天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)在水利工程測繪中的應(yīng)用

嚴(yán)慧敏，王 飛

(安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院勘測分院，安徽 蚌埠 233000)

?

測繪4.0：拓普康索佳應(yīng)用方案專欄

天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)在水利工程測繪中的應(yīng)用

嚴(yán)慧敏，王 飛

(安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院勘測分院，安徽 蚌埠 233000)

無人機(jī)航測技術(shù)作為一項(xiàng)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，具有適用地形廣泛、成本低、快速高效、機(jī)動靈活等優(yōu)勢。隨著國家在水利建設(shè)方面投入的增加，傳統(tǒng)的全站儀、GPS RTK實(shí)地測量方式在效率上已不能滿足水利工程建設(shè)的要求。本文利用天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)對水利工程項(xiàng)目進(jìn)行航測，并與傳統(tǒng)測量方式進(jìn)行比較，通過分析航測精度和作業(yè)效率，對天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)在水利工程測繪中的優(yōu)勢進(jìn)行了探討研究。

水利工程；天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)；精度與效率評價(jià)

現(xiàn)階段全站儀或GPS RTK實(shí)地測量在效率上不能滿足新形勢下水利工程測繪工作的要求[1]。因此，應(yīng)在合理制定測量工作計(jì)劃的基礎(chǔ)上，積極嘗試新的測量技術(shù)和方式，提高測繪工作效率，保證水利建設(shè)工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行。無人機(jī)航測是傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有力補(bǔ)充，具有機(jī)動靈活、高效快捷、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、時(shí)效性好的優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于國家重大工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急與處理、國土監(jiān)測、資源開發(fā)等方面[2]。

1 天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)

天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)主要由無人機(jī)飛行平臺、遙感傳感器系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、GPS實(shí)時(shí)動態(tài)差分定位系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)組成。地面部分包括航線設(shè)計(jì)系統(tǒng)、無人機(jī)地面控制子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)通信顯示子系統(tǒng)(如圖1、圖2所示)，飛行平臺為手拋式,適宜飛行高度為59～750 m，地面分辨率為1.6～20 cm，抗風(fēng)能力平均風(fēng)速為50 km/h，適合溫度為-20℃～45℃，最大續(xù)航時(shí)間為55 min，巡航速度為65 km/h。

圖1 天狼星無人機(jī)

2 項(xiàng)目概況及數(shù)據(jù)處理流程

京杭運(yùn)河微山二線船閘位于山東省微山縣城北邊京杭運(yùn)河與二級壩交匯處，是京杭運(yùn)河上的重要交通要道。隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，船舶通過量持續(xù)快速增長，二線船閘的通過能力和實(shí)際運(yùn)量的矛盾日益突出，原有的船閘已不能滿足通航能力，為改善京杭運(yùn)河濟(jì)寧段的運(yùn)輸條件，計(jì)劃在二線船閘附近新建一座三線船閘。擬建三線船閘閘址位于原有的二線船閘與南水北調(diào)東線工程微山湖二級壩輸水渠之間。測量范圍東至S348與S104道路交匯處，西至二級壩一號節(jié)制閘東側(cè)，南至二級壩沿航道向下游4 km，北至二級壩沿航道向上游3.5 km，測量總面積為11.1 km2。測區(qū)交通較為方便，但測區(qū)范圍內(nèi)陸上部分植被覆蓋嚴(yán)重，主要植被為楊樹和桃樹，地形以臺田為主，現(xiàn)有的二線船閘西邊緊靠張白莊村，村莊邊有運(yùn)煤碼頭；二級壩上游湖區(qū)屬微山湖濕地，主要是蘆葦及蓮藕等水生植被，下游湖區(qū)有部分采煤塌陷區(qū)且布滿漁網(wǎng)，同時(shí)航道內(nèi)來往船只頻繁，測量難度為中等。

圖2 地面站

2.1 技術(shù)路線

(1) 地形圖測量比例尺為1∶2000，采用的平面系統(tǒng)為1980西安坐標(biāo)系，高斯正形投影，3°分帶，中央子午線117°，高程系統(tǒng)為1985國家高程基準(zhǔn)，基本等高距為0.5 m。根據(jù)水利測區(qū)、形狀及成圖比例尺1∶2000的要求，航攝分辨率設(shè)置為10 cm，航向重疊度設(shè)置為60%～70%,旁向重疊度設(shè)置為65%。根據(jù)《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影規(guī)范》(GB/T 6962—2005)，像片傾角≤2°,像片旋角≤6°,航線彎曲度≤3%。

(2) 飛行計(jì)劃設(shè)置：此次飛行區(qū)域約9.12 km2，利用天狼星航測系統(tǒng)桌面軟件制定測區(qū)飛行計(jì)劃。該軟件可根據(jù)飛行區(qū)域自動計(jì)算分割飛行計(jì)劃，選擇最短路徑，由軟件自動對飛行計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)提高飛行效率、減少基站遷站次數(shù)的原則，對飛行計(jì)劃進(jìn)行人工調(diào)整。測區(qū)高程基準(zhǔn)為1985國家高程基準(zhǔn)，測區(qū)內(nèi)最高約39.7 m，最低約23.5 m，地面采樣距離容許差小于30%。測區(qū)最終劃分為6個(gè)飛行架次，飛行高度約380 m，飛行總時(shí)間為2 h 42 min(如圖3所示)。

