无人机航测在亭口水库1∶500地形测量中的应用

焦　旺，刘　凯

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院测绘分院,西安　710002；2.西安市勘察测绘院，西安　710048)



无人机航测在亭口水库1∶500地形测量中的应用

焦旺1，刘凯2

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院测绘分院,西安710002；2.西安市勘察测绘院，西安710048)

摘要：根据无人机航测技术的特点，布设野外地标点和检核点，通过无人机外业航摄及内业中联合使用Pix4DMapper、CASS和ArcGIS等软件，使最终地形图的平面和高程精度达到了1∶500地形图的要求，为无人机在复杂的水库地形测量中的应用提供了一套完整的解决方案。

关键词：无人机；Pix4DMapper；CASS；点云数据；地形图

0前言

无人机是无人驾驶飞机的简称，是利用无线电遥控设备和自备程序控制装置操纵的不载人飞机[1-2]。无人机航测是以无人驾驶飞机作为空中平台，使用高分辨率数码相机为载荷获取低空高分辨率实地照片，使用计算机及相关软件对图像信息进行处理，并按照一定的精度要求获取所需测绘产品的技术方法[3-4]。近年来，随着技术和设备的不断成熟完善，无人机航测以其结构简单、操作简便、反应快速、易于转场、使用成本低、安全系数高、多元化多角度镜头、获取影像分辨率高等优势[5-8]，在与技术成熟但成本高昂、程序繁琐的传统航空摄影测量以及费时费力的全站仪、GPS-RTK等全野外数字测量方法的竞争中，得到了越来越广泛的应用。

1工程项目及设备

亭口水库工程位于陕西省咸阳市长武县亭口镇泾河一级支流黑河下游。水库大坝为均质土坝，最大坝高49 m，总库容2.47亿m3，年平均供水量7 180万m3。工程静态总投资24.80亿元，于2011年11月开工建设，规划建设工期4 a。

本次任务为1∶500地形图补测。补测区域属水库配套工程区，位于距离水库大坝约2 km的一条支沟内，长约750 m，宽约200 m，面积约0.18 km2，高程介于900.00～955.00 m之间。该支沟系失陷性黄土长期受雨水冲刷形成，地形复杂、支离破碎，沟侧北坡植被以灌木为主，南坡以疏林为主，沟底自上游到下游形成一条宽约15～20 m的平缓地带，杂草藤蔓丛生，人工施测难度较大。于是项目组决定使用无人机航测进行此次补测。

针对航测任务使用P700型无人机系统，搭载相机为SONYα7R数码相机。内业数据处理软件为Pix4DMapper，它是由瑞士Pix4D公司开发的一款集全自动、快速、专业精度为一体的无人机数据和航空影像处理软件。只需简单操作，即可将数千张影像快速制作成专业的、精确的二维地图和三维模型[9]。

2外业航摄及内业计算

2.1外业航摄

2.1.1规划任务

任务规划在无人机系统自带软件Avian-P上进行。考虑到以P700型无人机的航摄效率，在一个架次内拍完目标区域仍有极大富余，项目组划定了一块以补测区域为中心，长2 160 m，宽475 m的更大的区域进行航摄，即兼顾与原有实测数据接边问题。根据规范要求，像片航向重叠度宜为60%～80%，旁向重叠度宜为15%～60%，测制1∶500地形图时像片地面分辨率(GSD)应≤5 cm[10]。经过优化调整，最终确定的航摄方案概况为：共飞行一个架次,规划航线4条，蛇形路线飞行，相对航高350 m，最小GSD为4.9 cm，航向重叠77%，旁向重叠56%，固定3 s拍摄一张，总飞行时间预计为30 min。

2.1.2控制点及检核点的布设与实测

测区内没有明显地物，但已有高等级控制，在航摄前人工制作地面控制点及检核点并进行观测，具体实施步骤为：在航摄任务规划完成后，利用Google Earth在航摄区域内布设了9个地面控制点及4个用于检验测图平面精度的检核点，并获取其经纬度。使用手持GPS实地放样控制点及检核点点位，就近选择合适位置，制作地面标志。标志点坐标和高程的测量，使用华测X900型GNSS接收机进行RTK测量，每点测量2次，取2次测量平均值作为其最终结果。在测制上述标志点的同时，项目组还在测区内随机分散采集了60个地形点用于检验成图的高程精度。

