無人機(jī)航測在大型水利工程中的應(yīng)用

吳波濤,馮 琦

(云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，昆明 650021)

無人機(jī)航測在大型水利工程中的應(yīng)用

吳波濤,馮 琦

(云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，昆明 650021)

為提高云南高山地區(qū)航測像控點(diǎn)布設(shè)及施測效率，快速高效完成航測任務(wù)，結(jié)合大型水利工程項(xiàng)目的實(shí)施，采用無人機(jī)航攝技術(shù)對(duì)測區(qū)1∶2 000庫區(qū)、隧洞線、引水線路等復(fù)雜線路進(jìn)行航測，提出在大型水利工程實(shí)施過程中，通過綜合利用、協(xié)調(diào)配合常規(guī)測量與無人機(jī)航測成果的方法，使整個(gè)項(xiàng)目推進(jìn)進(jìn)度達(dá)到同等條件下的效率最大化。同時(shí)，對(duì)實(shí)施過程中出現(xiàn)的一些技術(shù)問題進(jìn)行分析、研究。結(jié)果表明，該方法能使項(xiàng)目實(shí)施效率整體提高。

高山水利；無人機(jī)航攝；像控；復(fù)雜線路；快速高效；技術(shù)分析

1 研究背景

受人口增長、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方式粗放以及氣候變化等因素的影響，云南省大部分地區(qū)面臨工程性缺水、資源性缺水和水質(zhì)性缺水等問題，抗旱、防洪減災(zāi)形勢更加嚴(yán)峻，開發(fā)利用與保護(hù)的關(guān)系更加復(fù)雜，水利的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)十分關(guān)鍵的時(shí)期[1]。嚴(yán)峻的形勢和艱巨的任務(wù)對(duì)水利高新科技的應(yīng)用及研發(fā)提出了更高的要求。江河湖泊整治與水利工程建設(shè)需要從更宏觀層面去整體把握和科學(xué)實(shí)施，也需要對(duì)具體局部環(huán)節(jié)開展技術(shù)創(chuàng)新。

國家大型水利工程，大型水庫建設(shè)范圍廣、地形復(fù)雜、多種建筑物交織。由于其特殊性，常規(guī)大型航測很少應(yīng)用于水庫航測，一直以來基本成為航測領(lǐng)域的一項(xiàng)空白。而傳統(tǒng)人工測量模式存在作業(yè)周期長、人力投入大、成本高等問題，甚至?xí)霈F(xiàn)困難地區(qū)無法施測，無法滿足高難度、快節(jié)奏測量生產(chǎn)的需要。與有人駕駛飛機(jī)測量相比，以無人機(jī)為代表的低空遙感系統(tǒng)可在小區(qū)域范圍內(nèi)低成本、快速獲取高分辨率遙感影像，產(chǎn)品精度滿足大比例尺航空攝影測量精度要求，在使用成本、耗費(fèi)資源、作業(yè)環(huán)境要求等方面，都更有優(yōu)勢。無人機(jī)作為一項(xiàng)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，憑借其自身機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、困難地區(qū)探測的航片獲取技術(shù)，以及精準(zhǔn)的后處理技術(shù)，大大降低了作業(yè)成本和生產(chǎn)周期[2-3]。

面對(duì)云南高山水利建設(shè)面臨的各種新的挑戰(zhàn)，必須提高數(shù)據(jù)快速獲取、分析和共享能力，而低空無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取、應(yīng)用和共享技術(shù)的研發(fā)，將在很大程度上促進(jìn)和滿足此要求，為新時(shí)期云南水利建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)手段[4-5]。

本文以曲靖市車馬碧水庫項(xiàng)目為例，介紹了利用低空無人機(jī)對(duì)測區(qū)內(nèi)灌區(qū)、庫區(qū)、隧洞線及引水線路進(jìn)行航測的具體過程，并對(duì)其精度進(jìn)行探討。航攝過程和結(jié)果按相關(guān)規(guī)范[6]執(zhí)行。

2 飛行平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 無人機(jī)飛行平臺(tái)

