是一座集灌溉、發(fā)電、供水等為一體的綜合性大中型水利樞紐工程。該水庫修建于約50年前，因長期受到人為及自然因素的制約，在一定程度上改變了庫區(qū)的地形，為了有效地掌握自然因素及人類活動對庫區(qū)地形變化的影響，筆者對庫容曲線的改變情況進(jìn)行了詳細(xì)了解，此外，為了將水庫雨水資源應(yīng)用優(yōu)勢挖掘出來，抬高水位，就一定要獲取現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)、精度高的地形資料。該水庫整個(gè)庫區(qū)面積約350 km2，此次增容工作初步確定將水庫水位幅度提升0.60 m，即由現(xiàn)階段的37.41 m提升至38 m，能夠提升庫區(qū)水容量7700萬平方米，每年能夠提升可供水量達(dá)1300萬平方米，按照工程的基本需求，此項(xiàng)目應(yīng)該將1∶2000的水庫庫區(qū)比例尺繪制出來，并通過該比例尺將全新的水庫庫容、水庫水位及面積的曲線關(guān)系繪制出來。

按照山東省水利局發(fā)布的大型水庫分冊，水庫內(nèi)的死水位約為31 m，興利水位控制在37 m，42 m的校核洪水位，14億立方米的總庫容，其中8億立方米的調(diào)洪庫容，興利水庫的庫容在5億立方米,0.49億立方米的死庫容。該工程由發(fā)電站、放水洞、主壩等構(gòu)成。

2011年省水利廳組織驗(yàn)收了峽山水庫出險(xiǎn)加固工程，按照相關(guān)驗(yàn)證書得知，工程的基本工作任務(wù)是加固處理溢洪道、放水洞、水庫大壩等，達(dá)到萬年一遇的校洪標(biāo)準(zhǔn)，以及千年一遇的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，基本的結(jié)論是那些需要加固的工程項(xiàng)目需依據(jù)批復(fù)的內(nèi)容進(jìn)行處理，使得傳統(tǒng)的病險(xiǎn)問題得到有效的解決，進(jìn)一步強(qiáng)化工程質(zhì)量，從而在某種程度上提升防洪工程的安全性。

2 無人機(jī)航空攝影技術(shù)探究

按照以上所闡述的測繪任務(wù)情況，現(xiàn)階段主要有3種比較常用的大比例尺地形圖測繪技術(shù):無人機(jī)航空攝影技術(shù)、野外數(shù)字化測量技術(shù)及載人飛機(jī)攝影量測技術(shù)。對比分析以上3種比較常用的測量技術(shù)，它們各有優(yōu)劣勢：無人機(jī)航空攝影技術(shù)操作成本較低，操作起來容易，現(xiàn)勢性好，具有較高的測量精度；但是這種測量方法也存在一定的弊端，體積小，飛行高度不夠，具有不夠穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，自身所帶焦距小，像幅不夠，加密處理空三時(shí)較為煩瑣，而且有較大的工作量存在于后期影像拼接工作中。野外數(shù)字測量方式花費(fèi)成本較高，需要的工作人員較多，而且氣候、地形等因素對其產(chǎn)生的影響較大，難以獲取準(zhǔn)確的影響底圖，對工程質(zhì)量及工期的相關(guān)要求都難以給予滿足。載人航空測量在現(xiàn)階段的空域管理形式下，需要對空域進(jìn)行嚴(yán)格的申請，而且要求機(jī)場給予嚴(yán)格的協(xié)調(diào)，因此導(dǎo)致其工作量較多，成本花費(fèi)較大，此外對基本的工期要求還很難給予滿足。通過對幾種測量方法的對比研究，本文采用無人機(jī)航空攝影的方式對此項(xiàng)目進(jìn)行測量。

2.1 技術(shù)特征分析

無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)中存在以下的優(yōu)勢及特征：

(1) 操作方便。在很多低空飛行作業(yè)中比較適合應(yīng)用無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)，而且申請空域時(shí)也較為容易，天氣對其產(chǎn)生的影響也較低，可以很好地降低人機(jī)航空時(shí)由于云層等影響而出現(xiàn)的漏洞區(qū)域；而且該種測量不用把機(jī)場起降，在測量遠(yuǎn)離城市的大型水利工程時(shí)發(fā)揮著非常重要的作用。

