水利工程中的無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)運(yùn)用

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摘要：近年我國(guó)民用無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，并在工程地形測(cè)量、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)村土地確權(quán)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。將無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到水利工程中，充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)操作方便、測(cè)量數(shù)據(jù)精確、信息實(shí)時(shí)反饋等優(yōu)勢(shì)，為水利工程建設(shè)、管理等工作開展提供參考。首先介紹無(wú)人機(jī)航測(cè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，隨后重點(diǎn)分析水利工程測(cè)量中無(wú)人機(jī)航測(cè)的操作流程與技術(shù)要點(diǎn)，最后就導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差的常見因素和處理對(duì)策進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；水利工程；測(cè)量技術(shù)

水利工程測(cè)量中，主要采用人工實(shí)地測(cè)量和衛(wèi)星遙感測(cè)量?jī)煞N模式，雖然也可以為工程建設(shè)與管理運(yùn)行提供必要的數(shù)據(jù)參考，但是存在明顯的弊端，例如人工測(cè)量的效率低、誤差大，RS測(cè)量的成本較高等。我國(guó)民用無(wú)人機(jī)的研究與開發(fā)雖然起步較晚但發(fā)展迅速，2018年我國(guó)民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到150億元，僅次于美國(guó)。在無(wú)人機(jī)應(yīng)用中，航空攝像測(cè)量是一個(gè)重要領(lǐng)域，但是由于水利工程規(guī)模大小、所在位置、測(cè)量精度等具體內(nèi)容不同，對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)的操作技術(shù)也提出了較高要求，探究無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的操作流程和應(yīng)用要點(diǎn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

一是操作靈活，測(cè)量方便。無(wú)人機(jī)體積小、重量輕，可以搭載微型高清攝像機(jī)，人為操控對(duì)特定的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，操作十分靈活方便。在飛行模式上，可以垂直升降，不需要專門場(chǎng)地，或是彈射架等輔助設(shè)備。根據(jù)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)反饋的航測(cè)影像，如果技術(shù)人員對(duì)航測(cè)結(jié)果不滿意，還可以操作無(wú)人機(jī)對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行多角度反復(fù)航測(cè)，直到獲取滿意影像資料或數(shù)據(jù)信息為止。另外，由于無(wú)人機(jī)小巧輕便，能耗較低，續(xù)航能力較強(qiáng)，目前一些主流無(wú)人機(jī)，續(xù)航能力通常在30min以上。二是環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。很多水利工程位于山區(qū)等環(huán)境復(fù)雜地帶，或是地形比較復(fù)雜、危險(xiǎn)，人工測(cè)量可能會(huì)面臨較多安全隱患。而無(wú)人機(jī)航測(cè)則具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，根據(jù)地面站系統(tǒng)提前規(guī)劃好飛行線路，以躲避高大樹木或建筑物，安全完成航測(cè)任務(wù)。三是數(shù)據(jù)精確，反饋速度快。在水利工程測(cè)量中，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果和影像資料的精確度有較高要求，無(wú)人機(jī)搭載的高清數(shù)碼相機(jī)，可以獲取1:2500～1：1000之間的大比例、高精度影像資料，完全能夠滿足一般水利工程的建設(shè)、管理需要。另外，短距離無(wú)人機(jī)航測(cè)，還可以在攝影測(cè)量的同時(shí)，及時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)、影像資料，通過(guò)無(wú)線通訊模塊反饋給地面站，地面站接收信號(hào)后，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，幾乎是同步導(dǎo)出結(jié)果，為技術(shù)人員了解水利工程所在地區(qū)的地質(zhì)信息提供了參考。

