无人机低空遥感技术在丹江口库区地形测量中的应用研究

胡立 张振军 魏猛 周明

摘要：作为南水北调中线工程的水源地，丹江口水库具有重要的战略地位，开展丹江口水库全库区地形测量具有重要意义。地形测量利用全站仪、GNSS、水准仪等仪器设备的传统方法，需要耗费大量人力物力，且效率低。作为一种新的地理信息获取技术，无人机航空摄影测量技术精度可靠，成本经济。依托无人机平台从空中进行测量，利用像控点的布设和影像点云分类处理生成DTM（数字地面模型），通过实际数据验证无人机航拍的点云数据精度满足1∶2 000比例尺地形图要求。结果表明：无人机低空遥感技术在丹江口库区地形测量中应用效果较好，可应用于更多领域的地形测量中。

关键词：地形测量;无人机;航空摄影;丹江口水库

中图法分类号：P231 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.008

文章编号：1006 - 0081（2021）12 - 0049 - 05

0 引 言

无人机低空遥感技术精度可靠、数据量大、高冗余[1]、技术成熟、操作简单、成本经济、作业风险低[2-3]，现已广泛应用于各种领域的小比例尺地形测量中。其点云数据平面精度较高，但高程精度偏低，在大比例尺测量案例中应用较少。如需在大比例尺地形测量中获得较高的精度，需对无人机外业测量和内业点云数据处理进行严格把控，外业测量时合理布设像控点能有效提高点云数据精度[4-5]，应用商用密集影像匹配点云软件完成DOM和DSM生成，进行影像点云分类处理对地表植被进行分类、过滤生成DTM，可以进一步提高点云中误差[6-7]，使其满足1∶2 000比例尺地形测量要求[8]。本文将进一步阐述点云分类的方法和具体操作步骤与配置参数。

丹江口水库5～10 a需進行一次全库区地形测量[9]。作为南水北调中线工程的水源地，丹江口水库控制流域面积9.5万km2，占汉江流域面积的60%;多年平均径流量为388亿m3，占汉江流域的70%;正常蓄水位170.0 m，坝顶高程176.6 m，为不完全多年调节水库。丹江口水库库容复核项目要求，库区支流地形测量比例尺为1∶2 000，库区干流比例尺为1∶5 000。以往库区地形测量都是用传统测量方法，需要耗费大量人力、物力，且质量难以保证、外业风险高。本文以丹江口水库库容复核项目为案例，引入无人机低空遥感技术，从外业像控点的布设和点云数据处理方法等技术手段来提高点云精度，经精度分析验证，无人机低空遥感技术在丹江口库区地形测量中有较好的应用效果。

无人机低空遥感技术首次应用于丹江口库区地形测量中，保证了测量精度，提高了外业工作效率，有利于科学地掌握水库淤积变化规律、制定正确的水库调度方案。对贯彻落实“长江大保护”战略、河湖长制决策部署，提升水利工程管护水平，提高南水北调中线工程供水效益，实现汉江水资源科学配置和可持续利用具有重要意义。

1 数据采集

无人机低空遥感技术作业流程为：任务接受→现场勘察→布设、测量像控点→测量精度检查点→区块划分、航线规划→无人机航拍→数据获取。

无人机外业测量从接收任务开始，首先需对测区进行查勘，确定无人机的起降场地和测区的基本地物地貌。合理布设像控点，像控点可采用千寻CORS等网络RTK进行测量，对每个点进行不低于60个历元的采集。进行像控点采集的作用是根据测区范围和特点，在边界上均匀布设测点见图1，同时在保证数据密度、分布均匀的前提下，对无人机采集的数据进行核对校正。用RTK在地面采集一些精度检查点，用于检查验证成果的平面精度和高程精度。区块划分、航线规划等准备工作后，即可进行无人机航拍数据获取。

