无人机航摄技术在峡山水库测量中的应用

王 杰

(沧州水利勘测设计院，河北 沧州 061000)

随着社会经济的发展，人们对于自身的居住及生存环境提出了全新的要求，水库不但具存蓄水、调节气候的作用，还是人们旅游观光的重要场所。因此，为了更好地进行规划，需要应用航摄技术。但是，由于该类航摄任务的周期比较长，花费资金较多，经济效益不理想，手续烦琐，必须要应用专门、先进的测量技术进行量测分析。对此，本文就相关方面内容进行了探究与分析，为更好地探测数据奠定了基础。

1 库区概况

峡山水库地处山东半岛东面，潍河中下游，位于潍坊市中部，流域面积约为4200 km2，该水库是一座集灌溉、发电、供水等为一体的综合性大中型水利枢纽工程。该水库修建于约50年前，因长期受到人为及自然因素的制约，在一定程度上改变了库区的地形，为了有效地掌握自然因素及人类活动对库区地形变化的影响，笔者对库容曲线的改变情况进行了详细了解，此外，为了将水库雨水资源应用优势挖掘出来，抬高水位，就一定要获取现实性强、精度高的地形资料。该水库整个库区面积约350 km2，此次增容工作初步确定将水库水位幅度提升0.60 m，即由现阶段的37.41 m提升至38 m，能够提升库区水容量7700万平方米，每年能够提升可供水量达1300万平方米，按照工程的基本需求，此项目应该将1∶2000的水库库区比例尺绘制出来，并通过该比例尺将全新的水库库容、水库水位及面积的曲线关系绘制出来。

按照山东省水利局发布的大型水库分册，水库内的死水位约为31 m，兴利水位控制在37 m，42 m的校核洪水位，14亿立方米的总库容，其中8亿立方米的调洪库容，兴利水库的库容在5亿立方米,0.49亿立方米的死库容。该工程由发电站、放水洞、主坝等构成。

2011年省水利厅组织验收了峡山水库出险加固工程，按照相关验证书得知，工程的基本工作任务是加固处理溢洪道、放水洞、水库大坝等，达到万年一遇的校洪标准，以及千年一遇的设计洪水标准，基本的结论是那些需要加固的工程项目需依据批复的内容进行处理，使得传统的病险问题得到有效的解决，进一步强化工程质量，从而在某种程度上提升防洪工程的安全性。

2 无人机航空摄影技术探究

按照以上所阐述的测绘任务情况，现阶段主要有3种比较常用的大比例尺地形图测绘技术:无人机航空摄影技术、野外数字化测量技术及载人飞机摄影量测技术。对比分析以上3种比较常用的测量技术，它们各有优劣势：无人机航空摄影技术操作成本较低，操作起来容易，现势性好，具有较高的测量精度；但是这种测量方法也存在一定的弊端，体积小，飞行高度不够，具有不够稳定的飞行姿态，自身所带焦距小，像幅不够，加密处理空三时较为烦琐，而且有较大的工作量存在于后期影像拼接工作中。野外数字测量方式花费成本较高，需要的工作人员较多，而且气候、地形等因素对其产生的影响较大，难以获取准确的影响底图，对工程质量及工期的相关要求都难以给予满足。载人航空测量在现阶段的空域管理形式下，需要对空域进行严格的申请，而且要求机场给予严格的协调，因此导致其工作量较多，成本花费较大，此外对基本的工期要求还很难给予满足。通过对几种测量方法的对比研究，本文采用无人机航空摄影的方式对此项目进行测量。

2.1 技术特征分析

无人机航空摄影测量技术中存在以下的优势及特征：

(1) 操作方便。在很多低空飞行作业中比较适合应用无人机航空摄影测量技术，而且申请空域时也较为容易，天气对其产生的影响也较低，可以很好地降低人机航空时由于云层等影响而出现的漏洞区域；而且该种测量不用把机场起降，在测量远离城市的大型水利工程时发挥着非常重要的作用。

(2) 较低的成本投入。这种测量设备飞行时间不长，所涉及的工作人员少，从而使得项目成本被有效降低。

(3) 灵活性，机动性强。这种测量技术能够按照天气的基本状况，灵活、快速的步入现场实时的监测目标物。

(4) 较高的安全性能。与载人航空摄影测量技术相比，无人机航空摄影测量技术能够在复杂的环境及恶劣的气候条件下完成工作，从而将危险性有效降到最低。

(5) 较高的测量效率。地形因素很少会影响无人机航空摄影测量的效果和质量。能够在许多烦琐的区域内完成摄影测量，不管是水域、盆地、林地还是高原都可以进行测量，从而获取更加准确、全面、安全的数据，以更高的效率完成自己的任务。

