飛馬V100無人機航測在黨河水庫除險加固工程中的應用

曹晏維

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

0.概述

2019 年9 月受敦煌市水務局委托，甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司開展黨河水庫除險加固工程初步設計階段的勘測設計工作。黨河水庫位于甘肅省敦煌市區(qū)西南36km 處的黨河峽口內(nèi)，是一座以防洪、灌溉、排沙為主兼顧發(fā)電的中型水庫，總庫容4.64×107m3，壩址以上控制流域面積16600km2，多年平均徑流量2.927×108m3。測區(qū)左岸有敦煌至阿克塞G215 道路通過，右岸無道路。

水庫大壩1∶500 地形圖測圖范圍按主副壩左右岸兩側(cè)各100m，壩軸線上游100m，下游至溢洪道與黨河交匯口截止，測圖面積約1.3km2。地形圖中需標注主壩、副壩、輸水發(fā)電洞、泄洪排沙洞、溢洪道、電站引水發(fā)電系統(tǒng)控制點、線路、主要建筑物縱橫斷面圖的平面位置。同時需標明各建筑物輪廓尺寸、位置關(guān)系，現(xiàn)狀壩軸線位置。庫區(qū)1∶2000 地形圖測繪面積約7km2，地形圖中需標明各建筑物輪廓尺寸、位置關(guān)系，現(xiàn)狀軸線位置。

1.像控點布測技術(shù)路線

本次使用無人機型號為飛馬V100，低空無人機作業(yè)外業(yè)主要包括像控點布設及施測、航飛、飛行質(zhì)檢及外業(yè)調(diào)繪4 部分組成。

1.1 像控點布設方法

考慮到測區(qū)地形實際，采用不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)布像控點,主要以紅白相間1.1m 見方的靶標為主，明顯地物為輔布設。1∶500 地形圖按每平方千米6 個像控點布設，需布設10 個。1∶2000 地形圖按每平方千米2 個像控點布設，需布設14 個。在Google Earth 軟件中，像控點在上下庫范圍布設為均勻網(wǎng)狀，兩點間隔為600-800m，在無人機兩個架次相接的重疊地帶應針對性布設不少于4 個像控點，以保證不同航高的相片處理時有足夠控制點[2]。以布設的Google Earth 圖上像控點為基準,根據(jù)點位的經(jīng)緯度放樣到實地位置，根據(jù)實地情況選取易保存位置埋設靶標。像控點采用兩像片控制點的編號大寫英文字母加阿拉伯數(shù)字組成，像控點編號不得重復，編為XK01、XK02、XK03……XKnn，如XK29，為像控點29 號。

1.2 像控點采用RTK 作業(yè)模式

用RTK 作業(yè)模式進行施測，按《全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量（RTK）技術(shù)規(guī)范》中有關(guān)要求測定像控點的平面坐標和高程, 采集像控點三維坐標時移動站距基準站距離不大于5km，觀測采用平滑10s 采集。在測繪像控點時應在路途中采集特征碎部點以備檢查地形圖質(zhì)量時使用。

1.3 像控點精度要求

根據(jù)航攝外業(yè)規(guī)范要求，平面控制點相對鄰近基礎控制點的平面位置中誤差不應超過地物點平面位置中誤差的1/5；高程控制點相對鄰近基礎控制點的高程中誤差不應超過基本等高距的1/10。

2.飛馬V100 及航測流程

2.1 飛馬V100 硬件設施和性能

V100 無人機是飛馬推出的基于高性能垂直起降固定翼平臺的一站式行業(yè)解決方案；無人機航測系統(tǒng)主要包括飛機平臺系統(tǒng)、定位定姿系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等[1]?？伞案呔瘸蓤D”、“專業(yè)遙感”、“視頻偵察”。起飛重量8.5kg，標準載荷1kg，續(xù)航時間90min；可搭載航測模塊、傾斜攝影模塊、熱紅外遙感模塊、多光譜模塊、可見光視頻模塊、熱紅外視頻模塊、雙光視頻模塊；所有載荷均可無工具快速拆裝，實現(xiàn)一機多用，具備多元化數(shù)據(jù)獲取能力，并提供系統(tǒng)級解決方案。配備高精度差分GNSS 板卡，支持PPK、RTK 及其融合作業(yè)模式，支持POS 輔助空三，可實現(xiàn)免像控1∶500 成圖。

2.2 飛馬V100 作業(yè)流程

建立測區(qū)，導入原始數(shù)據(jù)（POS 文件、相片等）；導入控制點文件，根據(jù)繪圖比例尺、航高等因素，填寫相關(guān)參數(shù)；全自動空三加密，生成并輸出DSM/DOM/DLG成果[3]。

2.3 航線規(guī)劃與參數(shù)調(diào)整

本次航測任務航線規(guī)劃在飛馬公司無人機管家的智航線中進行，首先導入測區(qū)范圍，然后根據(jù)成圖比例尺和現(xiàn)場地形條件限制設置適當?shù)牡孛娣直媛屎惋w行高度，相關(guān)參數(shù)（如表1、表2 所示）:

表1 航飛相關(guān)參數(shù)

表2 飛行相關(guān)參數(shù)

