水利工程中的無人機航空攝影測量技術(shù)運用

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摘要：近年我國民用無人機技術(shù)發(fā)展迅速，并在工程地形測量、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、農(nóng)村土地確權(quán)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。將無人機航空攝影測量技術(shù)應(yīng)用到水利工程中，充分發(fā)揮無人機操作方便、測量數(shù)據(jù)精確、信息實時反饋等優(yōu)勢，為水利工程建設(shè)、管理等工作開展提供參考。首先介紹無人機航測的技術(shù)優(yōu)勢，隨后重點分析水利工程測量中無人機航測的操作流程與技術(shù)要點，最后就導致測量結(jié)果誤差的常見因素和處理對策進行簡要總結(jié)。

關(guān)鍵詞：無人機；水利工程；測量技術(shù)

水利工程測量中，主要采用人工實地測量和衛(wèi)星遙感測量兩種模式，雖然也可以為工程建設(shè)與管理運行提供必要的數(shù)據(jù)參考，但是存在明顯的弊端，例如人工測量的效率低、誤差大，RS測量的成本較高等。我國民用無人機的研究與開發(fā)雖然起步較晚但發(fā)展迅速，2018年我國民用無人機市場規(guī)模達到150億元，僅次于美國。在無人機應(yīng)用中，航空攝像測量是一個重要領(lǐng)域，但是由于水利工程規(guī)模大小、所在位置、測量精度等具體內(nèi)容不同，對無人機航測的操作技術(shù)也提出了較高要求，探究無人機航測技術(shù)的操作流程和應(yīng)用要點，具有重要的現(xiàn)實意義。

1.無人機航空攝影測量的技術(shù)優(yōu)勢

一是操作靈活，測量方便。無人機體積小、重量輕，可以搭載微型高清攝像機，人為操控對特定的目標區(qū)域進行測量，操作十分靈活方便。在飛行模式上，可以垂直升降，不需要專門場地，或是彈射架等輔助設(shè)備。根據(jù)無人機實時反饋的航測影像，如果技術(shù)人員對航測結(jié)果不滿意，還可以操作無人機對局部區(qū)域進行多角度反復(fù)航測，直到獲取滿意影像資料或數(shù)據(jù)信息為止。另外，由于無人機小巧輕便，能耗較低，續(xù)航能力較強，目前一些主流無人機，續(xù)航能力通常在30min以上。二是環(huán)境適應(yīng)能力強。很多水利工程位于山區(qū)等環(huán)境復(fù)雜地帶，或是地形比較復(fù)雜、危險，人工測量可能會面臨較多安全隱患。而無人機航測則具有較強的適應(yīng)能力，根據(jù)地面站系統(tǒng)提前規(guī)劃好飛行線路，以躲避高大樹木或建筑物，安全完成航測任務(wù)。三是數(shù)據(jù)精確，反饋速度快。在水利工程測量中，對數(shù)據(jù)結(jié)果和影像資料的精確度有較高要求，無人機搭載的高清數(shù)碼相機，可以獲取1:2500～1：1000之間的大比例、高精度影像資料，完全能夠滿足一般水利工程的建設(shè)、管理需要。另外，短距離無人機航測，還可以在攝影測量的同時，及時將測量數(shù)據(jù)、影像資料，通過無線通訊模塊反饋給地面站，地面站接收信號后，利用計算機進行處理，幾乎是同步導出結(jié)果，為技術(shù)人員了解水利工程所在地區(qū)的地質(zhì)信息提供了參考。

