無人機(jī)技術(shù)在潮南區(qū)龜頭海水閘工程中的應(yīng)用

唐雙平

（廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司勘察測繪部，廣州 510610）

1 工程概述

新建龜頭海閘站工程是一宗以擋洪擋潮為主、結(jié)合排澇、通航的綜合水利工程。初擬閘址位于龜頭海支流與練江干流匯入口上游1500m 處，控制集水面積110.88km2。閘址處龜頭海支流主河道寬約235m，河道底高程為-2.0～-3.7m。

本工程為方案規(guī)劃階段，現(xiàn)階段需對擬建水閘工程范圍內(nèi)的河流、田間地形高程及相關(guān)建筑物高程進(jìn)行航拍及測量。航拍的主要任務(wù)是對河道（龜頭海支流、半港河、大寮港北港、大寮港南港、伯公頭港以及新壇港等河道）、片域（擬建閘址附近片區(qū)）、及其他范圍（如沿井田公路、林木分布）進(jìn)行測繪，并對海門灣橋閘、半港水閘、大寮水閘、伯公頭水閘、新壇水閘以及隴田澇區(qū)泵站等建筑物的特征高程進(jìn)行測量。

無人機(jī)航測系統(tǒng)組成復(fù)雜，航測系統(tǒng)在眾多領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用，如土地利用率監(jiān)測、礦產(chǎn)監(jiān)測、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測、海洋資源探測、林木草場監(jiān)測等等[1-3]。本次研究基于龜頭海閘站水利工程的新建，在介紹航測方案的同時(shí)為業(yè)界提供測量經(jīng)驗(yàn)。

2 無人機(jī)航測技術(shù)在水閘新建工程中的應(yīng)用分析

2.1 測量中的應(yīng)用優(yōu)勢

一般情況下，利用無人機(jī)航攝的方法進(jìn)行測量所選定的區(qū)域都是復(fù)雜區(qū)域、無人區(qū)域等地理?xiàng)l件比較復(fù)雜的地區(qū)，對所要求的測量區(qū)域內(nèi)，高度差不能過大。在水利工程中進(jìn)行測量時(shí)，滿足精度的要求下，盡量避免人工測量，因?yàn)槿斯y繪的難度比較大，而且比較危險(xiǎn)。在此情況下，選用無人機(jī)低空航攝就可以有效的解決測繪問題，另一方面，通過高分辨率的攝像頭對地面進(jìn)行拍攝，以影像預(yù)感的方式進(jìn)行地形圖測繪，再對攝像系統(tǒng)搭配以不同的測量設(shè)備，在提高測圖效率的同時(shí)，通過簡單地操作高效的保證了高精度的測量任務(wù)[4-6]。

2.2 無人機(jī)采集影響的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

2.2.1 影像糾偏處理技術(shù)

無人機(jī)在低空航攝所拍到的照片會(huì)受到地面物體高度差及成像的角度差等影響，此時(shí)處于中間位置處的畸變就會(huì)比較小，但在成像的邊緣位置處的局變就會(huì)比較大，從而使得在相片上的每一個(gè)像點(diǎn)的比例都不盡相同。在此情況下，影像糾偏技術(shù)隨之應(yīng)用而生，此技術(shù)是通過對相機(jī)檢測內(nèi)方位元素進(jìn)行計(jì)算，處理變形值，以使得圖像能從中心投影的形式變?yōu)檎队癧7-9]。

2.2.2 空三加密處理技術(shù)

目前應(yīng)用最廣泛的各種空三加密軟件的具體使用方法、步驟是基本差不多的，主要包括新建工程、導(dǎo)入航攝數(shù)據(jù)、航帶生成、同名點(diǎn)提取、刺點(diǎn)測量及精度評估等操作。

2.2.3 DLG生產(chǎn)技術(shù)

數(shù)字化生產(chǎn)作為攝影測量的最終呈現(xiàn)結(jié)果，往往使用比較專業(yè)的制作軟件進(jìn)行DEM、DOM 等數(shù)據(jù)生成。基于數(shù)據(jù)處理軟件的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對三維模型點(diǎn)進(jìn)行捕捉，同時(shí)生產(chǎn)DLG。

2.3 水利工程測量的外業(yè)調(diào)查測繪技術(shù)

2.3.1 建筑物測量

水利工程中采用無人機(jī)低空航攝的方式進(jìn)行測量，由于測量精度受到限制，因此需要對工程實(shí)際中一些測量不周的主要區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充測量，使其滿足工程測量的基本要求。往往需要對水庫壩頂高程、平面橋梁高程、水位高程及臨水位高程等等。

2.3.2 地形圖調(diào)繪

地形圖的繪制只要是結(jié)合專業(yè)的繪圖軟件對測量區(qū)域進(jìn)行實(shí)地測繪，次部分中的工作主要是對測量區(qū)域內(nèi)的建筑特性、通信協(xié)議線路、電力線路布局、交通設(shè)施等工程進(jìn)行確定，在調(diào)繪的同時(shí)結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)對管線設(shè)施也展開測量工作[10-11]。