2.4 任務飛行與現(xiàn)場調(diào)繪

在航線規(guī)劃完成后進行了天氣查詢和空域申請的相關(guān)流程，飛行前進行設備檢查，確保設備安裝和設置正確無誤。嚴格把握天氣標準和準確的曝光量。先試照，確定參考曝光量，實際工作中再根據(jù)天氣實況、地物、地形情況以及參考曝光量，確定實際的曝光量，確保曝光量的準確[4]。

準備工作完成后，即可智飛行中選擇區(qū)塊進行飛行作業(yè)。V100 采用垂直起降的方式，飛機全程自主飛行，并進行飛行狀態(tài)的實時監(jiān)控。飛行過程監(jiān)控各飛行參數(shù)均正常，巡航時速度基本穩(wěn)定在18m/s，飛行姿態(tài)平穩(wěn)，滾轉(zhuǎn)、俯仰角度偏差大部分在5°以內(nèi)，個別影像由于風的影響，在10°左右，也可滿足正射影像的成果需求。飛行完成后，進行原始影像、機載POS 數(shù)據(jù)下載，并完成每個架次的飛行日志的信息填寫，為后續(xù)的數(shù)據(jù)整理或問題查找提供依據(jù)[5]。

2.5 內(nèi)業(yè)處理與成果輸出

飛行完成后進行的機載POS、基站POS 和飛行影像的下載，并現(xiàn)場在無人機管家智檢圖模塊中進行飛行質(zhì)檢，質(zhì)檢結(jié)論均滿足工程要求。V100 無人機采用先進的后差分處理系統(tǒng)，在無人機管家智理圖模塊中進行了POS 解算和坐標轉(zhuǎn)化，從而得到了高精度的飛行POS 數(shù)據(jù)。

然后進入無人機管家智拼圖模塊導入照片和高精度POS，在空三計算精度滿足要求后進行了DSM、DOM、DEM 以及點云數(shù)據(jù)的輸出和編輯，然后在Global mapper 中進行了模型的裁剪和等高線的輸出。為保證本次航測任務的精度和可靠性，在使用無人機管家進行空中三角測量加密的同時使用PIX4D 軟件進行加密計算，經(jīng)過比對得到了更加可靠精度高的空三成果，并為后面的4D 產(chǎn)品的輸出提供的可靠的基礎數(shù)據(jù)。最后將得到的DLG 在南方公司的CASS 軟件中進行地物的繪制和等高線的修整分幅等工作。

3.精度評定

像控點采集的準確性關(guān)系到后續(xù)空三加密和4D產(chǎn)品的精度，本次像控點采用對中桿整平對中的方式，進行平滑20 次坐標采集，同時拍攝現(xiàn)場測量照片。在完成空三計算后，利用合格的空三成果進行DSM 和DEM 以及DOM 的生產(chǎn)，現(xiàn)場采集了部分碎步點作為檢查點，同時對影像上沒法判別的輸電線和通訊線進行了現(xiàn)場采集，對于壩址區(qū)溢洪道、排沙洞等重要水工建筑物的高程進行了現(xiàn)場采集，像控點精度評定（如表3 所示）[6，7]。

表3 像控點精度評定

經(jīng)空三計算得到相控點的平面精度X 方向為0.027m，Y 方向為0.017m，高程精度為0.034m，滿足技術(shù)設計的相關(guān)要求，現(xiàn)場選取了部分房角和道路拐點作為DOM 平面精度的檢查數(shù)據(jù)，均達到了技術(shù)設計書的設計要求。

4.創(chuàng)新應用

4.1 多軟件交互使用

飛機的外業(yè)飛行使用無人機管家的智航線和智飛行模塊，然后使用智檢圖模塊進行數(shù)據(jù)的預處理和重疊度檢查，內(nèi)業(yè)加密使用智理圖和智拼圖，在使用點云數(shù)據(jù)進行DEM 生成之前采用智點云模塊進行點云數(shù)據(jù)的過濾和地面點的提取，后使用Global mapper 軟件進行等高線的生成和濾波，最后使用南方公司的CASS9.0 軟件進行數(shù)字線劃圖的提取和修測。

結(jié)合每個軟件不同的特點和優(yōu)勢，將數(shù)據(jù)分別導入不同的數(shù)據(jù)處理軟件可以最大程度的發(fā)揮軟件的功能，同時能夠提高作業(yè)的效率。

4.2 大面積長航程

本次作業(yè)面積大，飛行時間長是本次作業(yè)的特點，且本次庫區(qū)測量需要多期測量進行庫區(qū)淤積量的計算，所以靶標的埋設都選擇在易于保存的地方，在保證飛行安全的前提下本次飛行采用V100 系列飛機的“斷點續(xù)飛”功能，能夠在保證飛機電量充足的前提下多次飛行進行測區(qū)影像的采集。

5.結(jié)束語

結(jié)合項目實際情況發(fā)現(xiàn)本次航測任務中存在一些問題需要解決，例如水面匹配點較少在后續(xù)的建模過程中容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)空洞；對于重要建筑物如泄水閘的建模仍然需要地面補拍部分照片來進行精細建模；由于物理帶寬網(wǎng)速的限制使數(shù)據(jù)的集群處理難以達到理想的工作效率，擬建立萬兆網(wǎng)和磁盤資源共享的方法提高航測數(shù)據(jù)處理的效率，真正使無人機航測成為測繪行業(yè)的主流作業(yè)方法。我們有理由相信，采用無人機測繪新技術(shù)會在科技發(fā)展的浪潮中不斷創(chuàng)造新的更大價值。