项目外业数据采集主要设备为“飞马E2000”型无人机，作业时的航向重叠率为80%，旁向重叠率为60%，飞行高度为200 m。系统参数如下：

为保证安全，无人机外业操作需2人协同完成，1名操作人员和1名协助人员。外业测量每天可以进行6架次的飞行，每架次完成4～5 km2的地形测量，每天能完成约20 km2的有效地形测量（无人机测量需略超出测区范围）。根据以往的经验依靠人力利用GNSS接收机测量1∶5 000比列尺的地形，单人每天约测量0.4 km2，完成20 km2地形测量需要10人约5 d的工作时间。如表1所示，无人机的工作效率是传统测量方法的25倍左右，随比例尺的增大，传统测量方法的工作工时还会增加。无人机低空遥感技术的引入大大提高了外业测量的工作效率。

2 数据处理

利用商用密集影像匹配点云软件完成DOM和DSM生成、影像点云分类生成DTM等工作后，结合项目阐述数据处理，处理流程如下：①采用supermap idesktop等软件进行精度统计;②在EPS平台下进行生成三维垂直模型、对DOM（数字正射影像）进行切片生成EMG文件、导入陆上高程点、应用DTM生成陆上等高线（shp文件）、固定断面线、水下高程点、无人机航测区块面等。其中，固定断面线用来判断绘制区域所在的位置，进而确定制图的垂直范围;水下高程点用来参考处理复杂水域的水陆分界线;无人机航测区块面文件用来确定制图的水平范围，更好地处理相邻区块的接边关系。

2.1 影像点云分类生成DTM

由于无人机航拍的点云是物体表面的三维坐标数据，有植被覆盖区域的高程为植被表面高程，要想获得植被下地表的高程需要进行点云的分类，通过商用软件自动加人机交互手工再分类的方法可以达到较好的效果，实现的流程如下。

2.1.1 点云窗口设置

实践证明，选择1/4图像尺寸不会显著影响成果精度，对图形工作站的配置要求大大降低且处理速度明显加快。在计算机配置较高的情况下也可选择1/2图像尺寸。进行分类点云，如图2所示。不选生成三维网格纹理，即不生成三维实景模型。

2.1.2 DSM、正射影像和指数设置

（1）输出xyz格式的离散点。

（2）输出DTM，即数字地面模型。

（3）根据项目需求设置DTM分辨率。

（4）根据需要，设置输出等高线数据格式，具体设置见图3。

加载工程文件，运行点云分类。点击生成DTM，即应用分类后的点云生成DTM。点击Generate contour lines（DTM），即应用DTM生成等高线。

2.2 无人机测量精度统计

采用supermap idesktop GIS平台软件进行无人机测量精度统计，技术流程为：①打开supermap idesktop GIS平台软件;②新建数据源，导入数据集，导入DOM和DSM文件;③导入像控点和精度检测点的数据，格式为xlsx;④对精度属性点进行几何属性计算;⑤提取DSM对应的高程值;⑥把空间数据扩展为属性字段;⑦点击数据—追加列，进行数据集匹配;⑧浏览像控点属性表，删除nodata值部分。

操作完毕更新列表数据，进行字段计算，即完成了无人机测量精度统计。

2.3 无人机测量精度验证

选取试验区域中的一个区块对无人机航测的精度进行验证，在EPS平台下，依据EMG影像和DSM模型，调入之前实地测量的精度检查点，检查点均匀分布航测区域。在EMG影像的相同位置提点，如图4蓝色小方框所示。

统计结果如表2所示，提取点与RTK实地测量点对比平面最大误差为0.09 m，平面中误差为[ΔX2+ΔY2N]=0.04 m;高程最大误差为0.08 m，高程中误差为[ΔZ2N]=0.05 m。验证结果表明无人机航拍数据精度满足1∶2 000地形测量要求。

2.4 数字线划图DLG的绘制

利用商用密集影像匹配点云软件经过影像点云智能分类后形成如下数据源：数字表面模型DSM、数字正射影像DOM、影像智能分类后的数字地面模型DTM、由DTM生成的等高线contours。

在GIS平臺下对点云分类后生成的高精度DTM 数据根据测图比例尺的需要进行高程点提取，如1：2 000的地形测量，岸上点距要求为20～40 m，故在GIS平台里可以把像元大小设置成20～40 m区间。

在EPS平台下做超大图像的切片，创建超大图像EMG。在EPS平台下应用DOM和DSM合成2.5维模型（*.dsm），图5～6是截取生成小部分的航测图EMG影像和DSM模型。