本次無人機(jī)飛行采用由中測新圖公司研制的ZC-1型固定翼無人機(jī)。中測系列無人機(jī)航攝系統(tǒng)可開展低空數(shù)字航空攝影，獲取0.05～0.20 m分辨率航空影像，可用于生產(chǎn)1∶500～1∶2 000比例尺標(biāo)準(zhǔn)地形圖產(chǎn)品，包括航空正射影像圖、數(shù)字高程模型和數(shù)字線劃圖等。平臺(tái)主要參數(shù)見表1。

表1 ZC-1無人機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of ZC-1 UAV system

2.2 攝影相機(jī)

本項(xiàng)目無人機(jī)飛行平臺(tái)搭載的相機(jī)型號(hào)為NikonD800，其焦距為35 mm，拍照方式為定點(diǎn)、定焦。

2.3 地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)采用YS09自駕儀配套的地面監(jiān)控軟件，該系統(tǒng)支持航線編輯、航線上傳、POS數(shù)據(jù)下載等功能，在飛行過程中能執(zhí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控半徑達(dá)30 km。

3 無人機(jī)在大型水利工程中的綜合應(yīng)用

3.1 測區(qū)控制點(diǎn)及相控點(diǎn)布設(shè)

由于本項(xiàng)目為國家大型水利工程，在用低空無人機(jī)對(duì)1∶2 000地形圖進(jìn)行生產(chǎn)同時(shí)，還包含了壩址、隧洞等無人機(jī)無法滿足的1∶500地形圖測量，以及放樣、斷面等常規(guī)工作?？紤]到工程實(shí)施各種工作的復(fù)雜性和交織性。決定采用布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)，同時(shí)考慮像控點(diǎn)布設(shè)條件，使控制點(diǎn)點(diǎn)位盡量滿足常規(guī)控制測量的需求，又滿足像控點(diǎn)布設(shè)條件。同時(shí)，在施測控制網(wǎng)時(shí)，用白灰對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充，以控制點(diǎn)為中心，可布設(shè)為L型或+型，使其成為航測像控點(diǎn)。這樣，達(dá)到一次布設(shè)、一次施測，滿足常規(guī)測量應(yīng)用、滿足像控點(diǎn)應(yīng)用等多次、多項(xiàng)應(yīng)用；另外，用測區(qū)高級(jí)控制點(diǎn)成果做像控點(diǎn)，避免了像控點(diǎn)采用常規(guī)導(dǎo)線測量、RTK測量等方法帶來的各種測量誤差，極大提高了像控點(diǎn)施測精度，也極大提高了工程效率。

技術(shù)分析：以往各工作單位操作方法，一般為常規(guī)測量和航攝分開進(jìn)行，常規(guī)作業(yè)組(單位)布設(shè)首級(jí)控制，到航攝組(單位)再在首級(jí)控制基礎(chǔ)上布設(shè)像控。從本項(xiàng)目應(yīng)用情況看，采用統(tǒng)一布設(shè)與分開布設(shè)方法比較，能節(jié)約3/4的時(shí)間，也大量節(jié)約了成本，本方法特別適合復(fù)雜的大型工程項(xiàng)目。

3.2 航線設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.2.1 航線設(shè)計(jì)

由于本次航飛區(qū)域跨度大、引水線路彎曲復(fù)雜，測區(qū)屬于云南特有的喀斯特地貌，多高山地。測區(qū)高差大，最低點(diǎn)高程約1 200 m，最高點(diǎn)高程約2 200 m。為了使航飛能完整覆蓋測區(qū)，避免航飛漏洞，測區(qū)采用分區(qū)設(shè)計(jì)。每個(gè)航攝區(qū)域應(yīng)綜合考慮以下因素：航飛安全、無航攝漏洞、地面分辨率、航向重疊度、旁向重疊度、分區(qū)高差、分區(qū)地物、飛行航程、飛行高度等因素的前提下，將整個(gè)測區(qū)分為以下6個(gè)航攝區(qū)域。

表2 航攝區(qū)域參數(shù)Table 2 Parameters of aerial photogrammetry regions

測區(qū)多為山地，河流較多，航線設(shè)計(jì)應(yīng)考慮光照方向?qū){谷河流兩面山坡陰影的影像，航線方向應(yīng)考慮風(fēng)向、河流方向等因素。

