天狼星无人机航测技术在河湖划界中的应用

李 涛，高 波，张允涛，高佳佳

(1. 山东省国土测绘院，山东 济南 250102； 2. 山东鲁邦地理信息工程有限公司，山东 济南 250101)

河湖工程范围划界是建设水生态文明和实现水利现代化的重要保障，根据国家河长制湖长制工作总体部署，2017年山东省全面推行河长制建设，河湖工程管理范围划界纳入政府重要工作。基于国家政策影响和巨大的河湖体量，河湖划界测绘显然已经成为当前测绘行业的一大热点。对测绘工作者来说既是商机也是挑战，如何在短期内快速消化、完成大量的河湖划界勘测任务，成为新形势下的一大考验。通常自然形成的河湖历史确权资料较少，资料形式简陋，边界纠纷事件时有发生。采用传统测绘手段无论工作效率还是成果展现形式，都难以满足当前信息化需求和严峻的工期要求。本文以天狼星免像控无人机航测为例，从项目组织实施、方案对比、各阶段成果应用等方面进行比较分析，为河湖划界勘测提供一种快速、高效的解决办法[1-2]。

1 河湖划界勘测业务特点

1.1 河湖划界勘测基本要求

河湖划界主要勘测工作是梳理、确定管理范围线及保护范围线位置，通过埋设界桩明确边界。其中河道管理范围指有堤防河道的管理范围为两岸堤防之间的水域、沙洲、滩地(包括可耕地)、行洪区及两岸堤防和护堤地；湖泊保护(管理)范围指湖堤、护堤地，根据湖泊历时最高洪水位或设计洪水位确定的区域(包括湖泊水域、沙洲、滩地)，湖泊周边对湖泊保护有重要作用的湿地和列入规划的蓄滞洪区等其他区域。根据山东省河湖管理范围和水利工程管理与保护范围划界确权工作技术指南(试行)要求，主要工作内容包括：

(1) 收集整理河湖和水利工程管理范围1∶10 000及以上比例尺的地形图、0.3 m精度的正射影像航拍图。

(2) 以地形图为底图，可辅以高精度正射影像图，采用内外业方式，先进行图上作业，完成管理范围线布置，在一定间隔和拐点处预布界址点；再通过外业，根据设计图纸对管理范围线和界址点现场测量放样，复核成果。

(3) 河湖岸线及断面测量。

(4) 界桩(牌)图上布设及现场放样、埋设。

从技术指南可以看出，河湖划界对勘测成果精度要求比较宽松，采用常规勘测手段就可以实现。

1.2 河湖划界勘测工作特点和难点

由于是新兴业务，可供参考借鉴的成功案例和相关工作经验较少，对已经开展项目区域调研结果也是方法多样，对新技术的应用多处于探索和尝试阶段。经验总结就是线路长、覆盖面广，历史遗留问题多样，线路情况各有千秋、工作协调难度大，需要逐条河流、逐个湖泊、逐项工程确定具体目标任务和实施方案[3]。

山东省河湖水利工程划界确权资料情况及其特点如下：

(1) 山东省20世纪90年代对一些重要河道、湖泊进行了划界确权，并办理了部分国有土地使用权证。但是权属证书更新不及时，既有资料多数缺少电子矢量化数据，实际可利用价值不大；随着河道的自然演变及两岸农田种植活动、河道规划整治的影响，原有界桩已被损毁，失去了其原有作用。

(2) 众多无任何确权和档案资料的自然形成的河流、湖泊岸线需要按照现状确定，土地侵占和边界纠纷等各种历史遗留问题容易在这次工作中引发。

(3) 确权划界工作涉及国家及地方政策复杂，参与部门众多，协调难度和工作难度大。

综合以上特点，要在较短的时间在全省甚至全国范围内大规模开展河湖划界任务，必须寻求一种高效、创新的工作模式。本文以山东省某县区河湖划界勘测工作为例，通过天狼星免像控无人机航测技术手段，实现了河湖划界工作快速推进和河长制信息化管理的多重需求，在实践过程中取得了较好效果。

2 天狼星无人机航空测图系统介绍及其显著特点

天狼星无人机是拓普康的内置RTK实时差分型无人机，与配套软件一起形成高精度、智能化的航空测图系统[4]，颠覆了传统航测必须布设大量像控点的工作模式，在工程测量特别是大比例尺测图领域有很大优势[5]。设备基本配置包括：无人机系统、地面监控站、发射电台、GPS基站等；影像处理系统包括：影像数据快速检查、纠正、拼接等，空三加密流程简单，基本实现一键生成DOM、DEM。

与其他品牌无人机相比，天狼星无人机显著特点包括：

(1) 高精度：天狼星无人机内置RTK，与地面站组成一套1+1 GPS RTK定位系统，结合惯导系统和飞行姿态稳定控制系统，在完全免像控的情况下也可以实现平面±3 cm、高程±5 cm的精度要求，其精度基本可以与GPS RTK固定解精度相媲美。

(2) 完全免像控[6]：传统航测方法必须布设大量地面像控点，需要耗费大量的时间和成本。特别是在那些从地面无法或难以进入现场的项目区域，没有足够的像控点，也难以实现高精度的项目成果。但是天狼星无人机实现免像控并在精度要求较高的工程测量领域广泛应用。