数字线划地图DLG的制作仅需要.dsm和.emg文件即可，在EPS的平台下依次调入contours（等高线）文件、项目的边界线、分类点云后的DTM在 GIS平台下提取的高程点。以影像数据为依据，绘制河流及塘等的水边以及路、房屋等地物。依据提取的高程点适当修改等高线，根据等高线即可计算出相应库容。

传统测量方法是利用全站仪、GNSS接收机等仪器设备在测区测量地形点，通过离散点插值建模，绘制等高线。由于库区地貌复杂，有些水边和陡坡人力无法到达，以及山区林地遮挡GNSS信号等原因导致地物地貌的测绘偏差较大。故通过无人机航测影像密集匹配点云分类进行地貌表达的方法更贴近真实地貌，达到更高的精度。

3 结 论

本文依据丹江口水库库容复核项目，引入无人机航空摄影测量技术，通过外业数据采集和内业数据处理，绘制出测区数字线划图DLG，从而计算出丹江口水库的真实库容，得出如下结论。

（1）无人机低空遥感技术极大地提高了外业工作效率，可以应用到更多的领域及行业。

（2）人力无法达到的水边和山区林地危险地带，可以通过无人机航拍影像图真实客观地反应出来，再通过数据处理分析绘制出来，增强数据成果表达可视化效果，保证数据完整性与可靠性。

（3）经数据验证，低空无人机遥感技术满足规范要求。

参考文献：

[1] 张继贤，林祥国，梁欣廉.点云信息提取研究进展和展望[J].测绘学报，2017，46（10）：1460-1469.

[2] 刘世振，邓建华，冯国正，等.机载LiDAR在山区型河道地形测绘中的适用性研究[J].人民长江，2021，52（1）：108-113.

[3] 彭冲，夏辉，雷万钧.正射影像在水利1：500比例尺地形图中的应用[J].人民长江，2021，52（增1）：134-136.

[4] 唐磊，张振军，杨松，等.基于PPK技术的消费级无人机航测像控点布设方法优化[J].水利水电快报，2020，41（7）：22-25.

[5] 张光祖，王春，徐燕，等.像控点布设对无人机小范围非规则区域实景建模精度的影响[J].全球定位系统， 2020，45（2）：60-67.

[6] 张会，赵民.无人机影像数据提取大比例尺DEM的方法研究[J].测绘与空间地理信息，2018，41（5）：195-197，201.

[7] 郑翔天，何秀凤，杨晓琳，等.点云辅助地基干涉SAR雷达影像与地形数据应急匹配方法[J/OL].武汉大学学报（信息科学版）：1-15[2021-07-25].

[8] SL257-2017 水道观测规范[S].

[9] SL 339-2006 水库水文泥沙观测规范[S].

（编辑：李 晗）

Application of UAV low-altitude remote sensing in landform survey

of Danjiangkou reservoir area

HU Li 1， ZHANG Zhenjun1， WEI Meng 2，  ZHOU Ming1

（1. Hanjiang River Bureau of Hydrology and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology ， Changjiang Water Resources Commission，Xiangyang 441000， China;   2. Middle Changjiang River Bureau of Hydrology and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology ， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430012，China）

Abstract： Danjiangkou Reservoir， as the water source of the Middle Route Project of South-to-North Water Diversion， has a very important strategic position and it is of great significance to carry out the topographic measurement in the whole Danjiangkou Reservoir area. In the topographic survey of Danjiangkou reservoir area， traditional methods were used in the past， such as total station， GNSS， level instrument and other equipment， which requires a lot of manpower and material resources， and efficiency is low. As a new geographic information acquisition technology， UAV aerial photogrammetry technology has reliable accuracy and cost economy. Based on UAV platform for aerial measurement， the DTM（digital ground model） was generated through the image control point layout and the image point cloud classification processing and other technical means， and the actual data verified that the accuracy of the point cloud data of the aerial photography of UAV meets the requirements of 1：2000 scale. The results show that UAV low-altitude remote sensing technology is used well in Danjiangkou reservoir area， and can be applied to topographic measurement in more fields.

Key words： topographic survey; UAV; aerial photography; Danjiangkou Reservoir