無人機免像控攝影測量技術(shù)在西北地區(qū)干涸河道治理中的應(yīng)用

任智龍 李風(fēng)賢 柴生亮 李偉偉

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730000）

近年來，隨著國民環(huán)保意識的不斷提高，河道生態(tài)保護備受各方關(guān)注[2]。十九大精神指出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，為區(qū)域河道治理工作提供了科學(xué)指南和根本遵循[3]。西北地區(qū)氣候干燥，水資源匱乏，干涸河道占比較大。干涸河道生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)重，由于河道常年沒水或者少水，經(jīng)常會出現(xiàn)向河道傾倒垃圾、排放生活污水、甚至在河道亂采亂挖的現(xiàn)象，造成河堤失穩(wěn)，河道周邊環(huán)境惡化。西北地區(qū)干涸河道的治理迫在眉睫，只有通過河道治理逐漸恢復(fù)河道功能，才能實現(xiàn)河道資源的有效利用，促進(jìn)區(qū)域生態(tài)的良好發(fā)張，河道治理工作關(guān)系民生，意義重大[4]。

河道治理測量工作中，傳統(tǒng)的測量技術(shù)主要存在以下問題：一是傳統(tǒng)RTK 測量技術(shù)，該技術(shù)是利用GNSS的RTK 測量模式進(jìn)行碎部點數(shù)據(jù)采集，該技術(shù)在開展過程中需要建立移動站和CORS 基站或移動站與基準(zhǔn)站之間的信號傳遞，信號傳遞質(zhì)量的好壞直接影響測量成果的好壞，而且測量從業(yè)人員的工作量大，效率低，嚴(yán)重影響了河道治理工作的開展。二是傳統(tǒng)無人機攝影測量技術(shù)，為滿足測量精度的要求，利用傳統(tǒng)無人機攝影測量技術(shù)進(jìn)行測量工作時需要布設(shè)像控點，然而西北地址構(gòu)造以黃土為主，河道主要以疏松黃土為主，該介質(zhì)中像控點的布設(shè)和測量難度較大。

隨著無人機攝影測量技術(shù)的快速發(fā)展，無人機免像控攝影測量技術(shù)在地形圖測繪、數(shù)字三維實景模型建設(shè)等方面的優(yōu)勢不斷凸顯[5]，無人機免像控攝影測量技術(shù)在河道測量工作中的運用能很好的解決傳統(tǒng)河道測量技術(shù)的不足，為河道治理工作提供更高效精確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提升河道治理工作的效率。

本文以蘭州市榆中縣某河道治理工作為例，借助飛馬智能航測系統(tǒng)D200 為研究對象，基于無人機免像控攝影測量技術(shù)開展了河道三維模型建設(shè)、河道地形圖測繪[6]，河道線路縱橫斷面圖繪制等工作，分析了無人機攝影測量技術(shù)的測量精度，闡述了無人機攝影測量技術(shù)在河道治理工程中運用的方法和流程。

1 高精度免像控航測系統(tǒng)

飛馬智能航測系統(tǒng)D200 是一款基于高性能旋翼平臺的一體化高精度航測無人機系統(tǒng)。D200 無人機的載重量為1kg，單次飛行的時長最高可達(dá)到40 分鐘，飛機的飛行安全可靠性高。本次項目中飛馬智能航測系統(tǒng)D200配備搭載兩軸增穩(wěn)云臺的五鏡頭傾斜攝影相機。

1.1 PPK/RTK 融合差分免像控技術(shù)

本次項目中運用PPK、RTK 融合差分技術(shù)進(jìn)行免像控作業(yè)，無人機飛行時同時獲取RTK 實時差分信號和PPK 后處理差分信號，在數(shù)據(jù)處理時對基站數(shù)據(jù)和機載POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合差分解算，可得到穩(wěn)定的高精度的融合差分POS 數(shù)據(jù)，從而有效的提高了空三數(shù)據(jù)定向的精度。PPK/RTK 融合差分技術(shù)可有效的提高無人機免像控測圖精度，可達(dá)到1:500 比例尺測圖精度要求。

