无人机测量技术在大伙房水库工程设计中的应用

黄红日

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，沈阳 110006)

1 概 况

大伙房水库输水工程是辽宁省经济社会发展、沿海经济带开发、老工业基地产业结构调整和升级改造的重大区域性水资源配置工程。二期工程分两步实施，先期建设一步工程，由于各市用水量急剧增加，原一步工程不能满足各市用水需要，因此急需建设二步工程以满足各市用水需求。

二步工程全部管道线路长度为235km，管线从隧洞出口处抚顺西配水站起始至营盘配水站，再从营盘配水站分出二条管线分别至营口分水口及盘锦分水口。拟建输水管线基本上与已建管线平行分布。文章以大伙房水库输水(二期)二步工程中营盘配水站～营口分支管道末端的输水管道工程为例。

2 技术路线

文章基于传统的航空摄影测量技术，通过无人机航空摄影的方法获取影像数据，根据输水线路走向及飞马无人机的航带布设软件布设航线，对项目测量区域野外踏勘，选择适合无人机起飞和降落的场地。通过飞马管家软件进行航线布设后导入到奥维地图软件中进行像控点的布设，然后进行像控点的数据采集工作。飞马无人机数据采集完成后，采用飞马无人机管家软件进行融合解算和影像预处理，工程创建、质检，生成数字表面模型、正射影像，采用EPS2016全息测绘软件基于三维模型进行数据采集、地形图编辑等生产线划图，利用RTK采集的检查点数据对线划图进行精度评定，验证数据的可靠性，为输水管线可行性研究工作提供正射影像、数字表面模型、数字线划图等基础数据[1-2]。作业技术流程见图1。

图1 作业技术流程图

3 DLG生产

结合本段输水管线的实际走向，采用飞马V100无人机进行影像采集，飞马V100无人机平台参数见表1。

表1 飞马V100无人机技术参数表

3.1 资料准备

在本项目外业航飞开始前，对航拍区域的资料进行收集，包括测区的高等级控制点成果、测区的高分辨率卫星影像图、测区的1∶5万地形图等。根据项目的技术要求和测区现场的实际情况，制定本项目无人机航摄技术方案并在项目人员进场前申请好空域，确定好无人机飞行高度、航摄的航向重叠度和旁向重叠度，根据本项目的技术要求设置好地面分辨率等[3-4]。

3.2 航线设计

本项目输水管线长度为31km，带宽200m。根据任务区域的卫星影像图，结合输水线路走向及飞马无人机的航带布设软件设计航线。布设航线时，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%，保障飞行区域对所需测量区域全覆盖。为便于区域网的接边检查，区域网之间至少在航线方向有一个像对的重叠。本项目航线规划采用带状航线规划，带状航线规划可提高带状工程外业航飞工作效率，减少不必要的影像重叠，减少无人机航拍的照片数量，提高内业数据的处理效率。带状航线规划时添加无人机的拐弯辅助点，使拐弯处的航向及旁向重叠度满足空三处理的精度要求。

3.3 像控点测量

按照作业范围划分区域网，采用全野外布点方案布设无人机航摄外业像控点。通过测区附近的控制测量成果，采用网络RTK方法采集像控点数据，作业前在已知控制点上进行检校。每一区块均匀选刺平高检查点，检查点按照每个区域网内不少于5个点布设，均匀分布于区域网内部。检查点与平高像控点均采用全野外测定，但是不参与平高区域网平差，作为内业加密点量测，由软件解算其内业坐标，用于检查空三加密成果的可靠性。大伙房水库输水(二期)二步工程中营盘配水站～营口分支管道末端的输水管道长度为31km，测区带宽200m。本项目共布设37个像控点，像控点间距平均1.5km2。像控点优先选择在易于判别、特征明显、与周围地物颜色反差大、尽可能为永久地物并易于影像上精确定位刺点的特征点，如水泥路或沥青路交叉口、道路转向指示箭头、斑马线交角等。在无法选择特征点时，可以在对空视角好，地形测量通视情况良好的平坦地面上或公路上设置 “L”型像控点[5]。像控点均匀覆盖整个测区，满足内业空三处理的精度要求。像控点采集按照10次平滑，进行三次采集，每一次数据采集都需倒置仪器，使仪器进行信号重置，对三次采集的成果求平均值，降低像控点的测量误差。

