鄭毅，袁苗

（長(zhǎng)江荊州航道處，湖北 荊州 434000）

在航道部門的日常工作中，航道測(cè)繪是一項(xiàng)十分重要的工作。通過(guò)航道測(cè)繪，可以幫助管理部門及時(shí)的掌握航道條件變化的最新觀測(cè)資料，為研究航道變化、提高航道維護(hù)管理質(zhì)量與水平提供科學(xué)依據(jù)[1]。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)日益發(fā)展，在不同地區(qū)航道業(yè)務(wù)范疇內(nèi)的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越多。新形勢(shì)下航道維護(hù)管理方式的升級(jí)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)航道巡查的可視化，航道測(cè)繪的智能化，為推進(jìn)航道測(cè)繪、航道維護(hù)高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)與航道測(cè)繪

在航道測(cè)量工作中，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，測(cè)繪外業(yè)工作的模式也在不斷優(yōu)化突破，引進(jìn)新設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)就成了當(dāng)前任務(wù)的重中之重，只有更好地學(xué)會(huì)合理搭配運(yùn)用，使測(cè)繪新技術(shù)手段更多的應(yīng)用到實(shí)踐中，才能更好地服務(wù)航道事業(yè)，促進(jìn)航道測(cè)量工作整體效能提升[2]。在航道測(cè)量方面，隨著時(shí)代的的發(fā)展對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)的需求面廣量大、新場(chǎng)景不斷涌現(xiàn)。測(cè)繪工作，從過(guò)去比較單純的“野外作業(yè)+人力操作+繪制二維地形”的“手工活”，轉(zhuǎn)變成為覆蓋“林、草、湖、河、田”、提供實(shí)時(shí)“天上、地面、室內(nèi)、水下”三維數(shù)據(jù)的高科技含量工作。這些變化，帶來(lái)測(cè)繪數(shù)據(jù)采集方式多元化、更新頻率更快、精度更高。高質(zhì)量、低成本、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)[3]。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場(chǎng)景，通過(guò)高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實(shí)效果和測(cè)繪級(jí)精度提供保證。傾斜攝影技術(shù)三維數(shù)據(jù)可真實(shí)反映地物的外觀、位置、高度等屬性，借助無(wú)人機(jī)，可快速采集影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化三維建模，具有成本低、數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確、操作靈活方便的特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)基本情況如圖所示。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)基本情況示意圖

2 航道測(cè)繪中無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

2.1 研究區(qū)域選擇

本次研究的地點(diǎn)選擇湖北省石首市藕池口水道，主要關(guān)注點(diǎn)位堤壩、碼頭等特征點(diǎn)及整治建筑物。該轄區(qū)航道屬于重點(diǎn)淺險(xiǎn)水道，灘涂和石礁較多，且雜草叢生，對(duì)航道測(cè)量和航道整治建筑物觀測(cè)帶來(lái)不便。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的普及和應(yīng)用，該局航道測(cè)繪人員積極探索研究無(wú)人機(jī)測(cè)量，利用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)攜帶的數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字彩色航攝相機(jī)等設(shè)備快速獲取整治建筑物和航道沿岸地形的攝影數(shù)據(jù)，獲取超高分辨率數(shù)字影像和高精度定位數(shù)據(jù)，生成DEM、三維正射影像圖、三維景觀模型、三維地表模型等二維、三維可視化數(shù)據(jù)，方便圖形處理和圖形數(shù)據(jù)比對(duì)。無(wú)人機(jī)航道觀測(cè)技術(shù)是基于航道內(nèi)整治建筑物、航道沿岸地形測(cè)繪的新型技術(shù)，針對(duì)航道內(nèi)整治建筑物易受氣候水位的影響，傳統(tǒng)人工測(cè)量觀測(cè)會(huì)受到環(huán)境因素的影響，無(wú)法到達(dá)需要觀測(cè)的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)收集而研發(fā)的新型航空攝影測(cè)繪的技術(shù)[4]。在本次航道測(cè)繪中，選擇應(yīng)用六旋翼無(wú)人機(jī)掛載傾斜五相機(jī)進(jìn)行大面積傾斜拍攝，使用經(jīng)緯M300 無(wú)人機(jī)對(duì)主要建筑物進(jìn)行高精度補(bǔ)拍。兩架無(wú)人機(jī)均加裝了北斗信號(hào)采集單元，連接當(dāng)?shù)睾Ｊ聹y(cè)繪中心的北斗CORS 網(wǎng)。測(cè)繪結(jié)束進(jìn)行三維建模，并將建模結(jié)果與原始現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析航道測(cè)繪的精度和效果。