1.2 高精度多功能數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

無人機航線規(guī)劃軟件，可根據(jù)任務(wù)區(qū)域的地形起伏和影像要求，基于高精度實景三維地形自動生成滿足后期處理的最佳飛行方案和航線，能夠在航線角度調(diào)整飛行后任然能滿足后期接邊需求；適配傳感器應(yīng)用模式需求，基于高精度三維模型的地形貼合自動航線算法，生成精準(zhǔn)地形跟隨飛行方案和航線，保證獲取數(shù)據(jù)的全航程一致性。

1.3 一體化智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

“無人機管家”專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，能夠滿足POS 數(shù)據(jù)解算、像控點量測、快速圖形拼接、數(shù)字正射影像生產(chǎn)、數(shù)字地表模型生產(chǎn)、真正射影像生產(chǎn)、數(shù)字高程模型制作等多種成果需求。

2 工程實施

無人機免像控攝影測量施測技術(shù)流程如圖1 所示，首先利用無人機攝影測量系統(tǒng)完成攝影測量數(shù)據(jù)采集，然后利用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并完成數(shù)字高程模型（DOM）、數(shù)字地表模型（DSM）、數(shù)字正射影像（DEM）數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)，第三基于以上的數(shù)字產(chǎn)品，利用專業(yè)測圖軟件進(jìn)行二次加工，實現(xiàn)地形圖、線路縱橫斷面圖等的繪制工作。

圖1 技術(shù)流程圖

2.1 測區(qū)概況

該測區(qū)是蘭州市榆中縣某河道治理工程中的一段，河道地處西北黃土高原，屬于典型的山區(qū)干涸河道，河道中存在垃圾傾倒、污水排放、河堤破壞等現(xiàn)象。測區(qū)段地形復(fù)雜，溝壑比較多，地勢較為平緩，平均海拔約2100米，測區(qū)長度約10 公里，寬度沿河道中心向兩側(cè)延伸約1 公里。測區(qū)在偏遠(yuǎn)山區(qū)，手機信號弱，GPS 信號弱，易發(fā)生塌方，通視難度大。河道底部及周圍為松動型黃土，像控點布設(shè)難度大。

2.2 數(shù)據(jù)采集

該工程中無人機攝影測量工作數(shù)據(jù)采集主要由影像數(shù)據(jù)和檢查點坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集兩部分[7]。數(shù)據(jù)采集之前首先要進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，現(xiàn)場踏勘的內(nèi)容主要有以下幾個方面：根據(jù)任務(wù)區(qū)域情況及無人機性能確定最優(yōu)飛行計劃；觀察現(xiàn)場天氣情況，確定最佳飛行時間；量測飛行范圍內(nèi)高大建筑物、高大樹木的高度，確定無人機飛行高度；選擇合適的起飛、降落點，以便提高電池的利用率；無人機RTK 基站架設(shè)位置選擇，基站架設(shè)位置要考慮周圍視野的開闊性，確?；拘盘柕膫鬟f質(zhì)量；選取檢查點布設(shè)位置，檢查點位置的選取要考慮檢查點測量的可實施性。

2.2.1 影像數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集采用飛馬智能航測系統(tǒng)D200。根據(jù)現(xiàn)場踏勘的資料完成無人機的裝配、無人機基站的架設(shè)、相機檢查等工作后便可進(jìn)行測區(qū)影像數(shù)據(jù)采集。影像數(shù)據(jù)采集的重點在無人機飛行航線的規(guī)劃設(shè)計（圖2），航線規(guī)劃的好壞對影像采集的效率和影像質(zhì)量有直接的影響，此次任務(wù)采用無人機防地飛行的方式采集數(shù)據(jù)，共設(shè)計了4 條航線，飛行高度155 米，航向重疊度80%，旁向重疊度60%，像素2.0 厘米。

