大型水利工程中无人机航测的应用

陈占军

河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北 石家庄 050021

在科学信息技术不断发展的背景下，工程建设项目中所应用的测量技术也逐渐迈向了科技化发展方向。在大型水利工程中，由于工程建设范围广，测区自然地理情况复杂，存在众多对水利工程测量不利的影响因素。当前，水利工程项目如果采用传统测量技术，不仅会花费大量的人力物力，增加成本消耗和实际测量难度，还会延长测量周期，甚至影响工程项目整体质量和进度。因此，文章所探讨的大型水利工程中无人机航测的应用具有重要现实意义。

1 无人机航测技术概述

在对水利工程项目进行测量的过程中，无人机航测技术的应用主要通过搭建无人机平台，搭载相关的航测设备，在航飞的过程中获取相应的数据信息，通过专业的摄影测量软件对数据信息进行全面的分析与处理，生成测区地形图、正射影像、三维模型等测量产品，进而服务于设计、施工及运维管理。无人机航测技术的应用主要是通过外业航飞、内业处理等相关设备技术完成产品制作。为了保障无人机航测工作的顺利实施，操作人员需要严格控制不同测量阶段的无人机航测内外业质量。

2 飞行平台的选择

2.1 无人机飞行平台

文章所采用的成都纵横CW-15型垂直起降固定翼无人机，具有专业的地面站控制系统软件和先进的工业级飞控系统，可以在少量人工干预的情况下，有效地开展低空数字航空摄影。通过设置航测参数，搭载高性能航测相机，获取高分辨率相片，从而满足各种大比例尺地形图测量和高精度DEM、DOM、三维模型产品的生产。CW-15型垂直起降固定翼无人机控制平台的主要系统参数如表1所示。

表1 CW-15型垂直起降固定翼无人机控制平台的主要系统参数

在实际项目中，无人机平台所搭载的相机可分为普通高分辨率相机和专业定制相机。拍摄方式主要包含定点和定焦两种。

2.2 地面控制系统

地面控制系统主要采用CWCommander地面站软件，该软件不仅具备航线设计、飞行任务规划与执行功能，而且能够遥测数据监控和进行飞行数据回放分析。在无人机飞行航测过程中，其航测半径达到35km左右，可以有效地对大范围水利工程项目进行测量。

3 无人机在大型水利工程中的综合应用

该水利工程项目位于雄安新区，主要为雄安新区高标准防洪堤建设、穿堤建筑物建设以及河道疏浚，主要测量内容为1∶500、1∶1000大比例尺地形图和测区三维模型。测区范围内河道总体流向为西北至东南方向，堤顶高程为19.5～22.9m，主槽高程为3～18m，堤高一般为4～7m。主槽现状：两岸主要为农田，河槽蜿蜒曲折，内多沙坑，水深流急，河槽两侧坡坎高且陡，有坍塌危险。综上所述，该项目不便于进行人工测量，因此采用无人机航测。

3.1 测区像控点布设

为了保证测量成果精度，尤其是高程精度，需要布设一定数量和密度的像控点，像控点一般要求图根级精度。为了保证像控点精度，测区应布设高等级平面和高程控制网（该项目首级控制网平面为五等，高程为三等），并以此为起算数据进行像控点测量。根据相关规范、精度估算和实际工作经验，像控点间距一般控制在300～500m，且尽量布设在航向及旁向重叠范围内，像控点要均匀覆盖整个测区，并布设适当的检测点。像控点类型主要分为两类：一是现场制作，采用红（白）油漆涂绘在硬化路面，标识出中心位置，多采用L型和十字型，标志尺寸≥70cm，利于判读和刺点；二是预制靶标，靶标尺寸为70cm×70cm，主要用于耕地或滩涂荒地中的像控点布设。

