无人机航测在文川溪数字流域及智慧水利中的应用

马广恩,罗火钱,李凤滨,师 琨,刘我庆

(1.福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000；2.福建水利电力职业技术学院 院士专家工作站，福建 永安 366000；3.福建省三明水文水资源勘测分中心，福建 三明 365000)

我国的水问题相比全球其他国家更为严峻和突出，尤其是福建省屡次遭受台风侵袭以及洪涝灾害的威胁。因此急需建设“数字流域”来研究和解决福建省江河水利水害问题。数字流域是1998年由张勇传院士提出的一个跨学科的交叉科学领域，旨在利用现代技术手段和研究方法将人类对于水利资源的研究放在数字化的基础上，通过对某一流域信息的采集和数字化，把人们对流域的认识从文字图像升级为数字形式。本文以文川溪为研究对象，利用地理信息科学和新兴的无人机航测技术生成文川溪流域的数字化产品，为文川溪数字流域和智慧水利建立和研究的基础资料。

1 无人机航空摄影测量的优势

无人机航测是传统航空摄影测量手段的有力补充，具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、适用范围广、生产周期短等特点，在小区域和飞行困难地区高分辨率影像快速获取方面具有明显优势，随着无人机与数码相机技术的发展，基于无人机平台的数字航摄技术已显示出其独特的优势[1-5]。无人机与航空摄影测量相结合使得“无人机数字低空遥感”成为航空遥感领域的一个崭新发展方向。

无人机航测具有如下特点：

(1)成本低。无人机航空摄影测量相比传统航空摄影测量以及遥感监测等手段，操作运行成本比较低，降低了作业入门的门槛，便于各个水利部门自行开展航测业务。

(2)分辨率高。通过选择适当的作业时段，调整无人机飞行高度和速度，规划合理的飞行路线，无人机航空摄影测量可以获取分辨率高的影像。普通航空摄影和卫星遥感影像获取过程会受到比较多大气云层的干扰。

(3)易操作。无人机航空摄影测量只需1～2人组成工作小组，甚至可以单兵作战。无人机体积较小，便于携带、组装、折叠，操作比较简便。而航空摄影测量或卫星遥感需要组织大量的人力物力，或者依赖卫星获取数据，对于各级基层水利部门来说非常难以实施。

(4)效率高。无人机航测作业由外业航拍和内业处理组成。无人机短时间即可覆盖大片区域，作业时间很短。内业处理根据计算机配置不同会略有差别。相比传统测量方式，效率显著提高。

据此，无人机航测可广泛应用于国家重大工程建设、灾害应急与处理、河长制管理、水利管理等方面，尤其在小流域水利水电管理、水利在建工程监察、小流域数字模型建立等方面具有广阔前景[6]。所以，利用无人机航空摄影测量技术进行河道、流域地形测绘，不仅能降低外业测绘的工作强度，而且能大大缩短成图周期。

2 无人机航测在文川溪数字流域及智慧水利中应用的具体实例

文川溪曾名清溪，是绕连城县县城东南曲折向北而去的闽江水系上游小支流。自陈地、定坑、马坑山发源，沿溪山涧陡峭，流小而湍急。姚坊以上汇集8条小涧，流量渐大。后注于闽江上游沙溪，经南平于福州入海。境内全长约72.8 km，落差约15 m，流域面积约为396 km2，共有支流34条，年径流量4.98亿m3，流域沿岸惠及人口约为80万人。文川溪局部概览(见图1)。过往对文川溪流域利用传统手段所建立资料在三维模型上有所欠缺[8],因此用地理信息科学和新兴的无人机航测技术相结合共同生成文川溪流域的数字化产品，可作为文川溪数字流域和智慧水利建设依据。