圖2 航線規(guī)劃圖

2.2.2 檢查點坐標(biāo)采集

此次任務(wù)為了驗證無人機免像控攝影測量的精度，在無人機影像數(shù)據(jù)采集之前布設(shè)了檢查點，檢查點分布在測區(qū)地形特征發(fā)生變化的位置，以提高無人機免像控攝影測量精度驗證準(zhǔn)確度。此次共布設(shè)了30 個檢查點，檢查點坐標(biāo)的量測采用RTK 技術(shù)實施，測量前對無人機基站點坐標(biāo)進(jìn)行檢校，保證了無人機影像POS 和檢查點坐標(biāo)在同一坐標(biāo)系統(tǒng)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用的是飛馬“無人機管家”一體化智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容有檢查原始影像質(zhì)量，進(jìn)行POS 融合差分解算，坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換工作，空中三角測量定向，以及DOM、DSM、DEM、實景三維模型等測量成果的生產(chǎn)，此次數(shù)據(jù)處理生產(chǎn)的成果同時也是后期測量成果的基礎(chǔ)資料，見圖3。

圖3 空三定向

在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)需要注意以下幾個方面：原始數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，分別從檢查影像像素點、像素點的匹配程度、匹配點的平均高程、成圖比例尺、成圖分辨率、影像航向重疊度、旁向重疊度等多個角度檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，作為航飛質(zhì)量評價的可靠依據(jù)；相機檢校及畸變?nèi)コ?，利用基于地面檢校場模型約束的相機檢校方法，檢校并輸出更加穩(wěn)定準(zhǔn)確的最優(yōu)相機模型，保證后期空三解算和測圖精度要求；PPK 和RTK 融合差分解算，取得高精度的差分POS 數(shù)據(jù)；參數(shù)計算與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，測量成果坐標(biāo)要符合項目要求的坐標(biāo)系統(tǒng)，目前常用的坐標(biāo)系統(tǒng)有北京54 坐標(biāo)系、西安80 坐標(biāo)系、CGCS2000 國家坐標(biāo)系[8]，而高精度融合差分POS 數(shù)據(jù)是以大地坐標(biāo)系（經(jīng)度，緯度，高程）的形式呈現(xiàn)的，這就需要利用四參數(shù)或七參數(shù)對坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以滿足航測生產(chǎn)成果需求。

3 精度分析

將檢查點坐標(biāo)以（東坐標(biāo)x，北坐標(biāo)y，高程h）的格式導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件，完成檢查點在航測影像上的刺點工作，通過無控控制網(wǎng)空三計算實現(xiàn)檢查點在數(shù)字正射影像中坐標(biāo)的量測，并與檢查點RTK 測量坐標(biāo)值進(jìn)行比對，計算出各檢查點的測量誤差值,檢查點的東坐標(biāo)x、北坐標(biāo)y、高程h的測量誤差值分別用Δx、Δy、Δh 表示，平面誤差用Δs表示（表1）。

表1 DOM 測量坐標(biāo)與RTK 測量坐標(biāo)較差 cm

檢查點坐標(biāo)的中誤差為：

式中，Δ 為檢查點誤差值，n 為檢查點個數(shù)。

由表1 可知Δx 的最大值為4.8cm，中誤差mx 為±2.5cm；Δy 的最大值為4.5cm，中誤差my 為±2.6cm；Δs的最大值為5.9cm，平面中誤差ms 為±3.6cm；Δh 的最大值為8.0cm，高程中誤差ms 為±4.6cm。檢查點平面精度和高程精度均能夠滿足《數(shù)字?jǐn)z影測量空中三角測量規(guī)范》[9]中丘陵地帶1:500 比例尺測圖的要求。

