无人机技术在淤泥滩地形测量中的应用

◎ 曹忠良 刘百仲 中交广州航道局有限公司

1.引言

近年来无人机摄影测量技术在我国得到了快速发展和普及，整个平台系统也逐步成熟和完善，在工程测量、地籍调查、数字城市等测绘行业已能达到无人机航测1:500、1:1000、1:2000等大比例尺测绘需求。具有活动灵活、操作简单、响应快速、成图精度高、产品丰富、节约成本等特点，特别在测量人员和传统测量设备都无法实施的区域也能应用。下面以汕头市内海湾清淤工程项目为例，分析无人机在淤泥质浅滩测量中的应用和精度分析。

2.工程实践

汕头市内海湾清淤工程，位于汕头市中心，是龙湖区和濠江区的分界水道。北面紧邻龙湖区城区，南面是礐石风景名胜区，东侧以汕头海湾大桥以东700m为界，西侧到汕头礐石大桥以西1500m。本次无人机飞行测量主要是工程沿岸低潮漏出水面部分，且沿岸都是淤泥质浅滩，部分淤泥厚度达到2 米以上，人员进入极其危险且一般陆地测量设备RTK都无法使用，典型地形如图1、图2所示。

图1 沿岸浅滩

图2 沿岸浅滩

按测图比例尺和测量规范要求，该浅滩区域高程测量精度要求是≤0.2 m，为满足项目要求决定采用采用大疆精灵Phantom 4 RTK 无人机航测系统进行低空摄影测量，Phantom 4 RTK无人机航测系统内置相机，照片分辨率为5472×3078，按照地面分辨率G SD=2.74 cm/pix 进行技术设计，影像数据满足1:2000比例尺的线画图、正射影像图的成图精度要求。定位系统采用高精度GNSS 模块，可实时接收千寻COR S播发的厘米级网络RT K信号，优良的飞控系统、厘米级定位精度，以及内置的姿态传感器，可以获取高精度的POS信息。

3.无人机摄影测量

根据现场测区实际地形情况，主要对岸边浅滩区域进行无人机摄影测量，结合Trimble R10 GNSS型GPS RTK与大疆精灵Phantom 4 RTK无人机航摄结合的方式对淤泥滩区域进行三维坐标采集。仪器状态良好，经检定各项技术指标均满足规范要求。摄影测量的实施流程如下：

3.1 准备工作

主要有现场像控点布设，在所测区域布置一定数量的像控点（见图3），像控点采用专用的黄红色像控点标志，像控点布设在平坦区域，沿岸布设并保证45°高度角范围内无明显障碍物遮挡，无阴影遮盖。

图3 现场像控点

像控点测量，采用天宝R 10 型号GPS接收机，接收广东COR S播发的网络RTK信号。每测量前，均在测区附近的控制点上进行了坐标比对，其点位中误差满足规范要求后再进行像控点三维数据的采集，采集后的三维数据作为内业处理的原始数据。

3.2 航线布设

航摄区域高程在-2m～10m之间，根据规范要求，比例尺不小于1:7000时，分区内的地形高差不应大于六分之一相对航高，因此本次选取航高为100m。航线按照东西方向布设，航向重叠度80%，旁向重叠度70%（见图4），保证照片之间有足够的重叠度；将计划测量范围导入飞控软件中，软件根据测量范围和飞行参数自动规划航线。

图4 航摄因子

3.3 航摄飞行

选择合适的摄影测量时间，天气良好、光照适当，风速在无人机安全的情况下飞行，在测区中选择平坦区域，作为无人机起降场地，周围无水塘、高楼、树木等遮挡物，确保起降过程中人员和设备的安全。对飞行后的影像逐一检查，对不能满足要求的相片进行相应的补飞补测。