(6) 较高的准确性。这种测量技术是集通信、全球导航、摄像及数字通信为一体的，整个系统的集成情况及设备的各种技术发展都非常成熟，能够获取分辨率较高的定位数据及数字摄像。

2.2 技术操作情况分析

2.2.1 设计与研制无人机摄影平台

为了在航空摄影测量中有效地应用无人机技术，一定要综合的设计，以及整合无人机的气动性能、控制方法、飞机安全性、设备选用开发等内容。

在研制无人机时，可以通过双尾后推结构进行设计，此种非常规的设计及布局确保了飞机飞行控制能力强、大荷载、短距离起降的优越性，而且通过将国外引入的无人机自动控制系统作为核心部件，利用民用数码单反相机进行航摄，将二维云台为像机设计出来，使得飞机飞行过程中的姿态精度被有效提升，而且对像机进行了旋偏角及俯仰角的设计与控制。

对无人机在航空摄影测量中的实效性进行检测，主要通过解析空三的方式评估与分析了试飞的影像资料，主要探测了飞机的抗振动能力、抗风能力及飞行的稳定性等，对像机的曝光时间进行掌控，二次开发与修改了飞行姿态角，进一步完善了飞行控制系统，把转弯缓冲增设进去，对延迟补偿等功能进行曝光，确保得到的航空影响与航测生产规范的基本要求相一致。质量控制软件、航线规划软件是无人机摄影平台控制软件的重要组成部分。航线规划软件的主要功能是按照航向重叠要求及测区范围等数据进行航线的自动规划，确保无人机摄影平台能够实时控制及自主飞行，质量控制软件的功能是有效控制航摄质量，现场补飞不合格的航片，确保航摄测量质量可以通过检验与验收。

2.2.2 布设外业控制点

针对无人机航摄资料像对多、重叠区面积小、像幅小的特征，为了将加密精度提升，通过比较及试验分析，可以通过类似标准航带区域网布点的方法布设外业控制点。在峡山水库这个区域内共布设了32个控制点，其中有20个平高点，12个高程点，具体的图例如图1所示。

图1

2.2.3 空三解析

选择应用 Virtuo Zo AAT+PATB型号的解析空三软件。由于无人机航空摄影资料具有像对多、基线短、不规则重叠、较大航空摄影偏差及像幅小的特征，在对空三进行解析时，会加剧提取连接点的难度，因此还需要人工方法的辅助。

3 本项目中的具体应用情况

在测量峡山水库时所应用的无人机航空摄影测量技术主要由数字传感装置、地面控制装置、数据传输装置、飞行平台及配套软件等所构成。该系统对20多个航摄项目进行了测量，所测量的面积高达3000多平方千米，搜集了40 000多张0.05～0.5 m的影像，为国土、建设、规划、水利、电力以及交通等部门提供了详实的应急保障性服务。

峡山水库于2013年10月修建完毕，通过航拍获得了水库水位工程1∶2000的地形图资料，通过1∶30 625的比例尺进行的航摄拥有0.15 m的地面分辨率，720 m的飞行高度，飞行了约480 min，测试范围内共划出了4个区域，进行了4个架次的飞行，共完成350 km2的作业面积，拍摄得到了3038张影像图片，而且通过无人机获得了摄影照片，具有较高的现势性，而且这些资料已经通过了专门人员的验收。

4 测量效果分析

由于航空摄影测量技术不擅长于高程精度方面的测量，为了将整个库区的DEM高程精度值提升，现场工作人员在堤坝、主要道路特征建筑物上对部分特征进行了采集，用于DEM的加密。之后按照无人机航空摄影测量的实际结果，将平面比例尺为1∶2000 的DLC及格网间距在2.0 m×2.0 m的高精度DEM制作出来，为了对无人机航空摄影的高程精度及测量平面进行验证，工作人员搜集了许多野外的碎部点进行测量，然后和无人机航空摄影测量技术进行对比分析。

按照野外的检查情况，依据中误差统计公式计算，峡山水库摄影测量地面点平面位置误差为±0.28 m，高程误差为±0.29 m，而且都符合1∶2000航测测图的基本测量要求。此外将外业实测高程点加进去后，在某种程度上提升了数字高程模型精度值，为库区的进一步建设奠定了良好的基础。

5 结 语

峡山水库的水位测量工程项目具有任务重、时间紧、大范围作业的优点，通过普通的测量手段很难按照基本的工期完成任务。通过无人机航空摄影测量工作技术，使得作业效率被有效提升，将作业工期有效缩短，并且生产成本也得到了节约，图件的现势性效果也逐渐增强，有效给出了设计要求的1∶2000及规程范围的库区平面图，此外，所应用的这些作业手法，为今后的工作提供了帮助和借鉴，积累了许多宝贵的经验，有效促进了工程的发展。