無人機(jī)測(cè)量技術(shù)在大伙房水庫(kù)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃紅日

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110006)

1 概 況

大伙房水庫(kù)輸水工程是遼寧省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、沿海經(jīng)濟(jì)帶開發(fā)、老工業(yè)基地產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級(jí)改造的重大區(qū)域性水資源配置工程。二期工程分兩步實(shí)施，先期建設(shè)一步工程，由于各市用水量急劇增加，原一步工程不能滿足各市用水需要，因此急需建設(shè)二步工程以滿足各市用水需求。

二步工程全部管道線路長(zhǎng)度為235km，管線從隧洞出口處撫順西配水站起始至營(yíng)盤配水站，再?gòu)臓I(yíng)盤配水站分出二條管線分別至營(yíng)口分水口及盤錦分水口。擬建輸水管線基本上與已建管線平行分布。文章以大伙房水庫(kù)輸水(二期)二步工程中營(yíng)盤配水站～營(yíng)口分支管道末端的輸水管道工程為例。

2 技術(shù)路線

文章基于傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量技術(shù)，通過無人機(jī)航空攝影的方法獲取影像數(shù)據(jù)，根據(jù)輸水線路走向及飛馬無人機(jī)的航帶布設(shè)軟件布設(shè)航線，對(duì)項(xiàng)目測(cè)量區(qū)域野外踏勘，選擇適合無人機(jī)起飛和降落的場(chǎng)地。通過飛馬管家軟件進(jìn)行航線布設(shè)后導(dǎo)入到奧維地圖軟件中進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)，然后進(jìn)行像控點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集工作。飛馬無人機(jī)數(shù)據(jù)采集完成后，采用飛馬無人機(jī)管家軟件進(jìn)行融合解算和影像預(yù)處理，工程創(chuàng)建、質(zhì)檢，生成數(shù)字表面模型、正射影像，采用EPS2016全息測(cè)繪軟件基于三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、地形圖編輯等生產(chǎn)線劃圖，利用RTK采集的檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)線劃圖進(jìn)行精度評(píng)定，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性，為輸水管線可行性研究工作提供正射影像、數(shù)字表面模型、數(shù)字線劃圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1-2]。作業(yè)技術(shù)流程見圖1。

圖1 作業(yè)技術(shù)流程圖

3 DLG生產(chǎn)

結(jié)合本段輸水管線的實(shí)際走向，采用飛馬V100無人機(jī)進(jìn)行影像采集，飛馬V100無人機(jī)平臺(tái)參數(shù)見表1。

表1 飛馬V100無人機(jī)技術(shù)參數(shù)表

3.1 資料準(zhǔn)備

在本項(xiàng)目外業(yè)航飛開始前，對(duì)航拍區(qū)域的資料進(jìn)行收集，包括測(cè)區(qū)的高等級(jí)控制點(diǎn)成果、測(cè)區(qū)的高分辨率衛(wèi)星影像圖、測(cè)區(qū)的1∶5萬地形圖等。根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)要求和測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，制定本項(xiàng)目無人機(jī)航攝技術(shù)方案并在項(xiàng)目人員進(jìn)場(chǎng)前申請(qǐng)好空域，確定好無人機(jī)飛行高度、航攝的航向重疊度和旁向重疊度，根據(jù)本項(xiàng)目的技術(shù)要求設(shè)置好地面分辨率等[3-4]。

3.2 航線設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目輸水管線長(zhǎng)度為31km，帶寬200m。根據(jù)任務(wù)區(qū)域的衛(wèi)星影像圖，結(jié)合輸水線路走向及飛馬無人機(jī)的航帶布設(shè)軟件設(shè)計(jì)航線。布設(shè)航線時(shí)，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，保障飛行區(qū)域?qū)λ铚y(cè)量區(qū)域全覆蓋。為便于區(qū)域網(wǎng)的接邊檢查，區(qū)域網(wǎng)之間至少在航線方向有一個(gè)像對(duì)的重疊。本項(xiàng)目航線規(guī)劃采用帶狀航線規(guī)劃，帶狀航線規(guī)劃可提高帶狀工程外業(yè)航飛工作效率，減少不必要的影像重疊，減少無人機(jī)航拍的照片數(shù)量，提高內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理效率。帶狀航線規(guī)劃時(shí)添加無人機(jī)的拐彎輔助點(diǎn)，使拐彎處的航向及旁向重疊度滿足空三處理的精度要求。