(2) 較低的成本投入。這種測量設(shè)備飛行時(shí)間不長，所涉及的工作人員少，從而使得項(xiàng)目成本被有效降低。

(3) 靈活性，機(jī)動性強(qiáng)。這種測量技術(shù)能夠按照天氣的基本狀況，靈活、快速的步入現(xiàn)場實(shí)時(shí)的監(jiān)測目標(biāo)物。

(4) 較高的安全性能。與載人航空攝影測量技術(shù)相比，無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)能夠在復(fù)雜的環(huán)境及惡劣的氣候條件下完成工作，從而將危險(xiǎn)性有效降到最低。

(5) 較高的測量效率。地形因素很少會影響無人機(jī)航空攝影測量的效果和質(zhì)量。能夠在許多煩瑣的區(qū)域內(nèi)完成攝影測量，不管是水域、盆地、林地還是高原都可以進(jìn)行測量，從而獲取更加準(zhǔn)確、全面、安全的數(shù)據(jù)，以更高的效率完成自己的任務(wù)。

(6) 較高的準(zhǔn)確性。這種測量技術(shù)是集通信、全球?qū)Ш?、攝像及數(shù)字通信為一體的，整個(gè)系統(tǒng)的集成情況及設(shè)備的各種技術(shù)發(fā)展都非常成熟，能夠獲取分辨率較高的定位數(shù)據(jù)及數(shù)字?jǐn)z像。

2.2 技術(shù)操作情況分析

2.2.1 設(shè)計(jì)與研制無人機(jī)攝影平臺

為了在航空攝影測量中有效地應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)，一定要綜合的設(shè)計(jì)，以及整合無人機(jī)的氣動性能、控制方法、飛機(jī)安全性、設(shè)備選用開發(fā)等內(nèi)容。

在研制無人機(jī)時(shí)，可以通過雙尾后推結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，此種非常規(guī)的設(shè)計(jì)及布局確保了飛機(jī)飛行控制能力強(qiáng)、大荷載、短距離起降的優(yōu)越性，而且通過將國外引入的無人機(jī)自動控制系統(tǒng)作為核心部件，利用民用數(shù)碼單反相機(jī)進(jìn)行航攝，將二維云臺為像機(jī)設(shè)計(jì)出來，使得飛機(jī)飛行過程中的姿態(tài)精度被有效提升，而且對像機(jī)進(jìn)行了旋偏角及俯仰角的設(shè)計(jì)與控制。

對無人機(jī)在航空攝影測量中的實(shí)效性進(jìn)行檢測，主要通過解析空三的方式評估與分析了試飛的影像資料，主要探測了飛機(jī)的抗振動能力、抗風(fēng)能力及飛行的穩(wěn)定性等，對像機(jī)的曝光時(shí)間進(jìn)行掌控，二次開發(fā)與修改了飛行姿態(tài)角，進(jìn)一步完善了飛行控制系統(tǒng)，把轉(zhuǎn)彎緩沖增設(shè)進(jìn)去，對延遲補(bǔ)償?shù)裙δ苓M(jìn)行曝光，確保得到的航空影響與航測生產(chǎn)規(guī)范的基本要求相一致。質(zhì)量控制軟件、航線規(guī)劃軟件是無人機(jī)攝影平臺控制軟件的重要組成部分。航線規(guī)劃軟件的主要功能是按照航向重疊要求及測區(qū)范圍等數(shù)據(jù)進(jìn)行航線的自動規(guī)劃，確保無人機(jī)攝影平臺能夠?qū)崟r(shí)控制及自主飛行，質(zhì)量控制軟件的功能是有效控制航攝質(zhì)量，現(xiàn)場補(bǔ)飛不合格的航片，確保航攝測量質(zhì)量可以通過檢驗(yàn)與驗(yàn)收。

2.2.2 布設(shè)外業(yè)控制點(diǎn)

