浅谈无人机航空摄影测量技术在河湖管理中的应用

姚艳丽

（中国公路工程咨询集团有限公司(武汉)勘察分公司，湖北 武汉430023）

1 概述

为了明确河湖管理范围，确定河湖管理责任，能够使河道工程正常运行，加强水域岸线的管理以及完善水环境治理系统，也是为了进一步推行河长制，依照法律规定落实地方主体责任，切实做好各级河湖管理范围和水利工程管理与保护范围调查测量工作是至关重要的。随着科学的与时俱进，航空摄影测量与遥感技术取得了巨大进步，尤其是无人机航测技术被更多的应用到实际测量中，在水利工程测量中同样得到了一定的应用[1]。本文就无人机航测技术在河湖管理中的应用做一些探讨。

2 无人机航空摄影测量技术

无人机航测系统又称为无人机驾驶航空器系统（UAS，Unmanned Aircraft System），该系统具有机动灵活、高效快速、受气候条件影响较小、作业成本低、适用领域多等特点。在无人机航空摄影测量之前，有必要了解一下其基本技术指标和要求：①获取能用于立体测量的真彩色数字影像[2]；②按0.2m 地面分辨率进行飞行设计，获得的影像满足1:2000 比例尺的DLG、DEM和DOM 的成图精度要求；③配置高精度动态GPS 接收机，通过后差分技术计算得到机载GPS 轨迹；④航向重叠度是60%～80%，旁向重叠度是15%～60%；本项目用的无人机是成都纵横大鹏无人机科技有限公司生产的大鹏无人机（型号为CW-10 SONYA7R 相机一套）和2 台大疆PHANTOM4 RTK 无人机。该无人机外业工作流程为图1：

图1 无人机摄影测量系统外业流程

3 无人机航空摄影测量在河湖管理中的应用

3.1 作业范围

本项目为此次列入某县河湖管理范围和水利工程管理与保护范围调查测量、划界埋桩项目的40 条河和66 座水库，河流总长度为719 公里，水库为小型水库。此次论文实例选取了其中一条河流进行探讨。

3.2 测区航线设计

通过专门的航线设计软件，导入河道带状测区文件，进行相应的参数设置，计算选择飞行高度为600m。此项目成图比例尺为1：2000，航摄比例尺1：4000，影像地面分辨率为2cm。由于在无人机飞行姿态不稳定情况下会引起航摄漏洞现象，导致后续工作无法进行，增加了航向和旁向重叠度，航向重叠度为75%-80%，旁向重叠度为70%-75%。

3.3 地面GPS 基站的布设与观测

为了在后期使用后差分技术正确的解算移动站的GPS 轨迹，在飞机起飞前在航摄区域内选取合适的基准站，基准站必须架设在控制点上，一个基准站的控制测区半径大概是5km，这样基准站GPS 与移动站GPS 同步接收卫星信号，后期处理获得更加精确的pos 数据[3]。

3.4 像控点布设

无人机航测技术在河道中的应用获得的成果精度主要取决于控制点的精度，因此像控点的布设尤为重要，布设像控点必须按照一定的规范进行。无人机航测过程中布设像控点分为两种方式：飞机起飞前和起飞后，但是无论选择怎样的方式都必须符合以下原则：①像控点应该设置在地面比较清晰、容易辨认的位置，比如说斑马线角、道路交叉线等，但是也有一些地物不能作为布设控制点的目标，比如：状地物、不固定的地物、过小的点状地物；②选取的像控点刺点的影像必须很清晰；③像控点应选在高程变化比较小的地方，不能选在高程变化大的有坡度的地方；④选取的控制点旁边不能有强烈干扰卫星信号的物体，尤其应该远离高压输电线。同时为检查成果质量，需适当布设检查点。

3.5 无人机航空摄影测量内业

无人机航拍得到的影像以及用传统测绘方法测得的控制点，在Godwork 中进行空三加密，然后在MapMatrix 中进行地形图描绘，利用pix4d 进行影像图制作，流程如图2 所示：