圖3 飛行區(qū)域與飛行航線設(shè)計(jì)

2.2 數(shù)據(jù)后處理

(1) 免相控?cái)?shù)據(jù)預(yù)處理：天狼星無人機(jī)在飛行過程中采集相片的同時(shí)進(jìn)行RTK測量,每一張相片的位置信息都具有RTK固定解的精度，通過整合精密測時(shí)和高精度定位技術(shù),使得天狼星在空中即可完成傳統(tǒng)的地面控制，數(shù)據(jù)匹配結(jié)束只需選擇坐標(biāo)系統(tǒng)，輸入基準(zhǔn)站控制點(diǎn)坐標(biāo)即可。

(2) 后處理軟件采用俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的3D掃描軟件Agisoft PhotoScan。這是一款基于影像自動生成高質(zhì)量三維模型的軟件，它根據(jù)多視圖三維重建技術(shù)，可對任意照片進(jìn)行處理，小到考古擺件，大到大量航片數(shù)據(jù)處理，軟件僅通過導(dǎo)入具有一定重疊度的數(shù)碼影像，便可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的正射影像生成及三維模型重建。整個(gè)工作流程，無論是影像定向還是三維模型重建，都可完全實(shí)現(xiàn)自動化(如圖4所示)。通過PhotoScan軟件對微山湖航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成DOM和DEM產(chǎn)品(如圖5、圖6所示)。

圖4 數(shù)據(jù)處理技術(shù)路線

圖5 數(shù)字正射影像圖(DOM)

圖6 數(shù)字高程模型(DEM)

3 精度分析

選取一個(gè)飛行架次的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析。檢核點(diǎn)通過現(xiàn)場RTK實(shí)測獲得，在GPS信號正常、固定解狀態(tài)下進(jìn)行測量。檢核點(diǎn)均勻分布于整個(gè)飛行架次，對每個(gè)檢核點(diǎn)測量兩次，保證檢驗(yàn)點(diǎn)精度，精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

地形圖測量主要精度指標(biāo)見表2。

高程注記點(diǎn)相對于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)大于相應(yīng)比例尺地形圖基本等高距的1/3，困難地區(qū)可放寬0.5倍。根據(jù)《1∶500 1∶1000 1∶2000外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程》(GB/T 14912—2005)，校核結(jié)果的平面中誤差和高程中誤差均滿足精度要求。

表2 平面位置中誤差限差 m

4 效率分析

本次航測工作因受大風(fēng)天氣影響，3 d完成航測任務(wù)，4 d完成內(nèi)業(yè)工作，每天航測任務(wù)完成后即可將航測數(shù)據(jù)提交至內(nèi)業(yè)進(jìn)行處理，內(nèi)外業(yè)可同步進(jìn)行。而經(jīng)核算，兩個(gè)小組采用傳統(tǒng)RTK測圖方法進(jìn)行測圖需要7 d才可完工，因航測過程中受大風(fēng)、降雨等天氣影響，不能工作的情況是不可避免的，因此本次計(jì)算并未扣除因大風(fēng)導(dǎo)致航測延期完成的時(shí)間。經(jīng)計(jì)算，本次無人機(jī)航測時(shí)間節(jié)約率為28.6%(見表3)。

表3 時(shí)間效率分析

與傳統(tǒng)測圖方法相比，利用天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)進(jìn)行航測，不僅可以提高工作效率，縮短工期，還能夠大大減輕外業(yè)工作量，外業(yè)工作人員僅需要對內(nèi)業(yè)成果進(jìn)行調(diào)繪即可完成整個(gè)測圖工作。當(dāng)水利工程項(xiàng)目測圖范圍較大時(shí)，上述時(shí)間節(jié)約率還可進(jìn)一步提高。

5 結(jié) 語

天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)具有起降靈活、自動化程度高、安全性好、數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地應(yīng)用于水利工程測繪行業(yè)。本文通過實(shí)際水利工程項(xiàng)目，對天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)的測量精度和工作效率進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。經(jīng)驗(yàn)證，天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)產(chǎn)品精度滿足水利工程測繪精度要求，提高了測繪工作效率，大大減輕了外業(yè)工作人員工作量。未來，隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)突破電池電量和信號發(fā)射范圍的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、長航時(shí)航拍時(shí)，將能更好地為水利工程測繪服務(wù)，也將具有更廣泛的應(yīng)用空間。

[1] 李德偉. 無人機(jī)航測成圖在水利水電工程中的應(yīng)用[J]. 城市建設(shè)理論建設(shè)研究(電子版), 2013(16).

[2] 余江河. 無人機(jī)航測技術(shù)在應(yīng)急測繪中的應(yīng)用研究[J]. 地球, 2015(5)：255.

[3] 張雪萍，劉英. 無人機(jī)在大比例尺DOM生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].測繪標(biāo)準(zhǔn)化，2011,27(4):25-27.