無(wú)人機(jī)、GPS RTK測(cè)量技術(shù)在程海湖生態(tài)修復(fù)工程中的融合應(yīng)用

左安垠,柳鈺瑩

(1.永勝縣林業(yè)局紅星橋木材檢查站,云南 永勝 674200;2.云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院測(cè)繪地理信息學(xué)院,云南 昆明 650224)

程海湖生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目(一期)工程投資1.17億元，已實(shí)施完成并通過(guò)初驗(yàn)；項(xiàng)目(二期)工程建設(shè)投資4.24億元，目前正在施工建設(shè)。該項(xiàng)目是云南省重大生態(tài)修復(fù)工程項(xiàng)目，喬、灌、草園林化高標(biāo)準(zhǔn)高質(zhì)量修復(fù)。工程區(qū)為環(huán)程海湖的一級(jí)保護(hù)區(qū)(1501水位線水平外延30 m寬條帶)，長(zhǎng)達(dá)47.7 km(一期20 km、二期27.7 km)，工程建設(shè)內(nèi)容包括土壤改良、隔離欄網(wǎng)安制、河門口治理、管護(hù)廊道建設(shè)、灌溉引水工程及植物工程六大部分。工程區(qū)域環(huán)境復(fù)雜多變、場(chǎng)地為不規(guī)則波浪狀，施工條件差，設(shè)計(jì)、施工放樣難度大，傳統(tǒng)的林業(yè)工程設(shè)計(jì)、施工放樣技術(shù)難以滿足現(xiàn)代生態(tài)修復(fù)工程建設(shè)要求。項(xiàng)目采用了無(wú)人機(jī)勘測(cè)輔助設(shè)計(jì)、GPS RTK放樣(包括植物放樣)及GPS RTK工程收方等新技術(shù)，現(xiàn)已圓滿完成一期工程建設(shè)，二期正在施工中。筆者參與項(xiàng)目建設(shè)，總結(jié)撰寫(xiě)了這篇論文。

1 無(wú)人機(jī)、GPS RTK勘測(cè)輔助設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

1.1.1 無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的基本原理是利用地面上的固有地形、地物確定三維坐標(biāo)并且記錄其性質(zhì)，然后將信息傳輸至計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)，配合繪圖系統(tǒng)，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后輸出顯示與地形相同的地形圖。無(wú)人機(jī)航空攝影單像片利用中心投影的透視變換技術(shù)，而立體測(cè)圖主要是利用投影的幾何反轉(zhuǎn)技術(shù)[2]。

1.1.2GPSRTK技術(shù)

高精度的 GPS 測(cè)量必須采用載波相位觀測(cè)值。RTK 技術(shù)就是載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分 (Real TimeKinematic)技術(shù),它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果,能達(dá)到厘米級(jí)精度。在RTK 作業(yè)模式下,基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值(偽距和載波相位觀測(cè)值)和測(cè)站坐標(biāo)信息 (如基準(zhǔn)站坐標(biāo)和天線高度)一起傳送給流動(dòng)站,流動(dòng)站在完成初始化后,一方面通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),另外自身也采集 GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影改正,即可給出實(shí)用的厘米級(jí)定位結(jié)果[1]。

1.2 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)地形起伏較小，地物主要以旱地、半荒草地、果蔬、樹(shù)林、居民地、管線設(shè)施、水利設(shè)施、沙灘等為主。進(jìn)場(chǎng)道路交通便利。

1.3 測(cè)量設(shè)備

1.3.1 外業(yè)設(shè)備

用GPS RTK進(jìn)行外業(yè)相控布置，無(wú)人機(jī)(大疆精靈4P RTK)進(jìn)行航拍(表1)。

表1 項(xiàng)目投入儀器設(shè)備

1.3.2內(nèi)業(yè)設(shè)備

計(jì)算機(jī)、Context Capture、EPS、南方CASS軟件。

1.4 坐標(biāo)、高程系統(tǒng)

坐標(biāo)系統(tǒng)：西安1980坐標(biāo)系3°帶。

高程系統(tǒng)：1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，等高距為0.5 m。

1.5測(cè)量?jī)?nèi)外業(yè)

1.5.1 外業(yè)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量像控點(diǎn)的布設(shè)及測(cè)設(shè)

60像控點(diǎn)布置及8個(gè)控制點(diǎn)測(cè)量；2.2 km2航拍照片。地形測(cè)繪采用野外及航空攝影數(shù)字測(cè)圖方式，即利用GPS RTK進(jìn)行相控?cái)?shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)三維建模及數(shù)據(jù)采集，人工繪制地物等草圖。