3.2 外业航拍

采用成都纵横CW-15搭载哈苏X1D相机结合大疆精灵4 RTK无人机进行高分辨率倾斜摄影测量。

（1）主要技术参数。基准面GSD（地面分辨率）为4cm。哈苏X1D传感器尺寸为43.8mm×32.9mm，总像素为5000万，像素尺寸为8272×6200，像元大小为5.3μm，相机镜头焦距为30mm，相对航高为226.6m，绝对航高为236.6m。精灵4 RTK基准面分辨率优于3cm。传感器尺寸为13.2mm×8.8mm，有效像素2000万，像素尺寸为5472×3648，像元大小为2.4μm，相对高度为80～100m。

（2）航摄分区和拍摄架次划分。测区最大高差为12m，远小于相对航高，因此就重叠度保持及满足GSD要求而言，无须进行航摄分区。但由于无人机采用锂聚合物电池作为动力能源，续航时间偏短，综合考虑测区形状及飞行安全和作业效率等因素，将测区分为2个子区，子区一按南北向飞行，子区二按东西向飞行。根据测区地形情况、起飞场地情况以及摄影分辨率要求等因素，使用CWCommander软件进行自动航线设计。飞行时航向重叠度80%、旁向重叠度为75%。精灵4 RTK主要对重点区域进行近景多角度航拍摄影，飞行时航向重叠度、旁向重叠度均为80%。为了满足精细化建模要求，进行“井”字式飞行，东西向、南北向各飞行一次，确保重点区域影像全覆盖。

在设计航线的过程中，设计人员需要全面分析光照方向、航线方向的风力以及河流方向等因素。

3.3 空中三角测量

空中三角测量采用专业摄影测量软件，将相机参数、影像数据、POS数据导入软件，然后进行多视角影像特征点密集匹配，并以此进行区域网的自由网多视影像联合约束平差解算，建立空间尺度可以适度变形的立体模型，完成相对定向；将外业测定的相片控制点成果在内业环境中进行转刺，利用这些像控点，对已有区域网模型进行约束平差解算，将区域网纳入精确的大地坐标系统中，完成绝对定向。

3.4 三维模型及DLG生产

将空中三角测量的成果数据直接提交生成三维TIN格网构建、白体三维模型创建、自助纹理映射和三维场景构建，最终获得测区的实景三维模型。将模型数据导入数字摄影测量工作站进行DLG的采集工作，结合线划图要求和模型数据，判读模型信息，并使用规范规定的符号表示地形地貌，对无法判别和有疑问的地方要进行外业调绘、补测。

3.5 精度分析

采用GNSS RTK方法对三维模型和地形图进行外业检测，所得DLG检测结果如表2所示。由表2可知，无人机航测技术在控制好航测内外业环节和关键技术的基础上，可以达到大比例尺测图和高精度三维模型生产的要求。

表2 DLG检测结果

4 航摄实施及技术难点分析

该项目所涉及的水利工程测区整体地形地貌较为复杂，测区周边多村庄，且周边空域较繁忙，航飞窗口期短。在无人机进行航测的过程中，地面站无线监控设备与无人机之间的距离相对较近，但存在周边信号干扰风险，可能对无人机航飞造成不利影响。在无人机航飞前，需要设计整体的航行线路，并且每一个环节都需要进行反复检查。航测前要根据成果精度要求，科学合理地布设像控点，像控点的采集要精确可靠。在无人机进行航测的过程中，地面站工作人员要实时监控无人机航测状态，全面分析外界气象、光线等环境变化情况，确保飞行安全和航拍成果质量。在内业处理过程中，各项参数要设置正确，重点检查加强空中三角测量等关键环节的质量。

5 结束语

随着无人机航测技术的迅速发展，航飞技术和软件处理能力也愈加完善，但是在大型水利工程项目中，还未真正发挥其作用。无人机航测在复杂的环境中作业时，所受到的外界影响因素相对较多，内业处理软件性能参差不齐，价格相对较高，只有对不同的影响因素进行分析，并在项目实测中不断积累经验，才能真正地解决无人机航测存在的问题，提高无人机的航测数据精度和应用普及度。