(3) 具有任性的飞行姿态控制系统[7]：定高、平行航线飞行是常规无人机司空见惯的飞行模式，而天狼星无人机独有的带状、自适应地表飞行计划，在线路工程勘测项目中优势较为明显。特别是航测带宽不足500 m的河道、公路等项目(如图1、图2所示)，线路走向频繁变化，采用平行航线方式会存在大量无效飞行区域，无论对外业航飞还是内业空三加密等环节均带来较多无效工作量，造成资源浪费。

3 工程实施

3.1 工程概况

本项目拟对辖区内17条区级河道与两座水库进行划界测量，河道长度累计里程约180 km，共涉及12镇4个街道办事处，行政区土地面积960 km2。测区地形地貌属黄泛冲积平原区，地势平坦，地形自西南向东北倾斜，地面高程在37.28～33.20 m。

主要测绘内容与要求：测绘比例尺1∶2000；测绘范围：保护范围线外扩20 m，平均带宽220～300 m；测绘重点：堤防、岸线、县乡村权属界线、道路、桥梁、坑塘、闸坝、提水闸、排水闸等；其他要求：界桩及公告牌图上预布设，以及在堤防宽度变换处进行横断面测量。

3.2 实施方法

河湖划界任务通常涉及区域广、范围大，同时河道曲折蜿蜒，河槽及滩地宽度不一。结合任务特点和任务要求，采用天狼星无人机航测成为项目首选方案(如图3所示)。工作思路：首先通过天狼星无人机获取测区高分辨率影像和数字高程模型，为外业调查和图上定线提供基础工作底图；然后通过EPS虚拟摄影测量系统进行大比例尺地形图立测采集与编辑，在三维立体环境下进行界桩、公告牌图上预布以及管理范围线和保护范围线图上定线；最后结合外业调查情况和界桩埋设(主要是移位界桩)结果对划界成果进一步修改、完善。

3.3 采用天狼星无人机航测优势

根据省级河湖划界方案工作指南要求，河湖划界工作底图需要辅以优于0.3 m分辨率的卫星或航拍影像。考虑区级河道航测带宽不足300 m，同时结合天狼星无人机每架次飞行效率，在外业航测工作量相当的情况下，将航测影像分辨率可以提高至0.1 m。该方法不仅使影像清晰度和平面精度显著提高，更有利于影像判读和内业岸线采集，而且DEM高程精度也显著提高，通过无人机影像匹配点云技术，可以提取制作河湖水面以外的横断面数据成果。

本项目外业航测共飞行46架次，获取照片18 120张；影像空三加密与外业航飞时间基本保持同步，整个项目航测周期约10 d。大比例尺地形图立测采集，以及桩(牌)、管理范围线和保护范围线图上布设等内业工作在第一架次影像空三加密成果出来后就可以同步开展，做到各工序环环相扣，为周期较长的界桩埋设留出宝贵的工作时间。

3.4 精度检测

免像控是天狼星无人机的一大亮点，但是缺少像控点就意味着精度检测条件减少，为检测航测成果精度，对全路线进行抽样检测。检测点密度：平均1点/km；平面点位选择在硬化路面斑马线、河湖岸线或影像色差变换明显的特征地物角点处，高程点尽量选择在地势平坦处，如堤顶道路或桥梁几何中心位置，注意避开桥头或高差突然变换、DEM容易拉花变形的位置；测量方法：采用GPS RTK两次测量，坐标与高程差值均小于2 cm时取平均值作为最终检测坐标成果。共检测平面特征点128点，高程特征点186点(含平面特征点)。

采用同精度检测方法，中误差计算公式为

(1)

式中,M为成果中误差；n为检测点(边)总数；Δi为较差。

表1 DOM平面坐标中误差检测 cm

表2 DEM高程中误差检测 cm

4 所见即所得的DSM成果促进划界项目快速推进

无人机航测成果中数字表面模型(DSM)应用领域比较广泛，特别是基于EPS环境下的倾斜摄影测量，得益于优秀的二三维一体化技术，通过二三维的矢量数据与倾斜摄影测量数据相结合，可以真实地表现出地表信息。在该环境下，可以快速简易地进行DLG大比例尺地形图采集编辑并进行各种数据处理、统计和分析，实现测量外业工作的内业化[8](如图4所示)。

在河湖划界勘测任务中，除界桩埋设工序外，80%以上的工作都是基于高精度、高分辨率影像资料制作完成的。特别是桩(牌)和管理范围线图上预布设，桩“牌”可以准确布设在田埂、坎边等易于长期保存的位置。在现场埋设过程中基本实现预设桩位坐标“零”移位效果。另外所见即所得的三维可视化和流畅的浏览体验效果，在真实还原现场场景的情况下，可以有针对性地制定项目应急预案和工作方案，极大便利了多单位、多部门之间的业务对接，促进了项目快速推进。

5 结 语

天狼星无人机高精度的航测成果及其数据的应用，革新了传统测绘数据采集和外业调查工作模式，降低了测绘外业工作者的劳动强度，实现了工程测量外业工作的内业化，为河湖划界勘测工作提供了一种行之有效的作业方法，让紧急的工程测量任务工期更可控。通过逼真的、可准确量测的DSM三维模型真实还原现场，让繁杂、棘手的跨单位、跨部门、跨行业之间的业务对接、沟通协调变得轻松愉悦。通过对航测成果进一步挖掘利用，可以在河长制信息化平台建设、水资源保护、水环境治理、生态修复、河湖整治等领域让测绘成果发挥价值，实现一次航测，成果多次利用的目的[9]。