2.無(wú)人機(jī)航空攝像測(cè)量技術(shù)在水

利工程測(cè)量中的應(yīng)用一是布置外業(yè)像控點(diǎn)。確定水利工程所在位置和測(cè)量區(qū)域后，進(jìn)行航線規(guī)劃。確定若干處需要重點(diǎn)測(cè)量的外業(yè)像控點(diǎn)，作為本次航測(cè)的重點(diǎn)對(duì)象。將這些像控點(diǎn)按照一定順序連接起來(lái)，形成無(wú)人機(jī)的航線。盡量減少重復(fù)路線，可以節(jié)約航測(cè)時(shí)間，保證無(wú)人機(jī)在續(xù)航時(shí)間內(nèi)完成航測(cè)任務(wù)。同時(shí)，還要注意做好飛行高度、轉(zhuǎn)彎半徑、拍攝角度等具體要素的設(shè)計(jì)，以保證無(wú)人機(jī)能夠獲取更加清晰的影像資料。二是航空攝影。在完成航測(cè)前的設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備工作后，選擇晴朗、無(wú)風(fēng)的天氣進(jìn)行航空攝影測(cè)量，可以減小測(cè)量誤差。航測(cè)時(shí)，為了盡可能全面地獲取水利工程地形地質(zhì)信息，可以將航向重疊度調(diào)整為50%，后期數(shù)據(jù)處理時(shí)，再將重疊部分刪除，可以保證最終測(cè)量結(jié)果的完整性。無(wú)人機(jī)飛行測(cè)量過(guò)程中，以系統(tǒng)預(yù)設(shè)參數(shù)為基準(zhǔn)，按照既定航線完成測(cè)量，同時(shí)也可以根據(jù)需要，人為調(diào)節(jié)飛行參數(shù)。例如某無(wú)人機(jī)搭載了索尼A7RII型號(hào)的定焦單反相機(jī)，結(jié)合該相機(jī)參數(shù)，若想保證成圖精度達(dá)到1：1200，要求無(wú)人機(jī)行高控制在300～350m之間。如果工作人員若要獲得局部位置更加精確的影像資料，就需要人為調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行高度。三是立體測(cè)圖。將航測(cè)所得數(shù)據(jù)及影像資料統(tǒng)一收集，并將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入VirtuoZo平臺(tái)，像對(duì)定向元素直接由加密成果導(dǎo)入測(cè)圖工作站，數(shù)據(jù)采集以成圖模型為單位進(jìn)行，每一幅圖存放一個(gè)文件，文件名與圖幅編號(hào)一致，擴(kuò)展名為xyz，然后經(jīng)轉(zhuǎn)換程序直接轉(zhuǎn)成dwg數(shù)據(jù)。四是外業(yè)高層采集。水工建筑物調(diào)查測(cè)量：對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)淤地壩、溢流壩壩頂高程、淤積面高程即臨水坡腳高程進(jìn)行調(diào)查測(cè)量，對(duì)抽水泵站管徑及位置進(jìn)行調(diào)查測(cè)量。地形圖調(diào)繪：依據(jù)拼接影像，結(jié)合測(cè)量范圍進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪，主要調(diào)繪測(cè)區(qū)內(nèi)村莊名稱、房屋屬性、通訊線、電力線、道路材質(zhì)、交通橋等地物。調(diào)繪過(guò)程中，根據(jù)需要采用GPS-RTK方法實(shí)測(cè)部分管線設(shè)施。五是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。影像糾偏：鏡頭正中間畸變最小，越到邊緣畸變?cè)酱?，結(jié)合相機(jī)檢校報(bào)告，采用專業(yè)軟件，對(duì)所采集像片進(jìn)行糾偏和格式轉(zhuǎn)換?？杖用埽焊黝惪杖用苘浖褂貌襟E大同小異，基本是按照“新建工程-導(dǎo)入數(shù)據(jù)-生成航帶-處理影像-提取同名點(diǎn)-刺點(diǎn)測(cè)量-平差解算-精度評(píng)估-建立模型”這幾個(gè)步驟進(jìn)行。數(shù)據(jù)生產(chǎn)：使用專業(yè)軟件生成DEM、DOM等數(shù)據(jù)，借助立體眼鏡、手輪腳盤，使用航天遠(yuǎn)景、適普、JX4等線畫圖采集軟件，由專業(yè)采集人員完成線畫圖采集工作。六是精度評(píng)估。經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)，還需根據(jù)水利工程測(cè)量要求，檢驗(yàn)其精度是否達(dá)到要求。評(píng)估形式分為兩種，其一是模型精度評(píng)估，將所得內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)，帶入帶空三模型，對(duì)比實(shí)際測(cè)得檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)，與空三模型中檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)是否相符。如果存在差異，誤差是否在允許范圍內(nèi)。一般而言，模型精度誤差在0.5m以內(nèi)，都屬正常范圍，但是如果誤差過(guò)大，則不得使用。其二是成果精度評(píng)估，以1:1200成圖精度為基準(zhǔn)線，采用人工抽檢方式，將達(dá)不到該精度的數(shù)據(jù)篩選出來(lái)。