2.1.3选取起降场地及起降时段

作业前，首先在Google Earth上选取若干可以作为无人机起降的地点：测区东北500 m及测区东南1 300 m处分别有山顶平地，面积均符合要求。实地考察发现，东南处预选址虽然距测区较远，但更为开阔，且范围内无信号塔、高压线塔等障碍，故选定此处为无人机起降场地。作业当天，当地天气晴朗，能见度较高，微风，飞行选取了一天中太阳高度角最大的正午进行。

2.1.4起飞前检查及准备

起飞前检查、准备工作主要有无人机、弹射系统及地面导控站的组装，相机测光，联机调试，上传飞行任务等。一切检查无误后，把无人机固定在弹射架上，择机起飞。开启地面控制站，根据导控站高程、测区最低高程和任务规划时确定的相对航高确定最终的相对航高。

2.1.5航摄及数据检查

按照预定任务进行航摄。收回飞机后，下载飞行记录数据和照片，分别打开照片放大到100%，观察是否清晰锐利，色彩饱和；打开Pix4DMapper软件，使用快速检测得到快速检测报告，查看航摄有无空洞和扭曲，航向重叠和旁向重叠是否足够。如上述步骤满足要求则数据合格。

2.2内业计算

使用Pix4DMapper软件进行内业计算，大致流程为：新建工程→加入影像和对应的POS数据→设置影像坐标系和相机参数→生成初步处理报告→加入地面控制点并设置地面控制点坐标系和输出坐标系→加刺像控点→生成高精度处理报告、空三加密后的数字地面模型、三维点云数据和数字正射影像图。图1为加刺像控点后,经过高精度处理生成的计算报告。该报告表明数据质量合格，可以进一步的处理计算。

3地形图的制作

航测内业成图目前成熟的做法是利用空三加密成果构建立体模型，由经过严格训练的专业技术人员在数字摄影测量工作站上使用手轮脚盘鼠标等外接设备手动进行采集和编辑。由于编辑量过大，无人机航片片幅过小等原因，本次测量中项目组尝试了一种新方法。

图1　高精度处理报告图

Pix4Dmapper在对航摄数据进行空三计算时，可以根据需要选择生成具有和输出坐标系一致的可供量测的三维点云数据。该点云数据根据空三成果自动匹配DEM得到，其中每个点都有确定的、满足精度要求的平面坐标和高程值。因此，可以在Pix4Dmapper中利用点云数据进行地形点的采集，以取代传统手轮脚盘采集等高线及打高程点的过程。

图2　点云数据手动采点图

由于测区植被覆盖较多，采点由具备野外测图经验的人员手动进行：按高程逐行采点，每行间隔10 m高差，平缓处采点间距控制在15 m以内，地形变化较大处增加密度(图2)，且此过程中针对地性线进行专门绘制，即将山脊、山谷、坡顶及坡底、陡坎上下等用复合线表示出来。软件导出的数据文件格式不能直接用于南方CASS2008，需经过ArcGIS转换后方能导入。在南方CASS2008中，用高程点建立三角网，并让之前绘制的地性线参与三角网的创建，以确保三角网走向的正确性，然后选取1 m等高距，生成等高线。事实表明，地性线的绘制为后续的等高线修改编辑减少了工作量，且能够绘制出准确逼真的等高线而不至于因高程点采集不合理而造成等高线与实际地形不符的问题。需要指出的是，此方法还应配合使用正射影像图绘制地物，进而合成要素完备的地形图，但因测区内几乎不存在地物，故省略此步骤。最终成果如图3所示。

图3　地形图成果图

4精度评定

4.1平面精度评定

4个检核点中，J1、J4分别位于测区两头，J2、J3位于测区中区两翼。在点云数据中找到4点位置，测量其坐标并记录。将实测坐标和点云采集坐标对应比较，得到的结果见表1。

表1　平面点误差统计表　/m

依据规范，检测点数量少于20时，以误差的算数平均值代替中误差[11]，由此算得点位中误差M=±0.153 m，符合规范对山地1∶500地形图平面位置中误差不大于±0.4 m的要求[10]。

