无人机倾斜摄影测量在河湖划界中的应用——以资水河为例

杨 亮,谭 詹,任 玖

(1.四川晟堡途工程技术服务有限公司，成都 温江，611131；

2.四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231)

1 引言

加强河湖水域岸线管理，精准实施一河一策保护治理，河湖划界是必不可少的工作[1]。地形图是河湖划界管理工作中必不可少的原始资料，所以地形图测绘是河湖划界工作中重要的一步。传统的测图方式效率低，外业工作量大，周期长，安全风险高，成本投资大，部分人无法到达的地方测量精度低。无人机倾斜摄影测量技术的兴起，有效地解决了上述种种困难。无人机倾斜摄影测量具有效率高，外业工作量占比小，周期短，外业安全风险相对较低，成本低，精度高等特点。

在河湖划界工作中河流线路长，涉及内容多，部分区域交通不便，所以如采取传统地形图测量方式快速获取河道1∶2000带状地形图尚存在困难，显然不能满足在2020年底前基本完成河湖划界工作的工期要求[2]。但是将无人机倾斜摄影测量技术运用于河湖划界工作中，就能够快速、高效、准确地获取1∶2000河道带状地形图，从而准时准点按要求完成河湖划界工作。本文对无人机倾斜摄影测量技术在河湖划界中的实际应用进行探讨。

2 无人机倾斜摄影测量技术

2.1 无人机倾斜摄影测量的基本原理

无人机倾斜摄影测量是利用无人机搭载云台，分别从五个角度获取高分辨率的真彩色影像。通常情况是采用专业的航摄五镜头相机，即集前视、后视、左视、右视、俯视于一体的航摄相机，此相机在曝光瞬间可以同时获取同一地物在五个方向上的高分辨率影像[3]。再辅以能获取相机位置的GPS定位装置，可获取曝光瞬间该点的空间直角坐标(即POS数据)。无人机IMU装置主要对无人机的飞行姿态进行监控以及纠正。

利用获取的高分辨率影像、POS数据，以及像片控制点经过内定向、相对定向、绝对定向、区域网平差、三维模型重建、裸眼三维采集等，制作所需的测绘数据[3]。

2.2 无人机倾斜摄影测量的技术流程

无人机倾斜摄影测量技术已经形成一套科学完整的操作流程[4]，主要包括外业倾斜摄影，内业空中三角测量以及三维模型重建，裸眼三维采集，外业调绘、补测、图幅整饰、成果资料上交[5]。倾斜摄影测量技术流程如图1所示。

图1 倾斜摄影测量技术流程

2.3 倾斜摄影

2.3.1 前期准备

收集资料并进行空域申请，根据测区范围进行相片控制点测量。为了提高成图精度本项目采用先相控后航飞的方式进行，在制作和选取相片控制点时，要选在交通便利，易于保存，不易被遮挡，明显易见的地方。

2.3.2 航摄参数设计

(1)飞行器选择

飞行器的选择应根据成图比例尺，测区地理情况，测区范围，作业成本等进行综合考虑。

(2)航线规划

航线规划是对整个项目的整体规划，根据测区范围、飞行器、飞行参数、航摄方式等进行规划[6]。

(3)航高设置

飞行高度是根据成图比例尺和地面分辨率进行确定[6]，其关系如下

式中：H——航高；

f——相机焦距(mm)；

GSD——地面分辨率(mm)；

a——像元尺寸大小(mm)。

2.3.3 航飞

根据航飞范围，分别选择合适的起降点并组装飞机。起降点通常选择在航飞区域的中心位置，这样可以让起飞点到各航点的距离大致相等，使得飞机不管在任何位置都可以快速地返航以及减小数据传输距离，避免数据丢失。每天航飞任务结束后需立刻拷贝出照片及POS数据，查看照片数量以及质量，如出现漏拍，数据丢失，影像质量差等情况应及时对有问题的区域进行补飞。

2.3.4 内业数据处理

在收到外业数据后，对数据的完整性进行检查，查看照片张数与POS数据是否相等，像控点现场照片和数据是否完整。然后利用ContextCapture Center 强大的多视影像匹配算法，进行空中三角测量和三维模型重建[7]。在经过初次空中三角测量、相片控制点和检查点转刺、再次空中三角测量后，进行三维模型重建，输出OSGB格式的三维模型数据，然后在三维模型重建的基础上生成DOM数据。

2.3.5 DLG数据生产

利用裸眼三维测图软件，对居民地、交通设施、水系设施、管线设施、工矿建筑、地貌土质、植被土质等地形地貌进行采集。采用先内后外，内业定位，外业定性[8]，内外结合的方式进行1∶2000DLG数据的生产。

2.3.6 外业调绘与补测

外业对内业无法判别其属性或由于模型拉花不能准确判定其边界线的地物、地名等进行调绘与补测[7]。然后在已采集的DLG数据的基础上进行修改、整饰。

2.3.7 精度验证

将实测的检查点坐标与其在模型中对应位置的坐标值进行比较，分别得出X、Y、Z的差值记为△X、△Y、△Z，然后根据误差公式计算其中误差。检查点坐标较差但在允许中误差2倍以内的误差值参与精度统计，超过2倍允许误差的计为粗差，不参与统计[10]。检查点中误差计算公式如下：

