低空無(wú)人機(jī)航測(cè)在水利空間布局規(guī)劃劃界測(cè)量中應(yīng)用

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司 合肥 230022）

1 引言

水利工程是實(shí)施防洪排澇、農(nóng)業(yè)灌溉、抗旱供水、生態(tài)調(diào)節(jié)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。為了充分發(fā)揮水利工程效益，切實(shí)加強(qiáng)水利工程管理，對(duì)于保障其防洪、供水、水生態(tài)安全、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。但由于歷史原因，一些水利工程存在管理范圍邊界不清、權(quán)屬不明的現(xiàn)象。為貫徹新時(shí)期治水方針，落實(shí)國(guó)家關(guān)于建立國(guó)土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實(shí)施的有關(guān)部署，安徽省水利廳編制了《安徽省水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局規(guī)劃——河湖和水利工程劃界范圍及技術(shù)要求補(bǔ)充說(shuō)明》（簡(jiǎn)稱(chēng)《補(bǔ)充說(shuō)明》），明確了劃界范圍，細(xì)化了相關(guān)技術(shù)要求。

安徽省大別山大型水庫(kù)群以防洪、灌溉為主，兼有發(fā)電、水產(chǎn)和城鄉(xiāng)供水等功能，是淠史杭灌區(qū)的主要水源，也是合肥、六安、淮南三市的城市集中供水水源地，對(duì)安徽省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定發(fā)揮了不可替代的作用。水庫(kù)群分布于大別山區(qū)，保護(hù)和劃界范圍內(nèi)山體陡峭、植被茂盛、陡崖眾多，形成了眾多人工難以到達(dá)的測(cè)繪困難區(qū)域。劃界測(cè)量如果采用全站儀或RTK 測(cè)圖等傳統(tǒng)方法，將會(huì)給作業(yè)人員帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)，也容易造成漏測(cè)。而這些困難區(qū)域大多鄰近水域，是劃界測(cè)量的重點(diǎn)，如有遺漏將會(huì)給后續(xù)劃界確權(quán)帶來(lái)很大問(wèn)題。低空無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、成果豐富等特點(diǎn)，在快速獲取地表點(diǎn)云、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）等方面具有傳統(tǒng)測(cè)量方式無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2 項(xiàng)目概況

安徽省佛子嶺—磨子潭—白蓮崖三大水庫(kù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)佛磨白水庫(kù)）空間布局規(guī)劃劃界，主要是劃定庫(kù)區(qū)（包含壩區(qū)）管理范圍線和保護(hù)范圍線，其中佛子嶺水庫(kù)管理范圍為移民線128.51m（1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同）以下區(qū)域、磨子潭水庫(kù)管理范圍為移民線192.51m 以下區(qū)域、白蓮崖水庫(kù)管理范圍為移民線208.81m 以下區(qū)域，佛磨白水庫(kù)保護(hù)范圍線劃定以管理范圍線外至第一道分水嶺脊線之間的陸地。

由于項(xiàng)目測(cè)區(qū)屬于常規(guī)測(cè)繪困難地段，為了高效快速完成任務(wù)，完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，配置數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理設(shè)備，包括高精度GNSS 接收機(jī)、無(wú)人機(jī)搭載Lidar 和工業(yè)級(jí)像機(jī)的雙傳感器系統(tǒng)、云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)等。

3 作業(yè)技術(shù)流程

3.1 控制測(cè)量

采用GNSS 接收機(jī)利用AHCORS 進(jìn)行控制點(diǎn)測(cè)量，點(diǎn)位平均間距約4km，平面系統(tǒng)為CGCS 2000坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)為1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)。鑒于三大水庫(kù)跨度較大，對(duì)三大庫(kù)區(qū)分區(qū)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算，計(jì)算后最大平面校正殘差1.2cm，高程校正殘差6cm。

3.2 低空攝影測(cè)量

利用無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量，完成佛磨白水庫(kù)基礎(chǔ)地形地貌數(shù)據(jù)獲取，通過(guò)外業(yè)查勘、航線規(guī)劃、外業(yè)航飛、數(shù)據(jù)處理、成果輸出、精度檢查等步驟完成數(shù)據(jù)采集與處理工作。

3.3 地形圖測(cè)繪

采用無(wú)人機(jī)搭載雙傳感器，包括激光掃描儀和相機(jī)，進(jìn)行1∶2000 地形圖測(cè)繪。低空攝影測(cè)量獲取的地表點(diǎn)云，可快速采集測(cè)區(qū)的地貌地形；獲取的數(shù)字正射影像，可直觀繪制測(cè)區(qū)的地物地形。同時(shí)，地表點(diǎn)云可快速生成數(shù)字高程模型，將DOM和DEM 套合生成地表三維模型，從而將測(cè)圖模式從二維轉(zhuǎn)換成三維，實(shí)現(xiàn)了裸眼下三維立體測(cè)圖。

3.4 管理范圍線劃定

以測(cè)區(qū)的1∶2000 地形圖作為底圖，利用處理軟件在地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取出相應(yīng)高程，結(jié)合地形圖地形地貌特征繪制出庫(kù)區(qū)管理范圍線。

通過(guò)1∶2000 地形圖確定水庫(kù)建筑物邊緣線及主、副壩背水坡壩腳線，根據(jù)《補(bǔ)充說(shuō)明》的條款及管理單位的實(shí)際要求，確定建筑物邊緣線及主、副壩背水坡腳線外擴(kuò)長(zhǎng)度，獲取壩區(qū)管理范圍線。