上述平面精度检测方法客观上是存在缺陷的，因为检测点个数过少，得出结果的可靠度并不高。但是由于航测中，平面精度相比于高程精度更容易达到，且在水利水电行业中，高程精度相对于平面精度更加重要，因此，可将平面精度的检查作为参考，而把高程精度的检查作为地形图精度检查的重点。

4.2高程精度评定

(1)

图4　各检测点高程较差范围图

图5　高程较差分布图

5结语

(1) 本文主要尝试了利用点云数据手动采点，由ArcGIS转换后导入CASS系统制作地形图的方法，其优点是，内业人员不必接受手轮脚盘采集的专业训练，只要有外业测图经验，即可快速上手，尤其在地形起伏大、等高线较密集的地区，此方法比传统手动绘线方法便捷高效。

(2) 在无明显地物点进行平面精度检核条件的情况下，尝试了人工制作标志为平面精度的检核提供了检核手段。此方法具有一定的可行性，但操作难度大，成本高，难以达到应有的量级，因此不具备大规模开展的条件，只能对平面精度的评定起到一定的参考作用。

(3) 由高程较差的统计分布图可以看出，高程较差的算术平均值在+0.1 m附近，即内插高程平均值要大于实测高程平均值。这是由于测区植被覆盖度较高，内业采点时部分地形点没有采到地面造成的。这是航测中提高高程精度的一个技术难点，也是制约无人机航测技术发展的瓶颈之一。

(4) 无人机航测快速高效的特点虽然已经成为共识，但由于其程序相对繁琐，在小面积地形测量中，这一优势并未体现出来，但从其所需较低的外业劳动强度和经费等情况来看仍不失为一种不错的解决方案，具有实际的应用价值。

参考文献:

[1]张高明,刘东庆.无人机数字航空摄影技术在水电测绘中的应用探讨[J].水利水电测绘,2012,(1):2-5.

[2]吴佳熠,贾喻慧.无人机航摄在地籍测绘中作业方法研究[J].内蒙古煤炭经济,2015,(03): 21,216.

[3]尚海兴,薛绍军,雷建朝,黄文钰,杨刚.无人机低空摄影测量技术在水电工程测绘的应用[J].西北水电,2015,(04): 26-30.

[4]史华林.无人机航测系统在公路带状地形测量中的应用[J].测绘通报,2014,(6):60-62.

[5]张瑞红.无人机低空摄影在带状河道地形测量中的应用[J].水利水电测绘,2013,(4):23-25.

[6]尚海兴,黄文钰.无人机低空遥感影像的自动拼接技术研究[J].西北水电,2012,(02): 22-26.

[7]毕凯,李英成,丁晓波,等.轻小型无人机航摄技术现状及发展趋势[J].测绘通报,2015,(3):27-31.

[8]洪运富,杨一鹏.DPGrid_LAT在尾矿库无人机遥感影像处理中的应用[J].测绘通报,2013,(11):71-73.

[9]Pix4UAV-全自动快速无人机数据处理软件[EB/OL].(2012-11-15)[2015-08-24]. http://blog.sina.com.cn/s/blog_77805ef601013gmc.html.

[10]SL 197-2013,水利水电工程测量规范[S].北京：中国水利水电出版社，2013.

[11]GB/T 24356-2009,测绘成果质量检查与验收[S].北京：中国标准出版社，2009.

Application of Aerial Survey by Drone in Surveying of 1∶500 Topographic Map of Tingkou Reservoir

JIAO Wang1, LIU Kai2

(1.Survey and Mapping Branch, Shangxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design，Xi'an710002,China； 2.Xi'an Municipal Survey and Mapping Institute, Xi'an710048,China)

Abstract:In accordance with features of the aerial survey by drone, landmark point and check point in field are arranged. Through the outdoor aerial photo by drone and the joint application of software such as Pix4DMapper, CASS and ArcGIS, etc, precision of plane and elevation of the final topographic map satisfies requirements of 1∶500 topographic map. This provides application of drone in the survey of complicated topography of reservoir with the complete solution.

Key words:drone; Pix4DMapper; CASS; point cloud data; topographic map

中图分类号：P231

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.006

作者简介：焦旺(1989- )，男，陕西省蓝田县人，助理工程师，主要从事工程测量和无人机低空数字摄影测量工作.

收稿日期：2015-08-24

文章编号：1006—2610(2016)01—0023—04