2.4 低空航攝應(yīng)用優(yōu)化措施

低空航攝技術(shù)在水利工程中獲得了較好的應(yīng)用效果，但如若想在此領(lǐng)域內(nèi)繼續(xù)提高，還應(yīng)繼續(xù)深入鉆研測量技術(shù)?？梢酝ㄟ^學(xué)習(xí)國外無人機(jī)技術(shù)的先進(jìn)成果，以加強(qiáng)水利工程方面的應(yīng)用能力。同時(shí)應(yīng)擴(kuò)充團(tuán)隊(duì)的專業(yè)水平，加強(qiáng)技術(shù)人員的技能培訓(xùn)、安全操作培訓(xùn)及意外事故應(yīng)急培訓(xùn)等，最大程度上保證無人機(jī)的航測準(zhǔn)確性。

3 作業(yè)方案

本文以無人機(jī)航攝技術(shù)在潮南區(qū)龜頭海水閘新建工程中的應(yīng)用為例，本次航測系統(tǒng)主要實(shí)施了7 個(gè)架次的航攝工作，航攝平面控制主要布置四級GPS 網(wǎng)絡(luò)，一共埋設(shè)了4×6 個(gè)GPS 標(biāo)設(shè)點(diǎn)位，相近的不同航線之間跨設(shè)8～12 條基線。

本工程中主要應(yīng)用GPS-RTK 進(jìn)行控點(diǎn)布置，信度為99.9%。在HEMS ≤0.02m，VRMS ≤0.02m時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，最終采用測量均值作為記錄結(jié)果。航攝主要采用7 個(gè)架次的無人機(jī)同時(shí)進(jìn)行，航攝儀選用Canon SD.M，其對地面的分辨為17cm，航攝內(nèi)采用空三加密的Inphor Vituozo NT3.5 對地面地形要素進(jìn)行采集，采集到主要數(shù)據(jù)點(diǎn)用CASS9.1 地形成圖軟件編輯。

4 實(shí)施概述

以本次新建的潮南區(qū)龜頭海水閘工程為實(shí)施背景，對航攝所得到的結(jié)果及空三測量等數(shù)據(jù)展開分析。

4.1 低空攝影測量

本次航攝采用七架Camon EOS 5D Mark I 航攝儀，累計(jì)總航線為36，相片底張3383 張，航測的結(jié)果統(tǒng)計(jì)，如表1 所示：

表1 航測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由上表測量結(jié)果可知，航攝圖片的傾角＜4.5°，且旋偏角＜150°，在實(shí)際航行過程中，相同航線的不同航次高程差控制在30m 之內(nèi)，顯示航線偏距≤1cm。根據(jù)上述結(jié)果可以觀察到，航攝質(zhì)量是符合國家航測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的。

4.2 “空三”測量

該流程主要是基于Inpho 軟件，利用JPG 格式的像控片和標(biāo)記說明，并搭配XLS 格式的成果表格，再適配Virtu 的數(shù)攝技術(shù)對測量結(jié)果進(jìn)行加密。由于該工程的工期較緊張，為了最大程度的趕制工期，在進(jìn)行數(shù)據(jù)加密時(shí)采用獨(dú)立加密的方式，對航攝的不同區(qū)域內(nèi)進(jìn)行獨(dú)立出圖，大大提升了作業(yè)的效率。采用7 個(gè)架次的航線進(jìn)行分區(qū)加密。

4.2.1 加密點(diǎn)量測和解算

加密點(diǎn)盡量布置在6°航帶節(jié)點(diǎn)上，將模型連接差降至最低，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度檢測，在缺少的點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)。由于航攝比例均為1:23000，所以對加密所使用的人工切準(zhǔn)精度問題需進(jìn)行第二檢驗(yàn)人的合適檢查，通過此流程來提高切準(zhǔn)可靠性。

4.2.2 平差解算

運(yùn)用Inpho 系統(tǒng)自帶的平差軟件進(jìn)行計(jì)算。將區(qū)域網(wǎng)平差化，通過剔除粗差、迭代處理、人工編輯等步驟以提高精確程度。

4.2.3 質(zhì)量控制

加密過程關(guān)鍵是針對性的進(jìn)行質(zhì)量控制，檢查大概內(nèi)容包括：航片畸變糾正、信息文件的設(shè)置、相機(jī)文件的設(shè)置等。

4.2.4 質(zhì)量檢查

表2 列出了本次航攝中的精度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由此數(shù)據(jù)表可以得到：平面位置最大差值、最小差值分別為為0.313m、0.066m，高程差最大值、最小值分別為0.162m、0.035m，通過上述數(shù)據(jù)可看出，此模型連接的精度比較高，是滿足該項(xiàng)目的規(guī)范要求的。本項(xiàng)目空三加密精度統(tǒng)計(jì)見表3。