2.2 無(wú)人機(jī)準(zhǔn)備及航線規(guī)劃

本次研究中，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，選擇合適的時(shí)間開展飛行試驗(yàn)。試驗(yàn)當(dāng)天天氣陰，氣象條件良好，風(fēng)力2～3 級(jí)，能見度良好，可以滿足無(wú)人機(jī)航攝作業(yè)的需求。所使用的的經(jīng)緯M300 無(wú)人機(jī)最大圖傳距離15 公里，最高時(shí)速為每小時(shí)82 公里。六旋翼無(wú)人機(jī)與經(jīng)緯M300無(wú)人機(jī)航線相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)情況如表1 所示：

表1 無(wú)人機(jī)與經(jīng)緯M300 航線相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3 控制點(diǎn)采集及數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)利用當(dāng)?shù)睾Ｊ聹y(cè)繪中心的北斗CORS 網(wǎng)，共采集了20 個(gè)控制點(diǎn)。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中選擇了3 個(gè)作為控制點(diǎn)，其余點(diǎn)作為檢核點(diǎn)，分布如圖2、3。在對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的時(shí)候，選擇使用pix4D 2.0 軟件。pix4D 2.0 軟件是一款專業(yè)的航空攝影測(cè)量軟件，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)航測(cè)功能，集全自動(dòng)、快速、專業(yè)精度等多功能于一體。該軟件支持無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)，還支持航片、傾斜攝影測(cè)量和近景攝影測(cè)量，擁有自動(dòng)正射影像的功能，可以開展三維建模操作，利用無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù)、航拍、測(cè)量后，可以應(yīng)用該軟件進(jìn)行三維的建模[5]。

圖2 控制點(diǎn)

圖3 檢核點(diǎn)

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

在完成對(duì)所得數(shù)據(jù)的處理之后，將正射以及傾斜影像的自動(dòng)聯(lián)合空中三角測(cè)量，將影像資料通過(guò)軟件處理達(dá)到模型原材料數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)導(dǎo)入pix4D 2.0 軟件之中實(shí)景三維模型，最終可以構(gòu)建出具有真實(shí)感的三維模型。為檢驗(yàn)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的測(cè)繪效果，選擇將其測(cè)繪的精度進(jìn)行分析。在分析中，首先對(duì)模型特征點(diǎn)與17個(gè)CORS 采集點(diǎn)進(jìn)行比較，通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)果的分析可以了解到，相應(yīng)的誤差和最小絕對(duì)誤差以及最大絕對(duì)誤差等均處于相對(duì)較低的狀態(tài)，提示此次研究中所購(gòu)進(jìn)的模型具有較高的準(zhǔn)確度。

之后，將三維模型坐標(biāo)點(diǎn)與原始現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪平面坐標(biāo)圖上18 個(gè)檢查點(diǎn)實(shí)施對(duì)比分析，獲得檢查點(diǎn)的誤差情況，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，三維模型坐標(biāo)點(diǎn)與原地形圖之間在點(diǎn)位精度方面存在一定的差異。綜合分析相關(guān)原因，可能是因?yàn)樵瓐D的精度不高。最終分析可知，此次研究所提出的測(cè)繪方法與構(gòu)建的模型均具有良好的效果。

2.5 結(jié)果分析

在此次試驗(yàn)中，應(yīng)用無(wú)人機(jī)以及傾斜攝影技術(shù)對(duì)一定范圍內(nèi)的航道進(jìn)行數(shù)字化測(cè)繪。對(duì)碼頭三維建模，并與實(shí)地測(cè)繪結(jié)果比較分析，探索無(wú)人機(jī)技術(shù)在航道測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用模式。在試驗(yàn)中，通過(guò)無(wú)人機(jī)測(cè)量，為傳統(tǒng)測(cè)量手段提供了有力的補(bǔ)充?？傮w來(lái)看，本次研究中應(yīng)用的無(wú)人機(jī)航測(cè)航拍具有機(jī)動(dòng)靈活、數(shù)據(jù)采集效率高、作業(yè)成本低等特點(diǎn)，能夠獲取高清晰、大比例尺、高現(xiàn)勢(shì)性的影像資料，可以大幅降低外業(yè)測(cè)量人員勞動(dòng)強(qiáng)度和野外作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)[6]。和傳統(tǒng)測(cè)繪方法相比較，在航道測(cè)繪工作中應(yīng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)以及傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，整體測(cè)繪的速度較快，效率較高，能夠進(jìn)行大比例尺制圖。

3 小結(jié)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作為一種新型三維建模技術(shù)，現(xiàn)階段已經(jīng)成為地理信息采集和三維場(chǎng)景構(gòu)建的重要手段，為航道測(cè)繪與管理三維建模提供了新的技術(shù)方向。通過(guò)本文的分析我們可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于航道測(cè)繪可以獲得理想效果，本次研究也可以為今后無(wú)人機(jī)在航道測(cè)繪等方面的應(yīng)用奠定一定的技術(shù)基礎(chǔ)。