4 河道圖形測繪

為滿足河道治理工作的需要，在利用無人機攝影測量技術(shù)完成河道數(shù)據(jù)的采集工作后，需要基于高精度的攝影測量成果完成河道地形測繪工作，河道圖形測繪的主要成果有河道帶狀地形圖、河道縱斷面圖、河道橫斷面圖。河道圖測繪內(nèi)容包括繪圖數(shù)據(jù)的獲取和圖形的繪制兩部分。主要技術(shù)流程如下，首先將河道實景三維模型或數(shù)字正射影像導(dǎo)入EPS 測圖軟件，在EPS 中完成河道縱橫斷面繪制所需的點位坐標(biāo)的采集，然后將采集好的坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CASS 圖形繪制軟件進(jìn)行繪圖工作。其中河道大比例尺地形圖的測繪可以直接利用EPS 軟件完成，大比例尺地形圖測繪是EPS 的主要模塊之一，EPS可以直接進(jìn)行地貌、地物的采集工作。利用實景三維模型進(jìn)行圖形立體測量工作，降低了傳統(tǒng)測圖外業(yè)數(shù)據(jù)獲取的難度，解決了應(yīng)地形環(huán)境等因素影響人無法到達(dá)的測量技術(shù)難題。EPS 數(shù)據(jù)采集流程主要包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)修改、數(shù)據(jù)輸出。

河道地形圖繪制內(nèi)容包括河道地形以及河道周邊地貌、地物元素，本次測量的河道是干涸河道，不涉及水下地形的測量。此次地形圖測繪的測圖比例尺為1:1000，圖形成果滿足1:1000 測圖比例尺精度要求，河道地形圖如圖4 所示。

圖4 河道地形圖示意

河道縱橫斷面圖繪制，河道斷面圖在河道治理、設(shè)計工作中是比較重要的圖紙，要求的精度比較高，數(shù)據(jù)量測時需要特別注意以下幾個方面的內(nèi)容：地形變化較大的位置、河道轉(zhuǎn)彎的位置必須設(shè)置橫斷面；橫斷面測量時需要提前設(shè)定好測量樁號設(shè)計好樁點位置和裝點里程；橫斷面應(yīng)從岸頂向外延伸30 米左右（圖5）；河道縱斷面圖沿著河道的中心線做河道的坡面，以河道的里程為x 軸，以河底的高程為y 軸建立的河道中心坡度及落差的走勢圖（圖6）。

圖5 河道橫斷面示意圖圖

圖6 河道縱斷面局部示意圖

5 結(jié)論

目前，在河道治理測量工作中傳統(tǒng)測量技術(shù)主要存在以下兩個問題，一是傳統(tǒng)RTK 測量技術(shù)需要設(shè)備之間傳遞信號和測區(qū)有良好的通訊條件，受測區(qū)通訊信號的好壞和信號傳遞距離的限制嚴(yán)重；二是傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)需要利用控制點對影像測量成果進(jìn)行糾正，受像控點布設(shè)要求的限制嚴(yán)重。以飛馬無人機攝影測量系統(tǒng)D200研究對象，基于PPK 和RTK 融合差分技術(shù)的無人機免像控攝影測量技術(shù)很好的解決了傳統(tǒng)技術(shù)存在的問題。

結(jié)合無人機免像控攝影測量技術(shù)的迅速發(fā)展，以西北地區(qū)干涸河道實際項目為例，驗證了無人機免像控攝影測量技術(shù)使用與河道治理測量工作中的可行性，該技術(shù)能夠滿足1:500 比例尺測圖精度的要求。

詳細(xì)的介紹了無人機免像控技術(shù)運用于河道地形圖、河道縱橫斷面圖、河道數(shù)字實景三維模型測繪的詳細(xì)操作流程。后續(xù)，我將持續(xù)深入研究，推進(jìn)無人機攝影測量技術(shù)在河道檢測、河道生態(tài)保護等多個領(lǐng)域的應(yīng)用，為從事河道工程、測繪工程等相關(guān)工作及研究的人員提供參考，為區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。