3.3 像控點(diǎn)測(cè)量

按照作業(yè)范圍劃分區(qū)域網(wǎng)，采用全野外布點(diǎn)方案布設(shè)無人機(jī)航攝外業(yè)像控點(diǎn)。通過測(cè)區(qū)附近的控制測(cè)量成果，采用網(wǎng)絡(luò)RTK方法采集像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，作業(yè)前在已知控制點(diǎn)上進(jìn)行檢校。每一區(qū)塊均勻選刺平高檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)按照每個(gè)區(qū)域網(wǎng)內(nèi)不少于5個(gè)點(diǎn)布設(shè)，均勻分布于區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部。檢查點(diǎn)與平高像控點(diǎn)均采用全野外測(cè)定，但是不參與平高區(qū)域網(wǎng)平差，作為內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)量測(cè)，由軟件解算其內(nèi)業(yè)坐標(biāo)，用于檢查空三加密成果的可靠性。大伙房水庫(kù)輸水(二期)二步工程中營(yíng)盤配水站～營(yíng)口分支管道末端的輸水管道長(zhǎng)度為31km，測(cè)區(qū)帶寬200m。本項(xiàng)目共布設(shè)37個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)間距平均1.5km2。像控點(diǎn)優(yōu)先選擇在易于判別、特征明顯、與周圍地物顏色反差大、盡可能為永久地物并易于影像上精確定位刺點(diǎn)的特征點(diǎn)，如水泥路或?yàn)r青路交叉口、道路轉(zhuǎn)向指示箭頭、斑馬線交角等。在無法選擇特征點(diǎn)時(shí)，可以在對(duì)空視角好，地形測(cè)量通視情況良好的平坦地面上或公路上設(shè)置 “L”型像控點(diǎn)[5]。像控點(diǎn)均勻覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，滿足內(nèi)業(yè)空三處理的精度要求。像控點(diǎn)采集按照10次平滑，進(jìn)行三次采集，每一次數(shù)據(jù)采集都需倒置儀器，使儀器進(jìn)行信號(hào)重置，對(duì)三次采集的成果求平均值，降低像控點(diǎn)的測(cè)量誤差。

3.4 影像采集

根據(jù)本項(xiàng)目的技術(shù)要求，對(duì)影像數(shù)據(jù)采集采用的地面分辨率為5cm。根據(jù)飛行計(jì)劃，檢查飛機(jī)地面站的參數(shù)設(shè)置，確認(rèn)飛機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置無誤后，按照飛行計(jì)劃進(jìn)行外業(yè)飛行。本工程項(xiàng)目共進(jìn)行了4個(gè)架次的航飛。每次航飛前都進(jìn)行空域申報(bào)，配備了一名觀察員，以確保無人機(jī)飛行時(shí)的安全性。在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇適合的起降點(diǎn)，起飛前，飛行設(shè)備狀態(tài)正常，無人機(jī)基站pos數(shù)據(jù)采集時(shí)為固定解狀態(tài)。滿足起飛要求后，嚴(yán)格按照航飛流程作業(yè)。飛行時(shí)，檢查無人機(jī)的飛行條件，所在測(cè)區(qū)風(fēng)向穩(wěn)定，風(fēng)速小于4級(jí)，光線充足且無陰影遮擋。無人機(jī)降落后，通過無人機(jī)管家軟件下載飛機(jī)機(jī)身POS數(shù)據(jù)及基站POS數(shù)據(jù)。下載完成后拷貝SONY相機(jī)存儲(chǔ)卡中的無人機(jī)航飛影像，拷貝完成后對(duì)照片進(jìn)行檢查，照片清晰無過亮、過暗、模糊等情況，可提供下道工序處理。