1.5.2內(nèi)業(yè)

用Context Capture進(jìn)行測(cè)區(qū)三維網(wǎng)格建模，PIX4D進(jìn)行正射影像制作;利用EPS三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)地物采集，CASS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。采用EPS進(jìn)行地物及高程采集，對(duì)比像控點(diǎn)參考模型精度，滿足精度要求。利用南方CASS 7.0進(jìn)行等高線修飾。

1)全要素測(cè)繪地物地貌。即測(cè)繪居民地，獨(dú)立地物、管線、垣棚、道路、水系、境界、植被、地貌以及各類控制點(diǎn)，標(biāo)注地理名稱等。

2)溝心、山脊、崖頭、崖腳等地形均有測(cè)點(diǎn)。坡度大于70°的陡崖地貌均全部測(cè)出。

3)測(cè)圖基本等高距為0.5 m，高程點(diǎn)注記至0.01 m，測(cè)圖比例尺為1∶500。

4)采用南方CASS數(shù)字畫(huà)成圖。特殊情況單獨(dú)設(shè)立圖層，其它均為CASS默認(rèn)圖層，字體格式滿足GB/T 20257.1—2007要求。

5)地類界封閉，地類性質(zhì)注記清楚，地物地類清晰。

6)點(diǎn)狀地物等注記清楚，面狀地物、地貌清楚。

7)根據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)地形、地貌、地物特征繪制草圖，編輯后同實(shí)地對(duì)比，避免遺漏。

8)2個(gè)點(diǎn)狀地物相距很近，同時(shí)繪出有困難時(shí)，將高大突出的準(zhǔn)確表示，另一個(gè)移位0.2 mm表示，但保持相互的位置關(guān)系；點(diǎn)狀地物與房屋、道路、水系等其他地物重合時(shí)，中斷其他地物符號(hào)，間隔0.2 mm，以保持獨(dú)立符號(hào)的完整性；水涯線與陡坎重合時(shí)，用陡坎邊線代替水涯線；水涯線與斜坡腳重合時(shí)，仍在坡腳將水涯線繪出。

9)在所有地形、地物編輯完成后，按規(guī)范要求更改地物地類顏色。

10)3～4 cm注記一個(gè)高程點(diǎn)，遇山脊、溝底、山頂、凹底及地形突變的地方加密標(biāo)注。

11)等高線為二維多段線，賦高程屬性值。

12)根據(jù)精度要求，對(duì)三維建模所產(chǎn)生的誤差有足夠的限度。

13)數(shù)據(jù)的采集以地形變化為主控制高程添加。

1.6 測(cè)量成果

1)1∶500地形圖；

2)1∶500地形圖分幅圖；

3)1∶500地形圖分幅圖接合表；

4)1∶500影像圖分幅圖；

5)控制點(diǎn)坐標(biāo)表。

2 初設(shè)、施工圖制作

2.1 應(yīng)用軟件

天正建筑14、SF Lanscape 4.0(易達(dá)園林)及插件、南方CASS。

2.2 初設(shè)、施工圖制作

利用天正建筑14打開(kāi)程海湖生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目(一期、二期)1∶500地形圖，插入疊加1∶500影像分幅圖，按樹(shù)種、地被種類、引水管網(wǎng)、隔離欄網(wǎng)等建立圖層，根據(jù)地形圖地貌、影像圖地物，在科學(xué)選擇樹(shù)種、科學(xué)制定工程治理方式、無(wú)人機(jī)測(cè)量成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行初設(shè)、施工圖制作。

2.3 初設(shè)、施工圖工程量統(tǒng)計(jì)

1)初設(shè)、施工圖植物工程量統(tǒng)計(jì)

SF Lanscape 4.0(易達(dá)園林)及插件打開(kāi)初設(shè)、施工圖,利用軟件進(jìn)行植物工程量統(tǒng)計(jì)。

2)土石方工程量統(tǒng)計(jì)

在南方CASS中打開(kāi)施工圖，展開(kāi)原始地貌高程及設(shè)計(jì)地貌高程，方格網(wǎng)自動(dòng)生成土石方工程量。

3)隔離欄網(wǎng)、灌溉引水管網(wǎng)工程量統(tǒng)計(jì)

