□張順迎

科技創(chuàng)新

多旋翼無人機(jī)航測在山區(qū)水庫測量中的應(yīng)用

□張順迎

近年來，隨著無人機(jī)航飛技術(shù)和傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)在水利測繪領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛?，F(xiàn)根據(jù)涉縣茅嶺底水庫工程測量經(jīng)驗(yàn)，探討在山區(qū)新建水庫工程測量中，利用多旋翼無人機(jī)和傾斜攝影測量技術(shù)，進(jìn)行三維建模和生產(chǎn)線劃圖的可靠性。

多旋翼無人機(jī)；傾斜攝影測量技術(shù)；三維實(shí)景模型

隨著無人機(jī)航飛技術(shù)和傾斜攝影測量技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)已普遍應(yīng)用于水利行業(yè)的地貌查勘、河道監(jiān)察、地形測繪等領(lǐng)域。其中，多旋翼無人機(jī)以其操作簡便、飛行限制條件較少等優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用。涉縣茅嶺底水庫工程測量，采用大疆精靈4RTK無人機(jī)進(jìn)行飛行作業(yè)，獲取了數(shù)字正射影像圖、三維實(shí)景模型和數(shù)字線劃圖?；诠こ虦y量經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)探討在山區(qū)新建水庫工程測量中，利用多旋翼無人機(jī)和傾斜攝影測量技術(shù)，進(jìn)行三維建模和生產(chǎn)線劃圖的可靠性。

1.工程概況

茅嶺底水庫樞紐工程位于河北省涉縣，是一座以城鎮(zhèn)生活和工業(yè)供水為主，兼顧灌溉、防洪、生態(tài)等綜合利用的水利工程。該工程主要由大壩、溢洪道、泄洪洞及輸水洞等建筑物組成，設(shè)計總庫容2220.18萬m3，最大壩高46m。水庫建成后，可有效提高清漳河下游河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)，保障兩岸防洪安全，解決下游灌溉和城鎮(zhèn)用水等問題，促進(jìn)全縣區(qū)域生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展。

其中水庫庫區(qū)位于清漳河支流茅嶺底溝，周邊區(qū)域主要作為茅嶺底村搬遷用地和施工臨時占地等用途。測區(qū)地形為高山地，山勢陡峭，植被覆蓋較多，特別是山上部分區(qū)域植被覆蓋非常茂密，測量人員上山困難，GPS信號差，給測量帶來很大困難。本項(xiàng)目測量主要內(nèi)容有控制測量、縱橫斷面測量、三維建模、地形測量（比例尺為1∶1000，等高距1m）和庫容計算等內(nèi)容。綜合測區(qū)地形條件和作業(yè)效率的考量，項(xiàng)目組決定采用以無人機(jī)航測技術(shù)為主的作業(yè)方式生產(chǎn)1:1000比例尺地形圖。

2.技術(shù)方案及作業(yè)流程

項(xiàng)目生產(chǎn)三維模型和數(shù)字線劃圖的主要技術(shù)流程包括像控點(diǎn)的布設(shè)與采集，無人機(jī)航飛（航線布設(shè)、影像獲?。S模型生產(chǎn)（空中三角測量、模塊生產(chǎn)、編輯修復(fù)），數(shù)字線劃圖采集編制和精度檢驗(yàn)。

2.1 航飛方案及影像獲取

項(xiàng)目總飛行面積為12.5km2，考慮到山區(qū)起降的便捷性和作業(yè)的可靠性，項(xiàng)目組決定采用PHANTOM 4 RTK無人機(jī)進(jìn)行飛行見圖1。航飛相機(jī)為PHANTOM 4 RTK自帶相機(jī)，相機(jī)型號FC6310R，像元大小為2.4μm，鏡頭焦距8.8mm。

圖1 　PHANTOM 4 RTK無人機(jī)

由于飛行區(qū)域地形高差大，最大高差約300m，為保證影像分辨率和重疊度，項(xiàng)目組決定將山區(qū)和河道附近的區(qū)域有針對性的分區(qū)進(jìn)行航飛作業(yè)。飛機(jī)相對地面行高不大于150m，獲取影像的分辨率優(yōu)于5cm，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，并對壩址等重點(diǎn)區(qū)域采取正攝飛行和斜45°飛行。

