无人机倾斜摄影技术在山塘划界中的应用

仲伟凡， 谢灿灿，周海伟

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310020；2.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020；3.杭州市房地产发展研究中心，浙江 杭州 310006）

1 问题的提出

山塘承担着农业灌溉、农民饮水、农村环境、农居消防等综合功能，是山区居民赖以生存的基础。目前由于大多数山塘管理范围和保护范围边界不清、土地权属不明，造成侵占水利工程管理与保护区域、破坏水利工程设施、与水争地等现象时有发生，影响了山塘的安全运行。山塘划界是保护山塘安全、保障山塘科学管理的重要举措，采用传统测绘方法无论是工作效率还是成果展示形式，都不能满足当前工期要求和信息化需求[1]。无人机倾斜摄影技术作为一项新型测绘技术，具有效率高、机动灵活、实景展现等优势，将其应用于山塘划界工作，可快速、有效地为实现山塘信息化、科学化管理提供基础资料。

2 山塘划界工作

山塘划界主要是根据山塘所处的地质条件、工程结构、工程规模、安全需要和周边土地利用状况，对山塘划定管理范围和保护范围，埋设界桩和公告牌。管理范围为山塘建设占地以及有关工程安全、生产、管理和观测设施占地的总面积；保护范围指管理范围以外为确保山塘安全、进行正常维护以及水资源保护所划定的范围[2]。山塘划界主要工作内容包括：

（1）前期准备工作：收集整理山塘管护范围1:10 000及以上比例尺地形图、数字高程模型（DEM）、数字正射影响（DOM）；参照现行相关政策性文件、法律法规和工程立项审批文件等，征求山塘主管部门意见，制定划界标准；开展地形要素测绘、基准线测定及底图制作，基准线即划界特征线，为管理范围线和保护范围线的参照基准线。

（2）划界实施：根据制定的划界标准及收集的相关资料，在划界底图上划定管护范围线，并在一定间隔和拐点处预布设界桩和告示牌；划界方案送审报批；方案通过后对界桩点外业放样测量，埋设预制的界桩、告示牌。

（3）检查验收：对划界成果进行整理、检查并提交主管部门归档。

3 无人机倾斜摄影技术

无人机倾斜摄影系统主要由飞行器、机载相机、地面控制站3部分组成，在飞行平台上搭载的相机一般由5个镜头组成，能同时从1个垂直方向和4个倾斜方向获取地物影像，全方位获取地面完整真实的纹理信息[3]。地面控制站对无人机飞行过程进行实时监控，同时可规划测区航线，制定飞行计划。该技术通过建模软件，利用采集的地面影像数据、POS数据（定位与姿态数据）和地面控制点，可获取具有真实色泽、几何形态及细节构成的三维模型。三维模型生产流程见图1。

图1 三维模型生产技术流程图

4 工程实施

目前基于三维模型的测图技术成为新趋势。三维测图技术集成三维模型、倾斜影像及地面近景影像，提供多种观察视图、采编工具，完成地物要素的采集编辑及属性录入。该技术突破传统立体测图模式，直接在实景三维模型上操作，无需佩戴立体眼镜，可实现多视角自动优选影像；采集精度高，满足1:500测图精度要求；该技术应用到山塘划界工作中可大大缩短工作周期，减少外业工作。

山塘管理范围和保护范围划界工作采用内外业结合方式，即外业实测地形图及采集三维模型数据，内业划定管理范围线和保护范围线。具体实施分为以下3个步骤：①外业实测坝体1:500比例尺地形图，航拍获取山塘影像分辨率为2 cm的三维模型数据；②根据管护范围线划定标准，并依据收集到的其他资料，如1:2 000地形图、山塘规划图等作为划界部分依据，基于坝体1:500地形图划定坝体管护范围线，基于三维模型数据划定库区管护范围线，并在一定间隔和拐点处布设界址点；3制作山塘划界成图图集。实施流程见图2。

图2 山塘划界实施流程图

4.1 航测数据采集

4.1.1 像控点测量及影像获取

像控点测量工作内容主要有：①技术方法。像片控制测量采用ZJCORS网络RTK快速静态测量技术，GPS信号弱等困难区域采用RTK结合全站仪的方式进行采集。②位置和间隔。控制点应均匀分布在测区，坝体两端必须布设像控点，同时按照50～150 m间隔均匀布设，房屋密集区适当加密。3道路纹理少、草丛繁茂的山塘，需在航飞前布设控制点并在地面做明显标志。

影像获取工作内容主要有：采用无人机倾斜摄影技术进行影像获取，影像分辨率为2 cm。对GPS信号弱等无法进行像控点测量的区域，采用无人机+PPK后差分倾斜摄影测量技术进行控制测量与影像获取，下视航向重叠度为80%、旁向重叠度为70%。

4.1.2 模型生产范围

根据山塘类型确定航摄范围并进行航线设计，所有山塘除大坝一侧，其他侧面外扩50 m。大坝一侧范围为：①高坝山塘和屋顶山塘坝址下游外扩500 m。②普通山塘若100 m内有村庄或有明显影响的区域，坝址下游外扩500 m；若山塘附近无村庄或无明显影响的区域，坝址下游外扩75 m（见图3）。

4.1.3 航飞范围

一般情况下，倾斜摄影航飞外扩范围为飞行高度值，但鉴于山塘山体影响，以模型生产范围为基准线外扩2个航飞基线。

图3 模型生产及航飞范围设计示意图

4.2 模型生产

基于影像、POS数据、像控点测量成果，利用建模软件，通过像控点关联、空中三角测量、影像密集匹配、三角网构建、影像纹理映射等流程，生产高精度三维模型。粗生产的三维模型存在模型空洞、纹理缺失等问题，需要对三维模型进行编辑和优化，并进行大量模型修饰。以某山塘为例，像控点重投影误差均小于1 px，空三加密满足精度要求。空三精度报告见表1。

表1 空三精度报告表

根据GB/T 23236——2009《数字航空摄影测量 空中三角测量规范》的要求，检查点在山地区域平面位置中误差最大限值0.35 m，高程中误差最大限值0.40 m。以某山塘为例，设置10个检查点，在三维模型中量测获取同名点三维坐标，与实际测量值误差见表2，空三精度满足1:500地形图生产要求。

表2 模型与实测点精度统计分析表 m

续表2

4.3 三维测图

在三维模型的基础上进行三维测图，获取1:500比例尺条带地形图，确定设计洪水位等值线，从而划定库区管理范围和保护范围（见图4）。

图4 实景三维测图

5 结 语

本文以某地区山塘为例，采用无人机倾斜摄影技术和传统测量方法相结合，获取山塘实景三维模型、DOM、DSM以及地形图，从而划定山塘管理范围和保护范围边界。结果表明，无人机倾斜摄影技术作为一项新型航空遥感技术，是传统测量方法的有力补充，具有影像分辨率高、机动灵活、快速高效、成本低、成果直观、试用范围广、生产周期短等特点，适用于山塘管理范围和保护范围划界工作。