針對無人機(jī)航攝資料像對多、重疊區(qū)面積小、像幅小的特征，為了將加密精度提升，通過比較及試驗(yàn)分析，可以通過類似標(biāo)準(zhǔn)航帶區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)的方法布設(shè)外業(yè)控制點(diǎn)。在峽山水庫這個(gè)區(qū)域內(nèi)共布設(shè)了32個(gè)控制點(diǎn)，其中有20個(gè)平高點(diǎn)，12個(gè)高程點(diǎn)，具體的圖例如圖1所示。

圖1

2.2.3 空三解析

選擇應(yīng)用 Virtuo Zo AAT+PATB型號的解析空三軟件。由于無人機(jī)航空攝影資料具有像對多、基線短、不規(guī)則重疊、較大航空攝影偏差及像幅小的特征，在對空三進(jìn)行解析時(shí)，會加劇提取連接點(diǎn)的難度，因此還需要人工方法的輔助。

3 本項(xiàng)目中的具體應(yīng)用情況

在測量峽山水庫時(shí)所應(yīng)用的無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)主要由數(shù)字傳感裝置、地面控制裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置、飛行平臺及配套軟件等所構(gòu)成。該系統(tǒng)對20多個(gè)航攝項(xiàng)目進(jìn)行了測量，所測量的面積高達(dá)3000多平方千米，搜集了40 000多張0.05～0.5 m的影像，為國土、建設(shè)、規(guī)劃、水利、電力以及交通等部門提供了詳實(shí)的應(yīng)急保障性服務(wù)。

峽山水庫于2013年10月修建完畢，通過航拍獲得了水庫水位工程1∶2000的地形圖資料，通過1∶30 625的比例尺進(jìn)行的航攝擁有0.15 m的地面分辨率，720 m的飛行高度，飛行了約480 min，測試范圍內(nèi)共劃出了4個(gè)區(qū)域，進(jìn)行了4個(gè)架次的飛行，共完成350 km2的作業(yè)面積，拍攝得到了3038張影像圖片，而且通過無人機(jī)獲得了攝影照片，具有較高的現(xiàn)勢性，而且這些資料已經(jīng)通過了專門人員的驗(yàn)收。

4 測量效果分析

由于航空攝影測量技術(shù)不擅長于高程精度方面的測量，為了將整個(gè)庫區(qū)的DEM高程精度值提升，現(xiàn)場工作人員在堤壩、主要道路特征建筑物上對部分特征進(jìn)行了采集，用于DEM的加密。之后按照無人機(jī)航空攝影測量的實(shí)際結(jié)果，將平面比例尺為1∶2000 的DLC及格網(wǎng)間距在2.0 m×2.0 m的高精度DEM制作出來，為了對無人機(jī)航空攝影的高程精度及測量平面進(jìn)行驗(yàn)證，工作人員搜集了許多野外的碎部點(diǎn)進(jìn)行測量，然后和無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)進(jìn)行對比分析。

按照野外的檢查情況，依據(jù)中誤差統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算，峽山水庫攝影測量地面點(diǎn)平面位置誤差為±0.28 m，高程誤差為±0.29 m，而且都符合1∶2000航測測圖的基本測量要求。此外將外業(yè)實(shí)測高程點(diǎn)加進(jìn)去后，在某種程度上提升了數(shù)字高程模型精度值，為庫區(qū)的進(jìn)一步建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

峽山水庫的水位測量工程項(xiàng)目具有任務(wù)重、時(shí)間緊、大范圍作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)，通過普通的測量手段很難按照基本的工期完成任務(wù)。通過無人機(jī)航空攝影測量工作技術(shù)，使得作業(yè)效率被有效提升，將作業(yè)工期有效縮短，并且生產(chǎn)成本也得到了節(jié)約，圖件的現(xiàn)勢性效果也逐漸增強(qiáng)，有效給出了設(shè)計(jì)要求的1∶2000及規(guī)程范圍的庫區(qū)平面圖，此外，所應(yīng)用的這些作業(yè)手法，為今后的工作提供了幫助和借鑒，積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，有效促進(jìn)了工程的發(fā)展。