根據(jù)航飛方案和測區(qū)地形條件，為保證三維模型成果精度，平地每300m左右布設(shè)一個像控點(diǎn)，山上像控點(diǎn)適當(dāng)加密見圖2。實(shí)際選點(diǎn)時像控點(diǎn)應(yīng)位于無遮擋開闊處，像控點(diǎn)需預(yù)先進(jìn)行布設(shè)，對于困難地區(qū)，需要提前制作固定標(biāo)靶作為像控點(diǎn)。項(xiàng)目共采集像控點(diǎn)145個，精度為圖根級，采用GNSS RTK的作業(yè)方法進(jìn)行采集。

圖2 　像控點(diǎn)

2.2 三維模型和線劃圖生產(chǎn)

影像處理采用contextcaptrue軟件，首先將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，進(jìn)行多視角影像特征點(diǎn)密集匹配，并以此進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)的自由網(wǎng)多視影像聯(lián)合約束平差解算，建立空間尺度可以適度變形的立體模型，完成相對定向。結(jié)合像控點(diǎn)成果，在內(nèi)業(yè)環(huán)境中進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，然后對區(qū)域網(wǎng)模型進(jìn)行約束平差，最后將區(qū)域網(wǎng)納入到精確的大地坐標(biāo)系統(tǒng)中，完成絕對定向。

空中三角測量結(jié)束并檢驗(yàn)合格后，將測量后的成果數(shù)據(jù)直接提交生成三維TIN格網(wǎng)構(gòu)建、白體三維模型創(chuàng)建、自助紋理映射和三維場景構(gòu)建。三維模型坐標(biāo)和高程系統(tǒng)與地形圖一致。切塊格式采用規(guī)則平面格網(wǎng)切塊，每個切塊大小為400m×400m，數(shù)據(jù)格式為OSGB。

三維模型生產(chǎn)完成后，首先利用檢查點(diǎn)檢驗(yàn)其平面和高程精度，并需要對存在漂浮物和建筑物扭曲等質(zhì)量問題的瓦片進(jìn)行編輯修復(fù)，以保證三維模型直接美觀的可視化效果，見圖3。

圖3 實(shí)景三維模型（壩址）

測量人員采用南方公司生產(chǎn)的idata軟件依據(jù)三維模型采集高程點(diǎn)和繪制地物。但在受植被覆蓋影響較大的區(qū)域，模型高程精度較低，地物難以分辨，需要結(jié)合RTK和免棱鏡全站儀外業(yè)實(shí)測高程點(diǎn)和地物調(diào)繪數(shù)據(jù)，編輯生成最終的地形圖成果，見圖4。

圖4 地形圖成果

3.可靠性分析

為保證數(shù)據(jù)的可靠性，測量人員利用RTK和全站儀測量了不同地形地貌的多個檢測點(diǎn)，通過對野外實(shí)測點(diǎn)和立體采集的同一特征點(diǎn)進(jìn)行比較，計算其中誤差值。此次檢測共選取房角、道路交叉點(diǎn)等30個平面檢查點(diǎn)，50個高程檢測點(diǎn)（平地點(diǎn)28個，山地點(diǎn)22個），檢測點(diǎn)均勻分布在測圖區(qū)域。經(jīng)過對數(shù)字線劃圖平面和高程精度進(jìn)行統(tǒng)計分析，可以滿足項(xiàng)目1∶1000比例尺地形圖的測圖要求，見表1。

表1 精度統(tǒng)計表

4.結(jié)語

結(jié)合涉縣茅嶺底水庫工程測量項(xiàng)目，探討利用多旋翼無人機(jī)航測技術(shù)，在山區(qū)水庫建設(shè)中利用三維模型和數(shù)字線劃圖的可行性。項(xiàng)目采用無人機(jī)航飛結(jié)合傾斜攝影測量技術(shù)的作業(yè)方式，不僅為工程提供了直觀清晰的三維實(shí)景模型，而且提高了地形圖的生產(chǎn)效率，降低了外業(yè)測量的勞動強(qiáng)度。在相同的人力條件下，地形圖的生產(chǎn)時間由傳統(tǒng)測量方式所需的2個月減少到十幾天。經(jīng)過項(xiàng)目的實(shí)際驗(yàn)證，多旋翼無人機(jī)結(jié)合傾斜攝影測量技術(shù)，能夠達(dá)到山區(qū)裸露地表的1∶1000比例尺地形圖的測量要求，滿足水庫初步設(shè)計需求，但對于植被覆蓋密集且面積較大的區(qū)域，該技術(shù)存在較大的局限性，需要其他測量技術(shù)進(jìn)行輔助進(jìn)行。□

2022-12-22

張順迎，男，漢族，河北省水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，工程師。