3.2.2 航攝實(shí)施及技術(shù)難點(diǎn)分析

本項(xiàng)目工程跨度大，從馬龍縣到曲靖市，線路長且復(fù)雜，加上測區(qū)多山地，尋找適合的起飛場地十分困難；而測區(qū)的高山，對(duì)地面站無線監(jiān)控設(shè)備距離產(chǎn)生了很大影響。導(dǎo)致了在整個(gè)項(xiàng)目航飛過程中，會(huì)有部分盲飛情況出現(xiàn)。為了減輕盲飛帶來的風(fēng)險(xiǎn)，在航攝實(shí)施前，從航線設(shè)計(jì)到外業(yè)無人機(jī)航飛實(shí)施，每一個(gè)步驟均經(jīng)過反復(fù)細(xì)心檢查，方能實(shí)施。

由于本次飛行季節(jié)為春節(jié)，測區(qū)春節(jié)天氣好，基本為無云天氣，光照從早11:00點(diǎn)至下午17:00為最佳拍攝時(shí)間。但測區(qū)春季風(fēng)大，給航攝起飛降落帶來了困難，同時(shí)飛機(jī)在執(zhí)行航拍任務(wù)時(shí)，由于風(fēng)力的影像，給飛機(jī)穩(wěn)定飛行帶來了困難，從第一架次飛行結(jié)果看，測區(qū)風(fēng)力給航拍質(zhì)量造成了一定干擾：①飛機(jī)拐彎半徑增大，造成每航線頭1—2張照片是在飛機(jī)還未進(jìn)入航線時(shí)就開始拍照；②飛機(jī)在沿航線飛行過程中，飛機(jī)姿態(tài)角有一個(gè)偏離值，右偏5°左右。

由于在每架次航線設(shè)計(jì)時(shí)，飛行參數(shù)設(shè)計(jì)都是在優(yōu)于規(guī)范條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以風(fēng)力造成的第①個(gè)因素對(duì)航攝成果基本無影響。針對(duì)第②項(xiàng)因素，地面站和無人機(jī)機(jī)組人員經(jīng)過多次分析、試驗(yàn)，最終確定其因素為無人機(jī)在生產(chǎn)、組裝時(shí)的誤差，以及螺旋槳的反扭力，使機(jī)身產(chǎn)生了一個(gè)系統(tǒng)化誤差，這個(gè)微小的誤差在無風(fēng)或風(fēng)力小時(shí)，體現(xiàn)不出其對(duì)航拍成果的影像。但如果在風(fēng)大的天氣條件下，其對(duì)航攝質(zhì)量的影響會(huì)成倍增加。針對(duì)此情況，無人機(jī)機(jī)組人員經(jīng)過多方面研究測試，最終在不改變其他任何參數(shù)下僅對(duì)垂直尾翼舵面連桿進(jìn)行反方向細(xì)微調(diào)節(jié)即可解決，且效果明顯。

4 空中三角測量及DLG數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)

空中三角測量是數(shù)據(jù)處理的核心，主要作業(yè)方法為根據(jù) POS 數(shù)據(jù)自動(dòng)建立航帶內(nèi)和航帶間的拓?fù)潢P(guān)系網(wǎng)進(jìn)行全自動(dòng)連接點(diǎn)提取，通過大量平差點(diǎn)和快速平差算法完全剔除粗差點(diǎn)，利用控制點(diǎn)作空中三角測量計(jì)算，獲取精確的外方位元素，生成加密點(diǎn)坐標(biāo)。

本項(xiàng)目基于質(zhì)量和最大效率基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)一考慮和協(xié)調(diào)工作，利用分布于測區(qū)各地方且精度最好的常規(guī)測量成果，對(duì)航攝測量高程數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合修正，使該項(xiàng)目無人機(jī)航測高程精度在山地地形達(dá)到同等條件下最優(yōu)效果。最后利用測區(qū)大量常規(guī)測量成果，分別對(duì)本項(xiàng)目最終航攝數(shù)字成果DLG和未加高程數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合修正前進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果如表3所示。

表3 DLG數(shù)字成果高程中誤差Table 3 Elevation errors of DLG mm

從檢查結(jié)果可以看出，對(duì)于航攝數(shù)字成果高程精度，在未加入任何高程數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合修正前，DLG數(shù)字成果高程中誤差比較大，特別在地形變化起伏大的地方表現(xiàn)最為明顯。但加入外業(yè)常規(guī)測量高程點(diǎn)對(duì)航攝高程進(jìn)行擬合修正后，隨著加入點(diǎn)數(shù)增加，精度不斷提高。