3.5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

采用飛馬無人機(jī)管家軟件進(jìn)行影像數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理的各項(xiàng)要求及精度嚴(yán)格按《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行。在構(gòu)建地表模型前，對(duì)無人機(jī)采集的影像、飛機(jī)POS數(shù)據(jù)與基站數(shù)據(jù)、RTK采集的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)等進(jìn)行整理，檢查無誤后將影像、解算好的POS數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù)等數(shù)據(jù)導(dǎo)入飛馬無人機(jī)管家軟件，對(duì)影像進(jìn)行初始糾正并保存，利用經(jīng)初始糾正的影像進(jìn)行特征點(diǎn)提取及空三計(jì)算，再加入外業(yè)采集的像片控制點(diǎn)，對(duì)已有區(qū)域網(wǎng)模型進(jìn)行約束平差，完成絕對(duì)定向[6]。本項(xiàng)目劃分4個(gè)區(qū)塊進(jìn)行空三加密。利用外業(yè)實(shí)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢查，空中三角測(cè)量精度符合規(guī)范要求，生產(chǎn)數(shù)字地表模型DSM和正射影像圖[7]。將生產(chǎn)的數(shù)字地表模型和正射影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為EPS2016全息測(cè)繪軟件可識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，利用數(shù)字地表模型獲取地物要素的三維信息。由于軟件含有地類地物屬性模塊，可以實(shí)現(xiàn)地類、地物的快速采集，實(shí)時(shí)獲取真實(shí)的地形地貌特征，成圖精度更高。由于EPS2016全息測(cè)繪軟件生成的地形圖為EDB格式，利用EPS軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能輸出DLG線劃圖。對(duì)于在模型上判不清、判不到的地物信息，標(biāo)注調(diào)繪。外業(yè)調(diào)繪完成后對(duì)線劃圖進(jìn)一步完善。

4 應(yīng) 用

4.1 發(fā)現(xiàn)輸水管線征地范圍內(nèi)“亂堆”現(xiàn)象

通過無人機(jī)航空攝影技術(shù)，利用飛馬管家軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理生產(chǎn)正射影像圖，運(yùn)用正射影像可全方位、多角度查看輸水管線占地范圍內(nèi)亂堆垃圾，閥井附近及管線上方亂建情況。通過正射影像，采用ArcGIS軟件將疑似“亂堆、亂建”現(xiàn)象在正射影像上進(jìn)行標(biāo)記，然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡查核定，對(duì)亂堆和亂建進(jìn)行清除，確保輸水管線的正常運(yùn)行。

4.2 獲取沿線的閥井相關(guān)信息

通過無人機(jī)航空攝影測(cè)量獲取的正射影像和地表模型，我們可以準(zhǔn)確確認(rèn)閥井所在位置，為閥井檢修提供便利條件，并且可以觀察到閥井周圍的地勢(shì)起伏，監(jiān)測(cè)是否存在對(duì)閥井完整性存在威脅的不利因素，有助于閥井的長(zhǎng)期有效使用。

5 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)目的順利實(shí)施，是無人機(jī)航空攝影技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)距離輸水管線可行性研究工作的成功嘗試。通過對(duì)飛馬V100無人機(jī)采集影像數(shù)據(jù),利用飛馬管家軟件進(jìn)行空三加密，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理生產(chǎn)數(shù)字地表模型(DSM)和正射影像(DOM)，最終得到數(shù)字線劃圖(DLG)，為輸水管線可行性研究工作提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

無人機(jī)航空攝影技術(shù)生產(chǎn)數(shù)字線劃圖相比傳統(tǒng)的全野外數(shù)字測(cè)圖有著巨大優(yōu)勢(shì)，在相同條件下減少成本而且縮短了工期。提供的成果不僅僅是單一的數(shù)字線劃圖，還有正射影像和數(shù)字地表模型。運(yùn)用正射影像可全方位、多角度查看輸水管線征地范圍內(nèi)亂堆垃圾，閥井附近及管線上方亂建情況，準(zhǔn)確確認(rèn)閥井所在位置，觀察閥井周圍的地勢(shì)起伏，監(jiān)測(cè)是否存在對(duì)閥井完整性存在威脅的不利因素，有助于閥井的長(zhǎng)期有效使用，確保輸水管線的正常運(yùn)行。利用無人機(jī)航空攝影技術(shù)對(duì)于長(zhǎng)距離輸水管線可行性研究工作具有重要意義。