表2 連接較差統(tǒng)計(jì)

表3 空三加密精度統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過上述結(jié)果的匯總統(tǒng)計(jì)，加密成果是符合規(guī)范要求的，由此可見成圖的精度是比較高的，這也完全滿足其工程上的需要。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，本工程無人機(jī)低空航攝的測量系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中完全可靠。

5 DOM 成果質(zhì)量檢查

5.1 像控點(diǎn)檢查

潮南區(qū)龜頭海水閘新建工程中利用RTK 在整個(gè)需要測控的區(qū)域內(nèi)布置了118 個(gè)厘米級的控制像點(diǎn)，并對DOM 進(jìn)行影像糾正，此過程采用了90 個(gè)像控點(diǎn)進(jìn)行，其余的28 個(gè)地面像控點(diǎn)對影像的糾正采用DOM 進(jìn)行檢查，像控點(diǎn)的誤差mD=±0.037m。

標(biāo)準(zhǔn)文件中要求比例尺為1:1000 的DOM 像控點(diǎn)中誤差應(yīng)為0.1mm（實(shí)地誤差0.1m）。由上表的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，誤差僅為0.037m，該值遠(yuǎn)小于中誤差的一半，由此可見本次工程中像控點(diǎn)的精度比較高，觀測到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信。

5.2 DOM 地物點(diǎn)檢查

在確定完像控點(diǎn)的精度后，本工程中也利用了RTK 對整個(gè)測區(qū)內(nèi)的28 個(gè)隨機(jī)地物點(diǎn)和DOM 圖上的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果的詳細(xì)數(shù)據(jù)見上表，根據(jù)5.1 節(jié)中的誤差計(jì)算公式可得：mD=0.157m。標(biāo)準(zhǔn)要求比例尺為1:1000 的DOM 點(diǎn)位誤差為圖上的0.6mm（實(shí)地誤差0.6m），由上述可知，像控點(diǎn)的中誤差僅為0.157m，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)中誤差。由此可見，本次項(xiàng)目中的DOM 平面位置精度比較高，DOM 的結(jié)果數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

5.3 飛行質(zhì)量檢查

對本工程主要對航攝的飛行質(zhì)量進(jìn)行檢查分析，質(zhì)檢的工作人員對最后的航攝儀及航攝比例進(jìn)行正確的選擇，使航攝分區(qū)合理，航攝路線正確可行。盡量保證航攝的時(shí)間短，對旁向重疊度、相片傾斜角、行高持續(xù)時(shí)間、航漏補(bǔ)攝、飛行記錄等等進(jìn)行規(guī)范性質(zhì)量檢查。

5.4 影像質(zhì)量檢查

質(zhì)檢人員首先對航攝結(jié)果所得的所有影像進(jìn)行仔細(xì)的分析，給出的評價(jià)是：整體航攝的影像比較豐富，色彩的反差始終，不存在陰影和云影，也沒有大面積的反光和污點(diǎn)，影像見得拼接處理得當(dāng)，不存在模糊錯(cuò)位現(xiàn)象，質(zhì)量整體較高，符合標(biāo)準(zhǔn)文件規(guī)定。

其中，DOM 的制作關(guān)鍵因素在于正攝像圖的制作。像控精度是DOM 制作精度的首要保證，所以對像控點(diǎn)位置的選擇便尤為重要。DEM 是DOM的基礎(chǔ)，DEM 的精度也是十分關(guān)鍵的，其與像控點(diǎn)的位置、采集精度和刺點(diǎn)精度等都有密不可分的關(guān)系，此外還與航攝姿態(tài)、重疊度、航旋角及曝光瞬間等因素密切關(guān)聯(lián)。

6 結(jié)語

本研究以無人機(jī)在潮南區(qū)龜頭海水閘新建工程中的應(yīng)用情況為背景，首先對工程的情況做簡要概述，在此背景下從影像糾偏處理技術(shù)、空三加密處理技術(shù)、DLG 生產(chǎn)技術(shù)等入手，分析無人機(jī)航測技術(shù)在水閘新建工程中的具體應(yīng)用，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際實(shí)施過程總結(jié)出航攝優(yōu)化措施。

根據(jù)實(shí)際案例條件出具具體的作業(yè)方案，按照方案進(jìn)行航攝，對空三加密精度、模型計(jì)算誤差等結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，尤其需要注意像控點(diǎn)的布設(shè)形式，為最大程度減小接邊誤差，盡量采用Inpho 進(jìn)行自動(dòng)化處理，采用人機(jī)結(jié)合的方式進(jìn)行結(jié)果處理，最后對DOM 成果進(jìn)行質(zhì)量檢查，得出整個(gè)航攝結(jié)果是符合國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的。