图2 无人机航测作业流程

3.5.1 影像数据预处理与空中三角测量处理

影像数据预处理：为了得到满足后期数据处理的pos 数据和影像数据，必须对原始采集的数据依据相关的规范规程进行数据检查，重点检查的项目有：航摄重叠度、旋偏角、云量、有无存在航摄漏洞。空中三角测量处理：影像经预处理后进行空三加密，空三加密利用天工航空影像空中三角测量软件（简称GodWork_AT）进行，此软件是针对航空遥感影像数据研发的高自动化数据处理软件，以输出高精度数字摄影测量产品为目的。它的主要优点是：人工干预或者交互操作的工作量很少，如果确需进行人工交互工作，设计人员也加了自动预测或者人工智能的功能，尽量避免不必要的人工或者重复操作，节省交互时间，简化操作，空三流程如图3：

图3 空三流程图

3.5.2 正射影像图（DOM）生成

Pix4Dmapper 是瑞士Pix4D 公司生产的全自动快速无人机数据处理软件，它可以将很多张影像快速制作成精确的二维地图和三维模型，Pix4Dmapper 能从航拍片中快速获取点云数据，并且进行后期的加工处理，获得高精度的正射影像图用于水利工程中的河湖管理。Pix4Dmapper 生成正射影像图的过程是：①先导入照片和pos 进行快速拼接，快速拼接的质量报告可以查看外业飞行数据的质量；②导入控制点进行空三加密；③选择初始化处理进行平差，结果可以查看控制点精度是否满足规范要求；④选择接下来的两个选项：点云和纹理以及DSM、正射影像和指数，最终生成DSM 和DOM。后期可以将DSM 与DOM 导入到EPS 中进行裸眼画图。本项目是将生成的DOM 导入到ARCGIS 中，将每条河拼接成一个整体，再将河湖管理的规划线落到DOM 上，最终生成一张大图方便展示，如图4 所示：

图4 DOM 以及河湖管理范围线

3.5.3 1:2000 数字线划图制作

在武汉航天远景MapMatrix 多源地理数据综合处理平台进行航摄数据处理：将GodWork 中处理得到的空三成果（patb 文件、旋转纠正影像）导入到MapMatrix 软件中，恢复航摄的立体采集模型。按照本项目要求的1:2000 地形图和其他相关的技术规程，在立体采集环境下得到各类地形要素，最后生成地形图文件。将采集得到的地形图与Pix4Dmapper 生成的正射影像图叠加形成调绘底图，在野外现场进行调绘，在调绘结束之后进行内业编辑，两者交互得到最终的全要素数据线划图。数字线划数据采集输出后进行相应的格式转换，统一分层与编码，然后再利用CASS9.1 软件统一进行内业编辑，形成最终的DWG格式地形图，如图5 所示。在地形图基础上，根据给定的横断线，得到断面需要的高程数据，在CASS 9.1 中绘制断面图，如图6所示。

图5 河道地形图

图6 河道断面图

3.5.4 河湖划界

将已测好的1:2000 地形图和断面图作为工作底图进行内业划界，按照法律法规要求及相关标准在工作底图上划定河湖和水利工程的管理范围界线，完成管理范围线布置，在一定间隔和拐点处预布界址点，外业埋设界桩，根据工作底图上提取的界址点坐标进行管理界线放样，并根据现场实际进行微调埋置界桩，实测坐标，最后再内业调整，根据最终外业定桩的界线坐标修正电子图上的管理范围界线。

结束语

无人机航空摄影测量技术在河湖管理中的应用，不仅能够节省人力还可以提高工作效率，同时可以为甲方提供多样的测量成果，来适应新时代环境下更高的要求。利用无人机航空摄影获得的成果绘制的地形图成图精度完全满足1：2000 大比例尺测图的要求，为后续绘制断面，划界埋桩提供了保证。

随着无人机航测技术的飞速发展，能实时获取更高精度的POS 数据，后处理软件处理能力的不断提高提升，与此同时，长航时、载荷量大的无人机整体性能明显提升，无人机航测技术的应用领域能够满足更多的测绘工程需求。