3.4 影像采集

根据本项目的技术要求，对影像数据采集采用的地面分辨率为5cm。根据飞行计划，检查飞机地面站的参数设置，确认飞机的各项参数设置无误后，按照飞行计划进行外业飞行。本工程项目共进行了4个架次的航飞。每次航飞前都进行空域申报，配备了一名观察员，以确保无人机飞行时的安全性。在测区内选择适合的起降点，起飞前，飞行设备状态正常，无人机基站pos数据采集时为固定解状态。满足起飞要求后，严格按照航飞流程作业。飞行时，检查无人机的飞行条件，所在测区风向稳定，风速小于4级，光线充足且无阴影遮挡。无人机降落后，通过无人机管家软件下载飞机机身POS数据及基站POS数据。下载完成后拷贝SONY相机存储卡中的无人机航飞影像，拷贝完成后对照片进行检查，照片清晰无过亮、过暗、模糊等情况，可提供下道工序处理。

3.5 内业数据处理

采用飞马无人机管家软件进行影像数据处理。数据处理的各项要求及精度严格按《1∶500 1∶1000 1∶2000地形图航空摄影测量内业规范》的规定执行。在构建地表模型前，对无人机采集的影像、飞机POS数据与基站数据、RTK采集的像控点数据等进行整理，检查无误后将影像、解算好的POS数据、相机参数等数据导入飞马无人机管家软件，对影像进行初始纠正并保存，利用经初始纠正的影像进行特征点提取及空三计算，再加入外业采集的像片控制点，对已有区域网模型进行约束平差，完成绝对定向[6]。本项目划分4个区块进行空三加密。利用外业实测点进行检查，空中三角测量精度符合规范要求，生产数字地表模型DSM和正射影像图[7]。将生产的数字地表模型和正射影像数据转化为EPS2016全息测绘软件可识别的数据格式，利用数字地表模型获取地物要素的三维信息。由于软件含有地类地物属性模块，可以实现地类、地物的快速采集，实时获取真实的地形地貌特征，成图精度更高。由于EPS2016全息测绘软件生成的地形图为EDB格式，利用EPS软件的数据转换功能输出DLG线划图。对于在模型上判不清、判不到的地物信息，标注调绘。外业调绘完成后对线划图进一步完善。

4 应 用

4.1 发现输水管线征地范围内“乱堆”现象

通过无人机航空摄影技术，利用飞马管家软件进行数据处理生产正射影像图，运用正射影像可全方位、多角度查看输水管线占地范围内乱堆垃圾，阀井附近及管线上方乱建情况。通过正射影像，采用ArcGIS软件将疑似“乱堆、乱建”现象在正射影像上进行标记，然后进行现场巡查核定，对乱堆和乱建进行清除，确保输水管线的正常运行。

4.2 获取沿线的阀井相关信息

通过无人机航空摄影测量获取的正射影像和地表模型，我们可以准确确认阀井所在位置，为阀井检修提供便利条件，并且可以观察到阀井周围的地势起伏，监测是否存在对阀井完整性存在威胁的不利因素，有助于阀井的长期有效使用。

5 结 语

本项目的顺利实施，是无人机航空摄影技术应用于长距离输水管线可行性研究工作的成功尝试。通过对飞马V100无人机采集影像数据,利用飞马管家软件进行空三加密，进行数据处理生产数字地表模型(DSM)和正射影像(DOM)，最终得到数字线划图(DLG)，为输水管线可行性研究工作提供重要的基础数据。

无人机航空摄影技术生产数字线划图相比传统的全野外数字测图有着巨大优势，在相同条件下减少成本而且缩短了工期。提供的成果不仅仅是单一的数字线划图，还有正射影像和数字地表模型。运用正射影像可全方位、多角度查看输水管线征地范围内乱堆垃圾，阀井附近及管线上方乱建情况，准确确认阀井所在位置，观察阀井周围的地势起伏，监测是否存在对阀井完整性存在威胁的不利因素，有助于阀井的长期有效使用，确保输水管线的正常运行。利用无人机航空摄影技术对于长距离输水管线可行性研究工作具有重要意义。