3.無(wú)人機(jī)航空攝像測(cè)量精度影響因素及處理

一是傳感器誤差及處理。為保證無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)及影像資料的實(shí)時(shí)傳輸，通常需要在無(wú)人機(jī)上搭載無(wú)線傳輸模塊。但是考慮到無(wú)人機(jī)載重小，以及為了延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，只能安裝簡(jiǎn)易的傳感模塊，通信傳輸效果相比于常規(guī)設(shè)備會(huì)有一定的削弱。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，容易產(chǎn)生一定的誤差，影像資料發(fā)生畸變的情況時(shí)有發(fā)生。針對(duì)此類問(wèn)題，一種措施是選擇最新的通訊裝置，雖然成本較高，但可以兼顧小體積和高精度；另一種措施是增加無(wú)人機(jī)內(nèi)置存儲(chǔ)模塊容量，將采集到的影像資料暫存于存儲(chǔ)設(shè)備，待無(wú)人機(jī)航測(cè)任務(wù)結(jié)束后，將影像資料直接導(dǎo)出。這樣不經(jīng)過(guò)傳感器的壓縮處理，也可以保證影像資料的精度。二是無(wú)人機(jī)平臺(tái)因素及處理。無(wú)人機(jī)在航測(cè)過(guò)程中，因?yàn)槭艿斤L(fēng)力作用，拍攝時(shí)發(fā)生較為嚴(yán)重的抖動(dòng)，因?yàn)轱w行偏離既定航線，或是拍攝角度不理想，而導(dǎo)致最終獲得影像資料模糊不清，分辨率達(dá)不到使用要求。針對(duì)這種情況，措施之一是選擇無(wú)風(fēng)、晴朗天氣開展航測(cè)工作，避免外界因素對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)產(chǎn)生影響。措施之二是采用智能導(dǎo)航與人工操控相結(jié)合的模式，輔助無(wú)人機(jī)飛行，以便獲取更加準(zhǔn)確的影像資料。措施之三是安裝機(jī)載POS和GPS定位，輔助空三測(cè)量，也能夠達(dá)到提高數(shù)據(jù)精度的目的。

4.無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的日益成熟，在航空攝影測(cè)量方面將會(huì)發(fā)揮更加顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。另外，無(wú)論是水利工程測(cè)量，還是地籍測(cè)繪、災(zāi)后救援等活動(dòng)，對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)結(jié)果的精度、信息反饋的時(shí)效，都提出了更高要求，這也迫使無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)不斷創(chuàng)新和提高。未來(lái)主流發(fā)展趨勢(shì)主要有兩個(gè)方面：其一是智能化程度進(jìn)一步提升，例如現(xiàn)階段航測(cè)中仍存在較多無(wú)效數(shù)據(jù)，或是影像資料重疊度高、模糊影像多。隨著無(wú)人機(jī)智能化程度進(jìn)一步提升，可以自動(dòng)進(jìn)行曝光補(bǔ)償、調(diào)整拍攝角度等，獲取更加清晰的影像資料。其二是無(wú)人機(jī)及其搭載設(shè)備（通訊模塊、攝影設(shè)備等）的微型化，以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的航行時(shí)間，完成更多的航測(cè)任務(wù)，適用于更大規(guī)模的水利工程。

5.結(jié)語(yǔ)

在水利工程建設(shè)、管理中，地形地質(zhì)測(cè)量十分重要，通過(guò)及時(shí)提供精準(zhǔn)的測(cè)量信息，可以為各項(xiàng)工作開展提供參考與支持。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的成熟，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量在這一領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用。水利技術(shù)人員要熟練掌握無(wú)人機(jī)航測(cè)的操作要點(diǎn)和應(yīng)用流程，采取措施減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的參考價(jià)值，支持水利建設(shè)、管理工作。

作者：卡米力江·阿布力米提 單位：新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局