從過程分析來看，加入點(diǎn)數(shù)越多精度越高；加入位置在地形變化大處越多精度越高。另外，從整個(gè)項(xiàng)目綜合出發(fā)，把測區(qū)常規(guī)測量成果應(yīng)用于航攝數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)及檢查，極大減少了航攝數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)及后期檢查過程中所需數(shù)據(jù)的采集、加工、生產(chǎn)，極大節(jié)約了成本，提高了工作效率。

5 結(jié) 語

無人機(jī)航測發(fā)展至今，其理論與相關(guān)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相對(duì)較為成熟，但其在大型水利工程項(xiàng)目，尤其是云南高山大型水庫中還遠(yuǎn)未得到廣泛應(yīng)用。其特有的“靈活、快速、高效”等特點(diǎn)，對(duì)水利工程前期勘測、水庫險(xiǎn)情勘察等應(yīng)用前景極為廣泛，但由于其數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中影響精度的因素較多，使其在大比例數(shù)字測圖中精度始終不夠理想，還待從技術(shù)上和實(shí)施過程中加以改進(jìn)。

本文以曲靖市車馬碧大型水庫項(xiàng)目為實(shí)例，提出了無人機(jī)航測在大型水庫復(fù)雜項(xiàng)目工程中如何與常規(guī)測量成果互相配合應(yīng)用，高效快速完成整個(gè)項(xiàng)目的方法。并對(duì)無人機(jī)在高山水庫測量中出現(xiàn)的部分技術(shù)問題進(jìn)行分析。通過項(xiàng)目應(yīng)用，證明了該方法的實(shí)用性及有效性。

然而，無人機(jī)在云南高山峽谷水利工程中的應(yīng)用有待解決的問題還很多：高差帶來投影差的影響、高山地區(qū)風(fēng)力多變對(duì)無人航攝的影響、高山峽谷地區(qū)植被的影響、高山峽谷地區(qū)光照影響等等。所有問題都有待我們?cè)陂L期項(xiàng)目實(shí)施及應(yīng)用中，不斷總結(jié)與積累、不斷創(chuàng)新與嘗試，才能一步步去發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。

[1] 瞿霜菊,黃 輝,曹正浩.云南省滇中引水工程規(guī)劃研究[J]. 人民長江, 2013, 44(10):80-83.

[2] 呂立蕾, 張衛(wèi)兵, 胡樹林,等. 低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)在長距離輸油(氣)管道1∶2 000帶狀地形圖測繪中的應(yīng)用研究[J]. 測繪通報(bào), 2013，(4):42-45.

[3] 劉玉潔, 崔鐵軍, 郭繼發(fā),等. 無人機(jī)航攝大比例尺測圖的關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 天津師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2014, 34(2):37-40.

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[5] 李 雷，張海濤，李 兵．無人機(jī)影像在大面積1:2000地形圖測繪中的應(yīng)用研究 [B]．測繪通報(bào)，2012，(增): 457-461．

[6] CH/Z 3004—2010，低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范[S]．北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

(編輯：王 慰)

Application of Unmanned Aerial Vehicle toa Large Water Conservancy Project

WU Bo-tao, FENG Qi

(Yunnan Institute of Water & Hydropower Engineering Investigation, Design and Research，Kunming 650021, China)

In the aim of improving the efficiency of a large-scale hydropower construction in the mountain area of Yunnan Province, unmanned aerial vehicle (UAV) was adopted in the aerial photogrammetry survey of reservoir area, tunnel, and diversion route. By integrating and coordinating conventional survey and UAV photogrammetry, the progress of the entire project efficiency under the same condition is maximized. Moreover, some technical problems during the implementation are analyzed. Results indicate that UAV photogrammetry could enhance the efficiency of the entire project.

water conservancy in mountainous area; UAV photogrammetry; image control; complex routes; rapid and efficient; technical analysis

2016-08-12

吳波濤(1970-)，男，云南呈貢人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程測量工作，(電話) 0871-65190523(電子信箱)wbt5190523@126.com。

10.11988/ckyyb.20160824

2017,34(3):148-150

TV221.1

A

1001-5485(2017)03-0148-03