無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在西營(yíng)水庫(kù)清淤中的應(yīng)用

□ 司江民

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

0.前言

無人機(jī)航測(cè)是傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，具有機(jī)動(dòng)靈活、快速高效、精細(xì)準(zhǔn)確、成本低廉、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，在小區(qū)域、人工測(cè)量困難地區(qū)（如潮濕的庫(kù)區(qū)）快速獲取高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，無人機(jī)航拍可廣泛應(yīng)用于國(guó)家重大工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急與處理、國(guó)土監(jiān)察、資源開發(fā)、新農(nóng)村和小城鎮(zhèn)建設(shè)等方面。

水庫(kù)清淤前需要準(zhǔn)確得到水下地形圖來計(jì)算清淤量，通過水庫(kù)剛建成所測(cè)繪的大比例尺地形三維數(shù)據(jù)和清淤前所測(cè)繪的地形三維數(shù)據(jù)采用特定的算法求出所要清理的泥沙方量。傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量表現(xiàn)出測(cè)量工期長(zhǎng)、投資高、技術(shù)難度大、精度低、危險(xiǎn)性大等缺點(diǎn)。通過采用低空無人機(jī)攝影技術(shù)來完成水庫(kù)水下地形圖的測(cè)繪并利用高分辨率DEM計(jì)算清淤量，顯著提高測(cè)繪效益。

1.庫(kù)區(qū)無人機(jī)攝影測(cè)量

在泥濘庫(kù)區(qū)采用無人機(jī)低空攝影測(cè)量，快速獲取庫(kù)底地形基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，為制作庫(kù)區(qū)正射影像圖、數(shù)字地面模型或基于影像的數(shù)字線劃地形圖提供最簡(jiǎn)捷、最可靠、最直觀的數(shù)據(jù)，為計(jì)算土方量提供曲面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)量大、成果現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)、精度高。無人機(jī)具有靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)、受地形氣候的影響較小，大大地減少了野外測(cè)量的工作，既提高了工作效率又保障了人員的安全。

2.實(shí)例應(yīng)用

根據(jù)西營(yíng)河水利管理處的委托，甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司承擔(dān)了甘肅省武威市西營(yíng)水庫(kù)水下地形圖的測(cè)繪以及清淤量的計(jì)算工作。按照1∶500地形圖的技術(shù)要求，該院航測(cè)室對(duì)庫(kù)區(qū)水下地形圖進(jìn)行了無人機(jī)航空攝影測(cè)量。

2.1 測(cè)區(qū)概況

西營(yíng)水庫(kù)位于甘肅省武威市西南大約40km的西營(yíng)河四溝咀，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電的中型水庫(kù)，總庫(kù)容2.35×107m3。

2.2 技術(shù)依據(jù)

GB/T6962-20051∶5001∶20001∶2000地形圖航空攝影規(guī)范。

GB/T14950-2009攝影測(cè)量與遙感術(shù)語(yǔ)。

CH/Z3004-2010低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范。

CH/T3006-2011數(shù)字航空攝影測(cè)量控制測(cè)量規(guī)范。

2.3 航測(cè)儀及航拍參數(shù)選擇

本次航拍采用的無人機(jī)為飛馬F1000，相機(jī)為索尼α5100數(shù)碼相機(jī)，傳感器尺寸APS-C 23.5mm×15.6mm，有效像素2430萬(wàn)。本次航攝焦距20.43mm，相對(duì)高度562m，航向重疊75%，旁向重疊65%，航片分辨率0.05m。

2.4 航拍作業(yè)流程

具體航拍作業(yè)流程見圖1。

圖1 航拍作業(yè)流程

2.5 航線及像控點(diǎn)的布設(shè)方法

本測(cè)區(qū)總共布設(shè)了12條航帶，由于受到風(fēng)向的影響，航線方向平行于庫(kù)區(qū)縱向。像控點(diǎn)布設(shè)在航向及旁向6片或5片重疊范圍內(nèi)，所布設(shè)的像控點(diǎn)盡量能公用，點(diǎn)位距像片邊緣大于150像素?？刂泣c(diǎn)平面精度對(duì)基礎(chǔ)控制點(diǎn)平面位置中誤差不超過地物點(diǎn)位置中誤差的0.2倍，高程不超過基本等高距的1/10，通過換算可知控制點(diǎn)平高精度為±0.1m。由于庫(kù)區(qū)是泥濘環(huán)境，不宜布設(shè)像控點(diǎn)，因此像控點(diǎn)布設(shè)在水庫(kù)岸邊及兩邊的公路旁，總共布設(shè)了18個(gè)像控點(diǎn)。