3.4 航摄数据内业处理

准备好相关原始资料，主要包括：影像数据、POS数据、控制点数据、外业记录数据等。检查获取的影像中有无质量不合格的相片，同时查看POS文件，主要检查航带变化处的相片号，防止POS数据中的相片号与影像数据的相片号不对应。当不对应时，应该进行手动调整，使其完全匹配。将WGS84格式的POS数据、像控点数据，转换为2000国家平面坐标和1985国家高程。

测量内业数据处理，采用瑞士Pix4D 公司研发的“PIX4D Mapper”软件，主要处理过程是：数据准备→新建工程（数据导入）→快速处理检查→刺出控制点→全自动处理→输出成果。

在PIX4D软件中，得到的成果有数字正射影像（DOM）和数字高程模型（DEM），两者均输出为tiff格式文件。无人机摄影测量的主要目的是获取测区内的地形高程点，以进行工程量计算等。为了得到测区内的高程数据，采用北京山维科技有限公司的EPS软件，提取测区的高程点。当所有的高程点采集完成之后，可以将高程点数据转换为南方CASS的数据格式，也可以输出为AutoCAD的DWG格式文件。

4.无人机飞行精度分析

4.1 平面高程精度

PIX4D软件数据处理流程完成后，会对本次摄影测量内业处理的质量进行评定，并生成相应的质量报告。

根据PIX4D的质量报告，像控点刺点精度的平均中误差为0.014m，点位精度满足1:2000测图的要求。通过现场岸边RTK校对无人机飞行所得点位，抽取了沿岸约50个点，合格率为98.6%，中误差约0.11m，满足测量精度要求，如表1所示，由于篇幅问题仅列举少量点位示意。

表1 同一位置点位高程精度统计表

4.2 提高精度的方法

无人机飞行测绘过程中精度受影响的因素有很多，主要影响因素有：飞行控制技术、相机质量、技术方案，测区自然条件等。

图5 像控点精度误差统计

飞行控制技术：外业测量的时候要尽量设置好飞行的速度，人员在操控飞行时要时刻关注飞行屏幕，避免飞机过大抖动和侧翻，尽量避免速度太快使得影像产生位移，从而产生模糊的影像得到失真的图片，内业处理也相对比较麻烦。

相机质量：如果相机物镜存在较大色差和畸变差，而畸变差会使被摄物体与影像之间不能保持精确的相似性，造成影像几何变形。相机的分辨率决定了成像的精度，飞行前一定要检测好相机航拍前后的相机畸变参数，飞行时尽量使用分辨率较高的镜头。

技术方案设计：在实测前一定要根据现场实际情况布设合适的测线和像控点，根据测区的大小和风向阳光照射条件布设一定间距和方向的测线。像控点位置的选取也很关键，尽量选择易区分和地行起伏不大的地方，沿着测区周围均匀布设，像控点测量时，尽量使用高精度的测量设备，使像控点的原始坐标精度更高，提高内业转刺精度，从而提高成图质量。内业处理时选择合适的处理软件，提高影像匹配精度。

其次在设计飞行高度时根据现场条件综合考虑尽量离地面近，因为无人机离地面越近，地面分辨率数值就越小，则测量精度越高。

测区自然条件：外业测量时要选择天气条件良好的情况下测量，尽量避免风力太大的情况下实测，由于成像受阳光照射影像，以免造成地物成像不清晰和阴影过大，建议上午10点到下午2点之间飞行，这样照片中的阴影更少，对后期的处理会有所帮助。还要避免在光照条件不佳的时刻进行作业，如日落黄昏时刻内业处理时必然是难以区分地物。

最后在内业处理时，飞行区域如果有少量水面，外业采集时必然产生少量的假高程点，在处理内业时结合外业拍摄的影像将这部分数据剔除，提高成图数据的质量。

5.结语

随着技术的发展，无人机测绘技术的优势越来越明显，本文详细描述了无人机航测系统在淤泥滩涂区域实测的流程和精度的分析，介绍了此种测量方法的可行性。此技术效果明显，极大的减轻了外业测量的强度，减少了测量时间和提高了工作效率，其测量成果能满足项目的高精度要求。