式中：M——检查点中误差(m)；

△——点位中误差(m)；

n——参与精度评定的点位的个数。

3 应用实例

3.1 概况

本案例位于四川省成都市金堂县境内，资水河经德阳市流入金堂县，途经金堂县金龙镇、福兴镇、三溪镇、隆盛镇、转龙镇、竹篙镇、又新镇、云合镇流入资阳市，金堂县境内全长68km。

3.2 具体实施

3.2.1 外业航飞

由于本项目地处丘陵地区，且线路较长，飞行宽度不宽。在进行综合分析后最终选用大疆精灵4RTK作为飞行器，精灵4RTK体积小便于携带，对起降场地要求低，对于长距离带状的测区便于更换起飞点，自带RTK模块可以提供高精度POS数据。

由于项目带状分布且距离较长，根据飞机特性与作业时长，最终将此项目分为34块，并分别制作每一块航飞范围线的KML文件以便正式航飞时使用。

根据项目要求，需获取1∶2000DLG数据，所以飞行航高设置为150m。

航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%，航飞模式为3D/井字飞行。

本项目共获得有效照片10万余张。相片控制点470个，检查点300个。

3.2.2 内业数据处理

收到外业数据后，对数据完整性、正确性进行检查，然后进行数据整理，为空中三角测量做准备。利用ContextCapture Center软件进行空中三角测量和三维模型重建。其流程如下：

整理照片、POS数据→打开ContextCapture Center→新建项目→导入照片→导入POS数据→导入像控点、检查点数据→进行空中三角测量→像控点检查点的转刺→再次进行空中三角测量→三维模型重建。部分三维模型如图2所示。

图2 部分三维模型

3.2.3 DLG制作

利用EPS地理信息工作站的三维测图功能，在重建后的三维模型上进行，居民地、道路设施、水系设施等地形地貌采集，采集完成后再根据地形进行高程点的提取，然后导出数据进行地形图初编。EPS裸眼三维采集图如图3所示。

图3 EPS裸眼三维采集

外业对内业无法判别属性，或是由于模型拉花不能准确采集边界的地物进行调绘与补测，然后在初编图的基础上进行地形图修饰，并提交成果。DLG成果如图4所示。

图4 DLG成果

3.3 精度分析

精度验证包括，模型精度验证和DLG精度验证。将模型上所测的坐标与其对应位置的实测坐标进行对比，得出坐标差值计算最终中误差。根据《1∶500 1∶1000 1∶2000地形图航空摄影测量内业规范》对高程精度和平面基本精度的要求[9]如表1、表2所示。

表1 高程精度 单位：m

表2 平面精度 单位：mm

3.3.1 三维模型精度验证

在三维模型重建结束后，从770个检查点和像控点中均匀选取200个像片控点和检查点进行精度验证。其中粗差点5个，占比2.5%，经计算得出平面中误差为0.11m，高程中误差为0.18m，模型精度检查合格率为98.4%，故模型精度符合航测内业要求。部分点位误差对照如表3所示。

表3 模型精度对照 单位：m

3.3.2 DLG精度检查

在DLG制作完成后外业实测了1500个点位作为精度检查点。将模型上所测得点位与实测点位进行对比，其中粗差点50个，占比为3.3%。根据误差统计要求和中误差计算公式。计算1450个检查点得出DLG平面位置中误差为0.13m，高程中误差为0.28m，DLG成果精度检查合格率为95.6%。符合1∶2000地形图测绘的精度要求。部分点位精度对照如表4所示。

表4 DLG精度对照 单位：m

3.4 结果

(1)本次68km河道带状地形图生产，从资料收集到成果提交共计46个工天，利用无人机倾斜摄影测量技术进行1∶2000河道带状地形图测绘，比传统方式效率提高了近3倍。

(2)利用无人机倾斜摄影测量技术进行1∶2000地形图测绘，完全满足1∶2000地形图测绘的精度要求。

(3)利用无人机倾斜摄影测量技术进行1∶2000河道带状地形图测绘，可提供直观的三维模型，为河湖管理等工作提供直观可靠的数据。

4 结论与展望

本文将无人机倾斜摄影测量技术运用于河湖划界1∶2000带状地形图测绘，通过无人机获取高分辨率影像，利用ContextCapture Center软件进行三维模型重建，以及利用EPS三维测图功能进行DLG生产。经检验最终得到了完全满足精度要求的1∶2000河道带状地形图。同时也证明了无人机倾斜摄影测量技术完全可以运用于河湖划界项目中，并且能够快速、高效、高精度地完成项目需要。

随着无人机倾斜摄影测量技术的不断发展，将来还可运用于河湖生态治理，水资源保护，水资源勘察等众多水利相关工作中，无人机倾斜摄影测量技术在水利等行业具有很好的应用价值。