3.5 保護(hù)范圍線劃定

以1∶10000 地形圖作為底圖，結(jié)合高分辨衛(wèi)星遙感影像，利用專(zhuān)用軟件結(jié)合空間分析及目視判讀手段，進(jìn)行分水嶺脊線的初步繪制及修測(cè)，獲取水庫(kù)保護(hù)范圍線。

4 技術(shù)措施及精度分析

4.1 飛行措施及精度

根據(jù)項(xiàng)目地理環(huán)境及內(nèi)容要求，TS600 低空無(wú)人機(jī)載系統(tǒng)同時(shí)搭載雙傳感器，從航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)處理兩大部分進(jìn)行分析研究，制定適合山區(qū)水庫(kù)航飛的解決方案。

（1）航線規(guī)劃。為了保證點(diǎn)云密度滿(mǎn)足需求，單架次相對(duì)飛行航高必須保持在500m 以?xún)?nèi)，如果單架次內(nèi)地形起伏相對(duì)高差超過(guò)500m 時(shí)，需進(jìn)行分段航飛。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。由于佛磨白水庫(kù)測(cè)區(qū)山勢(shì)陡峭，Lidar 數(shù)據(jù)后處理過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)地表點(diǎn)云分類(lèi)有誤情況，按照通用分類(lèi)方式會(huì)將地面點(diǎn)云直接分類(lèi)至低植被圖層中，導(dǎo)致大量地面點(diǎn)丟失，從而無(wú)法準(zhǔn)確繪制管理范圍線。因此，需要修改點(diǎn)云分類(lèi)參數(shù)，例如，地面點(diǎn)提取過(guò)程中的Iteration angle 取值，一般山區(qū)取值不能低于10°。因此，需要在不斷調(diào)試分類(lèi)參數(shù)的過(guò)程中提取準(zhǔn)確的地面值。

4.2 數(shù)據(jù)后處理

無(wú)人機(jī)每一架次的飛行數(shù)據(jù)可超過(guò)50GB，如此龐大的數(shù)據(jù)處理必須有高效的數(shù)據(jù)處理工作站。該項(xiàng)目采用澤塔云數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了無(wú)縫結(jié)合，并且最大化優(yōu)化了工作效率，快速有效獲取到高精度地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)）、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像，為水庫(kù)空間布局規(guī)劃提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，高效解決了數(shù)據(jù)后處理問(wèn)題。

4.3 地形測(cè)繪

地形測(cè)繪主要解決的是地形地貌與地物分布及屬性特征。低空無(wú)人機(jī)載系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云及數(shù)字高程模型可形成地形地貌，再通過(guò)EPS 等軟件生成地形等高線。地物先采用數(shù)字正射影像繪制，然后人工進(jìn)行少量修飾。例如，等高線遇建筑物、斜坡、陡坎等特殊地形時(shí)需通過(guò)人工判別方式進(jìn)行修飾。該項(xiàng)目通過(guò)自動(dòng)生成等高線結(jié)合人工繪制地物基本解決了地形圖的測(cè)繪，將測(cè)繪模式從全野外測(cè)繪轉(zhuǎn)至內(nèi)業(yè)測(cè)圖結(jié)合外業(yè)調(diào)繪的方法，提高了工作效率、降低了外業(yè)強(qiáng)度。

4.4 精度檢查

（1）內(nèi)符合精度檢查。檢查目的為確定所有航測(cè)成果相對(duì)精度保持統(tǒng)一，方法采用相鄰架次航飛成果DEM 數(shù)據(jù)套合疊加，進(jìn)行架次區(qū)域間高差可視化分析檢查。例如該項(xiàng)目對(duì)031502 與03601 兩架次疊加區(qū)域進(jìn)行DEM 數(shù)據(jù)比對(duì)分析統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)圖1），高差在0.3m 以?xún)?nèi)的占到82%，且高差超出0.3m 的大部分分布在測(cè)區(qū)邊緣，兩架次的內(nèi)符合精度滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)定要求。

圖1 相鄰架次DEM 疊加高差分析統(tǒng)計(jì)圖

（2）外符合精度檢查。檢查目的為確定航測(cè)成果與要求的精度統(tǒng)一與符合，方法采用人工GPS RTK 抽樣采集一些具有明顯特征的地物點(diǎn)（如房角）及高程點(diǎn)（包括裸露地面的高程和植被覆蓋下的地表高程），將人工采集點(diǎn)與模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，確定模型的外符合精度。該項(xiàng)目共檢查地物點(diǎn)105點(diǎn)，高程點(diǎn)128 點(diǎn)，將檢查點(diǎn)與DOM、DEM 數(shù)據(jù)分別進(jìn)行比較，在允許中誤差倍以?xún)?nèi)（含倍）的誤差值均參與數(shù)學(xué)精度統(tǒng)計(jì)。經(jīng)計(jì)算，DOM 平面精度為±28cm、DEM 高程精度為±21cm。

5 結(jié)語(yǔ)

低空無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)具有靈活機(jī)動(dòng)、快速高效、成果豐富等優(yōu)勢(shì)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足。在內(nèi)業(yè)環(huán)境下，通過(guò)數(shù)字表面模型模擬出真實(shí)地表情形，解決了三維立體測(cè)圖，還解決了規(guī)劃定線的提取。通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目的驗(yàn)證，低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)能夠滿(mǎn)足劃界測(cè)量工作對(duì)成果精度控制的要求，減輕了外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了任務(wù)工期，降低了人員風(fēng)險(xiǎn)，是一種應(yīng)對(duì)大面積復(fù)雜地形尤其山區(qū)地形測(cè)繪的有效作業(yè)方法■