引水管網(wǎng)、隔離欄網(wǎng)長(zhǎng)度直接從屬性表中查詢，方便快捷。

3 施工放樣

施工放樣就是把設(shè)計(jì)圖上的要素位置、標(biāo)高放到對(duì)應(yīng)的地面上的過(guò)程。工程區(qū)場(chǎng)地為不規(guī)則波浪狀，放樣難度大。

3.1 施工放樣依據(jù)

設(shè)計(jì)圖、勘測(cè)結(jié)果程海湖生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目(一期、二期)控制點(diǎn)坐標(biāo)及西安80坐標(biāo)系地面控制點(diǎn)位。

3.2 施工放樣設(shè)備

GPS RTK：工程要素點(diǎn)位放樣。

電子全站儀：工程要素標(biāo)高放樣。

計(jì)算機(jī)、南方CASS：工程要素點(diǎn)位坐標(biāo)提取。

3.3 施工放樣準(zhǔn)備

3.3.1 控制點(diǎn)位準(zhǔn)備

采用2個(gè)西安80坐標(biāo)系國(guó)家大地控制點(diǎn)，其中一個(gè)為固定點(diǎn)位，另一個(gè)為校核點(diǎn)位，將程海湖生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目(一期、二期)控制點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入GPS RTK，加密項(xiàng)目施工放樣控制點(diǎn)并標(biāo)記。

3.3.2GPSRTK系統(tǒng)流動(dòng)站準(zhǔn)備

在南方CASS中打開(kāi)設(shè)計(jì)圖，提取工程要素特征點(diǎn)坐標(biāo)，鏈接GPS RTK，存入工程要素特征點(diǎn)坐標(biāo)。

3.3.3GPSRTK系統(tǒng)固定站準(zhǔn)備

采用2個(gè)加密控制點(diǎn)，其中一個(gè)為固定點(diǎn)位，另一個(gè)為校核點(diǎn)位，確定GPS RTK系統(tǒng)固定站并校核，將誤差降為最低。然后準(zhǔn)備好的GPS RTK系統(tǒng)流動(dòng)站就可以放樣了。

3.4 GPS RTK工程要素施工放樣

3.4.1 土壤改良工程施工放樣

土壤改良工程范圍是一個(gè)面的放樣。提取土壤改良范圍線特征點(diǎn)坐標(biāo)存入GPSRTK存儲(chǔ)器，并導(dǎo)入范圍線，用白灰、木樁標(biāo)記。

3.4.2管護(hù)廊道工程、隔離欄網(wǎng)工程施工放樣

管護(hù)廊道工程、隔離欄網(wǎng)是線的放樣。提取隔離欄網(wǎng)特征點(diǎn)、廊道上邊線特征點(diǎn)坐標(biāo)，存入GPSRTK存儲(chǔ)器，并導(dǎo)入。放線用白灰、木樁標(biāo)記。

3.4.3灌溉引水工程、河門口治理工程施工放樣

灌溉引水工程、河門口治理工程有點(diǎn)、線、面的放樣。在南方CASS中提取特征點(diǎn)坐標(biāo)存入GPSRTK存儲(chǔ)器，導(dǎo)入，放點(diǎn)、線、面，用白灰、木樁標(biāo)記。

3.4.4植物工程施工放樣

植物工程中，喬木、灌木為點(diǎn)的放樣，地被為面的放樣。在南方CASS中，提取各樹(shù)種每木點(diǎn)位坐標(biāo)、地被范圍線特征點(diǎn)坐標(biāo)(圖1)，存入GPSRTK存儲(chǔ)器，在GPSRTK中導(dǎo)入放樣，用白灰標(biāo)記。

圖1 南方CASS中提取各樹(shù)種每木點(diǎn)位坐標(biāo)

4 工程收方及竣工圖制作

4.1 植物工程、土壤改良工程收方及竣工圖制作

4.1.1 喬木、灌木球收方及竣工圖制作

現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)數(shù)收方，將工程量標(biāo)注在施工圖上，并更改為竣工圖。

4.1.2地被、土壤客土改良面積收方及竣工圖制作

在準(zhǔn)備好固定站條件下，用GPS RTK流動(dòng)站現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)地被、土壤客土改良面點(diǎn)位，輸入點(diǎn)位屬性并記錄，導(dǎo)出點(diǎn)位數(shù)據(jù)，在南方CASS中展開(kāi)，連線成面，在屬性里查詢水平面工程量；有坡面的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定坡比(水平面工程量×坡比=實(shí)際面工程量)。采用流動(dòng)站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定客土后高程，在南方CASS中展開(kāi)施工前高程與施工后高程，形成方格網(wǎng)，自動(dòng)生成土方工程量，同時(shí)完成竣工圖。