2.6 空中三角測(cè)量

是根據(jù)少量的野外控制點(diǎn)進(jìn)行立體攝影測(cè)量，在室內(nèi)進(jìn)行控制點(diǎn)加密，求得加密點(diǎn)的精確的平面和高程位置的測(cè)量方法。其主要目的是為缺少野外控制點(diǎn)的攝影區(qū)域測(cè)圖提供絕對(duì)定向的控制點(diǎn)（加密點(diǎn)）。本次內(nèi)業(yè)加密采用的軟件為PIX4Dmapper。整個(gè)加密過程采用該匹配軟件進(jìn)行，自動(dòng)化程度高，并且精度可靠。通過PIX4Dmapper軟件自動(dòng)空三解算原始影像外方位元素。利用PIX4UAV的技術(shù)和區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)，自動(dòng)校準(zhǔn)影像。軟件自動(dòng)生成精度報(bào)告，可以快速和正確地評(píng)估結(jié)果的質(zhì)量。提供了詳細(xì)的、定量化的自動(dòng)空三、區(qū)域網(wǎng)平差和地面控制點(diǎn)的精度。

軟件操作流程為:

圖2 數(shù)字表面模型

2.7 內(nèi)業(yè)測(cè)圖及成果檢查

內(nèi)業(yè)測(cè)圖的基本流程為：資料準(zhǔn)備、像對(duì)定向、立體測(cè)圖、外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測(cè)、圖形編輯與接邊、質(zhì)量檢查等步驟。

2.8 利用DEM計(jì)算土方量實(shí)例分析

工程土方量的計(jì)算方法通常有斷面法、方格網(wǎng)法、等高線法、DEM法等。本次工程得到了格網(wǎng)的DEM,數(shù)據(jù)量龐大，構(gòu)建的模型更加貼合實(shí)際地形，因此選擇DEM法計(jì)算土方量則精度更高，成果更據(jù)可靠性。

（1）原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（原始影像、POS數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)數(shù)據(jù)）。

（2）建立工程并導(dǎo)入數(shù)據(jù)（工程存放文件夾及工程名為數(shù)字或者字母，不可用漢字）。

（3）快速處理檢查（生成快速檢查質(zhì)量報(bào)告，主要包括檢查影像重疊度、彎曲度、傾斜是否滿足要求，是否有漏片現(xiàn)象、相機(jī)信息是否正確）。

（4）加入控制點(diǎn)（選擇合適的坐標(biāo)系統(tǒng)并進(jìn)行像片控制點(diǎn)轉(zhuǎn)刺，刺點(diǎn)精度滿足規(guī)范要求）。

（5）全自動(dòng)處理（數(shù)字表面模型如圖2所示、數(shù)字正射影像如圖3所示）。

（6）質(zhì)量報(bào)告分析

圖3 數(shù)字正射影像

此次我們?cè)趲?kù)區(qū)DEM中選取200m×200m的范圍，設(shè)計(jì)高程值2020m，用于計(jì)算該區(qū)域的土方量。首先在ArcGIS中選取土方量計(jì)算區(qū)域，再使用土方計(jì)算功能，得到目標(biāo)區(qū)域的土方量。通過分析我們發(fā)現(xiàn)，該土地平整工程的范圍約為40000m2，目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的所有點(diǎn)高程均大于設(shè)計(jì)高程2020m，需要挖方152833.54m3。

3.結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)無人機(jī)低空航空攝影測(cè)量技術(shù)在水下地形圖的測(cè)繪以及后期利用高分辨率DEM計(jì)算土方量的研究，無人機(jī)測(cè)量技術(shù)在快速獲得高分辨率DEM及正射影像方面突顯出很大的優(yōu)勢(shì)。相比較傳統(tǒng)測(cè)量方式，在庫(kù)區(qū)采用無人機(jī)測(cè)量技術(shù)，外業(yè)工作量銳減，縮短了工期，既節(jié)省了成本，又保障了人員安全，大大提高了工作效率。同時(shí)，利用高分辨率DEM計(jì)算土方量，其計(jì)算精度較傳統(tǒng)的斷面法、等高線法更高、更可靠，比傳統(tǒng)的方格網(wǎng)法數(shù)據(jù)量更豐富，成果更具真實(shí)性。

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