2.無人機航空攝像測量技術(shù)在水

利工程測量中的應(yīng)用一是布置外業(yè)像控點。確定水利工程所在位置和測量區(qū)域后，進行航線規(guī)劃。確定若干處需要重點測量的外業(yè)像控點，作為本次航測的重點對象。將這些像控點按照一定順序連接起來，形成無人機的航線。盡量減少重復(fù)路線，可以節(jié)約航測時間，保證無人機在續(xù)航時間內(nèi)完成航測任務(wù)。同時，還要注意做好飛行高度、轉(zhuǎn)彎半徑、拍攝角度等具體要素的設(shè)計，以保證無人機能夠獲取更加清晰的影像資料。二是航空攝影。在完成航測前的設(shè)計與準備工作后，選擇晴朗、無風的天氣進行航空攝影測量，可以減小測量誤差。航測時，為了盡可能全面地獲取水利工程地形地質(zhì)信息，可以將航向重疊度調(diào)整為50%，后期數(shù)據(jù)處理時，再將重疊部分刪除，可以保證最終測量結(jié)果的完整性。無人機飛行測量過程中，以系統(tǒng)預(yù)設(shè)參數(shù)為基準，按照既定航線完成測量，同時也可以根據(jù)需要，人為調(diào)節(jié)飛行參數(shù)。例如某無人機搭載了索尼A7RII型號的定焦單反相機，結(jié)合該相機參數(shù)，若想保證成圖精度達到1：1200，要求無人機行高控制在300～350m之間。如果工作人員若要獲得局部位置更加精確的影像資料，就需要人為調(diào)整無人機飛行高度。三是立體測圖。將航測所得數(shù)據(jù)及影像資料統(tǒng)一收集，并將這些數(shù)據(jù)導入VirtuoZo平臺，像對定向元素直接由加密成果導入測圖工作站，數(shù)據(jù)采集以成圖模型為單位進行，每一幅圖存放一個文件，文件名與圖幅編號一致，擴展名為xyz，然后經(jīng)轉(zhuǎn)換程序直接轉(zhuǎn)成dwg數(shù)據(jù)。四是外業(yè)高層采集。水工建筑物調(diào)查測量：對測區(qū)內(nèi)淤地壩、溢流壩壩頂高程、淤積面高程即臨水坡腳高程進行調(diào)查測量，對抽水泵站管徑及位置進行調(diào)查測量。地形圖調(diào)繪：依據(jù)拼接影像，結(jié)合測量范圍進行實地調(diào)繪，主要調(diào)繪測區(qū)內(nèi)村莊名稱、房屋屬性、通訊線、電力線、道路材質(zhì)、交通橋等地物。調(diào)繪過程中，根據(jù)需要采用GPS-RTK方法實測部分管線設(shè)施。五是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。影像糾偏：鏡頭正中間畸變最小，越到邊緣畸變越大，結(jié)合相機檢校報告，采用專業(yè)軟件，對所采集像片進行糾偏和格式轉(zhuǎn)換。空三加密：各類空三加密軟件使用步驟大同小異，基本是按照“新建工程-導入數(shù)據(jù)-生成航帶-處理影像-提取同名點-刺點測量-平差解算-精度評估-建立模型”這幾個步驟進行。數(shù)據(jù)生產(chǎn)：使用專業(yè)軟件生成DEM、DOM等數(shù)據(jù)，借助立體眼鏡、手輪腳盤，使用航天遠景、適普、JX4等線畫圖采集軟件，由專業(yè)采集人員完成線畫圖采集工作。六是精度評估。經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)，還需根據(jù)水利工程測量要求，檢驗其精度是否達到要求。評估形式分為兩種，其一是模型精度評估，將所得內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)，帶入帶空三模型，對比實際測得檢查點的三維坐標，與空三模型中檢查點的三維坐標是否相符。如果存在差異，誤差是否在允許范圍內(nèi)。一般而言，模型精度誤差在0.5m以內(nèi)，都屬正常范圍，但是如果誤差過大，則不得使用。其二是成果精度評估，以1:1200成圖精度為基準線，采用人工抽檢方式，將達不到該精度的數(shù)據(jù)篩選出來。

3.無人機航空攝像測量精度影響因素及處理

一是傳感器誤差及處理。為保證無人機航測數(shù)據(jù)及影像資料的實時傳輸，通常需要在無人機上搭載無線傳輸模塊。但是考慮到無人機載重小，以及為了延長續(xù)航時間，只能安裝簡易的傳感模塊，通信傳輸效果相比于常規(guī)設(shè)備會有一定的削弱。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，容易產(chǎn)生一定的誤差，影像資料發(fā)生畸變的情況時有發(fā)生。針對此類問題，一種措施是選擇最新的通訊裝置，雖然成本較高，但可以兼顧小體積和高精度；另一種措施是增加無人機內(nèi)置存儲模塊容量，將采集到的影像資料暫存于存儲設(shè)備，待無人機航測任務(wù)結(jié)束后，將影像資料直接導出。這樣不經(jīng)過傳感器的壓縮處理，也可以保證影像資料的精度。二是無人機平臺因素及處理。無人機在航測過程中，因為受到風力作用，拍攝時發(fā)生較為嚴重的抖動，因為飛行偏離既定航線，或是拍攝角度不理想，而導致最終獲得影像資料模糊不清，分辨率達不到使用要求。針對這種情況，措施之一是選擇無風、晴朗天氣開展航測工作，避免外界因素對無人機航測作業(yè)產(chǎn)生影響。措施之二是采用智能導航與人工操控相結(jié)合的模式，輔助無人機飛行，以便獲取更加準確的影像資料。措施之三是安裝機載POS和GPS定位，輔助空三測量，也能夠達到提高數(shù)據(jù)精度的目的。

4.無人機航空攝影測量技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著無人機技術(shù)的日益成熟，在航空攝影測量方面將會發(fā)揮更加顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。另外，無論是水利工程測量，還是地籍測繪、災(zāi)后救援等活動，對無人機航測結(jié)果的精度、信息反饋的時效，都提出了更高要求，這也迫使無人機航測技術(shù)不斷創(chuàng)新和提高。未來主流發(fā)展趨勢主要有兩個方面：其一是智能化程度進一步提升，例如現(xiàn)階段航測中仍存在較多無效數(shù)據(jù)，或是影像資料重疊度高、模糊影像多。隨著無人機智能化程度進一步提升，可以自動進行曝光補償、調(diào)整拍攝角度等，獲取更加清晰的影像資料。其二是無人機及其搭載設(shè)備（通訊模塊、攝影設(shè)備等）的微型化，以實現(xiàn)更長的航行時間，完成更多的航測任務(wù)，適用于更大規(guī)模的水利工程。

5.結(jié)語

在水利工程建設(shè)、管理中，地形地質(zhì)測量十分重要，通過及時提供精準的測量信息，可以為各項工作開展提供參考與支持。隨著無人機技術(shù)的成熟，無人機航空攝影測量在這一領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用。水利技術(shù)人員要熟練掌握無人機航測的操作要點和應(yīng)用流程，采取措施減小測量誤差，提高測量數(shù)據(jù)的參考價值，支持水利建設(shè)、管理工作。

作者：卡米力江·阿布力米提 單位：新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局