4.2 廊道、防護(hù)網(wǎng)、灌溉引水、河門口治理工程收方及竣工圖制作

在準(zhǔn)備好固定站條件下，用GPS RTK流動(dòng)站現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)廊道、防護(hù)網(wǎng)、灌溉引水管網(wǎng)、調(diào)節(jié)池等點(diǎn)位，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，在南方CASS中展開(kāi)數(shù)據(jù)并連線，制作竣工圖并在屬性中查詢水平長(zhǎng)度及面積，采用皮尺現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，輔助計(jì)算混凝土工程量。

5 與傳統(tǒng)林業(yè)工程的植物設(shè)計(jì)、工程收方、施工放樣比較

5.1 與傳統(tǒng)林業(yè)工程的植物設(shè)計(jì)、工程收方比較

1)普通GPS：能以文本文件格式提供點(diǎn)號(hào)值、三維坐標(biāo)、點(diǎn)位說(shuō)明；精度低，不能滿足設(shè)計(jì)要求，不能獲取正射影像、矢量數(shù)據(jù)輔助設(shè)計(jì)。

2)皮尺：人工記錄，不能以文本文件格式提供點(diǎn)號(hào)值、三維坐標(biāo)、點(diǎn)位說(shuō)明；精度低，不能滿足設(shè)計(jì)要求，不能獲取正射影像、矢量數(shù)據(jù)輔助設(shè)計(jì)。

3)全站儀：能以文本文件格式提供點(diǎn)號(hào)值、三維坐標(biāo)、點(diǎn)位說(shuō)明；不能獲取正射影像輔助設(shè)計(jì)。

4)GPS RTK：能以文本文件格式提供點(diǎn)號(hào)值、三維坐標(biāo)、點(diǎn)位說(shuō)明；不能獲取正射影像輔助設(shè)計(jì)。

5)無(wú)人機(jī)：能以文本文件格式提供點(diǎn)號(hào)值、三維坐標(biāo)(W84坐標(biāo)系)、點(diǎn)位說(shuō)明，正射影像；能獲取正射影像輔助設(shè)計(jì)(表2)。

5.2 與傳統(tǒng)林業(yè)工程植物定植點(diǎn)位施工放樣比較

1)普通GPS：能導(dǎo)入文本文件格式點(diǎn)號(hào)值、三維坐標(biāo)，但達(dá)不到項(xiàng)目精度要求，且速度慢，精度低，不能提示到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，速度慢，點(diǎn)位數(shù)量得重新統(tǒng)計(jì)。

2)皮尺：不能導(dǎo)入文本文件格式點(diǎn)號(hào)值、三維坐標(biāo)，且速度慢，精度低，不能將點(diǎn)位準(zhǔn)確放到設(shè)計(jì)位置，點(diǎn)位數(shù)量需重新統(tǒng)計(jì)。

3)全站儀：能導(dǎo)入文本文件格式點(diǎn)號(hào)值、三維坐標(biāo)；速度較GPS RTK慢，精度較高，能將點(diǎn)位準(zhǔn)確放到設(shè)計(jì)位置，且點(diǎn)位數(shù)量不用重新統(tǒng)計(jì)，不能提示到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

4)GPS RTK：能導(dǎo)入文本文件格式點(diǎn)號(hào)值、三維坐標(biāo)；精度高，速度快，能將點(diǎn)位準(zhǔn)確放到設(shè)計(jì)位置，且點(diǎn)位數(shù)量不用重新統(tǒng)計(jì)，能提示到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，詳見(jiàn)表3。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)無(wú)人機(jī)、GPS RTK在程海湖生態(tài)修復(fù)工程建設(shè)中的融合應(yīng)用，與傳統(tǒng)作業(yè)方式相比，速度快，精度高，提高了工作效率。程海湖生態(tài)修復(fù)(一期)工程從初設(shè)至施工圖完成及竣工圖繪制，歷時(shí)1年零5天；二期已如期完成初設(shè)、施工圖設(shè)計(jì)，進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)施工階段。

表2 與傳統(tǒng)林業(yè)工程勘測(cè)的植物設(shè)計(jì)、工程收方比較

表3 與傳統(tǒng)林業(yè)工程種植穴施工放樣比較