图1 文川溪局部概览

2.1 无人机航测前精度的选取

根据航空摄影测量规范的要求，在确保成图精度的前提下，本着有利于缩短成图周期、降低成本、提高测绘综合效益的原则在表1的范围内选择。

表1 测图比例尺和地面分辨率对照表

2.2 无人机航测前设备选型

本次飞行选用幻影HEK1300八旋翼无人机(见图2)。该飞机采用碳纤复合材，强韧、稳固的机身结构，超简约电机系统，GNSS定位系统，集多种功能于一体，搭载SONYα60单反相机，有效像素6 000万。根据航测任务的需求，定制两轴云台搭载相机，安装方便，功能灵活。从气动原理上讲，八旋翼比四旋翼无人机飞行过程更稳定，对于复杂天气条件的耐受度更高[7]。

图2 幻影HEK1300八旋翼无人机

2.3 无人机航测中飞行方案的设计

本次飞行面积约5 km2，地形以河道为主，观测和拍摄范围为：沿着河道中心线平均海拔约180 m，最高约180.5 m，最低约179.9 m。根据实验需求，本次飞行方案采用Sony RX1R II微单数码相机，设计地面分辨率4 cm，相对航高311 m，航向重叠80%，旁向重叠60%，共设计2架次飞行作业。按照以上计划在地面站中设置飞行路线、设置飞行重叠率、完成飞机自检、动力电池自检等步骤，然后，根据民航总局颁布的一般运行和飞行规则，规范、高效、准确的完成飞行和航拍，获取高质量低空影像。

测区平均飞行高度约为300 m，根据测区内最高点和最低点高程，计算可得实际获取影像的地面采样间隔为3.9～4.0 cm，满足1 ∶500航摄规范的要求。

2.4 无人机航测中控制点测量的设计

根据《低空数字航空摄影测量外业规范(CHZ/3004—2010)》进行像控点布设。为了后期使用context capture处理数据有足够的像控点，可以根据河道长度沿着河道进行布设。大概每相隔1 km布设一个像控点，也可根据河道两岸的建筑物、地物分布情况合理加密或精简控制点个数。控制点坐标利用FJ-CORS网络RTK方法量测得到，选取在地面具有明显标识处，或者使用专用的地面标志点位，测定其转角点坐标作为控制点坐标。为提高控制网精度，在不规则区域网的凸角和凹角区域都增设了控制点。另外，为了提高加密控制点的质量，就算是高程控制点也加测了其平面坐标，以便后期检核使用。

3 无人机航测成果

在确定精度、设备选型、飞行方案设计、控制点测量设计等前期准备工作做好后，便运用于数字流域进行汶川溪的三维模型生成。

3.1 无人机航测中河流三维模型和正射影像的建立

在context capture软件中新建工程，导入所获取的低空影像，并进行控制点影像关联(俗称刺点)，提交空中三角测量计算任务(其中导入POS、导入控制点、填写相机参数都是可选项目，影响最终精度)。

空中三角测量计算任务完成之后，得到一个新区块(block)，每张影像都有精确的内外方位元素。提交重建任务，则软件会为重建出影像采集区域的三维模型和正射影像(见图3—4)。

图3 无人机航测过程中生成的河流区域正射影像

图4 无人机航测过程中生成的河流区域三维模型

3.2 无人机航测中河流数字线划图(DLG)的生成

利用SV360对生成的三维模型进行绘图处理，利用这款软件的立体采集绘制功能，不需要红绿眼镜和任何外置设备就可实现对三维模型的直接采集。通过DLG立体采集、调绘及补测、编辑自检后，将生成河流数字线划图成果保存(见图5)。

图5 利用软件处理生成河流数字线划图

实际上，多款主流软件都可以根据流域测区内的三维模型进行数字线划图的制作。由于数字线划图是项目验收、工程规划、政府存档等领域重要的基础地理信息资料，因此流域数字线划图的制作非常重要。

4 结语

为了更好地保护和利用好福建省丰富的河流流域资源，需要建立基于数字流域支撑的智慧河流数据是其余各项工作的基础。无人机航测可以快速、准确的获取河流及其沿岸的低空影像，以此为基础快速建立生成图片区域的三维模型和正射影像图、数字线划图等成果。相比传统航空摄影测量和其他测绘测量方式，这种方法精度够、效率高、易操作、成本低，可满足不同的水利部门对于快速获取智慧水利基础资料的需求，建立实时更新的数字流域基础数据库，为智慧水利的发展提供强有力的支持。