無人機免像控攝影測量技術在西北地區干涸河道治理中的應用

任智龍 李風賢 柴生亮 李偉偉

（蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730000）

近年來，隨著國民環保意識的不斷提高，河道生態保護備受各方關注[2]。十九大精神指出“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路，為區域河道治理工作提供了科學指南和根本遵循[3]。西北地區氣候干燥，水資源匱乏，干涸河道占比較大。干涸河道生態環境問題嚴重，由于河道常年沒水或者少水，經常會出現向河道傾倒垃圾、排放生活污水、甚至在河道亂采亂挖的現象，造成河堤失穩，河道周邊環境惡化。西北地區干涸河道的治理迫在眉睫，只有通過河道治理逐漸恢復河道功能，才能實現河道資源的有效利用，促進區域生態的良好發張，河道治理工作關系民生，意義重大[4]。

河道治理測量工作中，傳統的測量技術主要存在以下問題：一是傳統RTK 測量技術，該技術是利用GNSS的RTK 測量模式進行碎部點數據采集，該技術在開展過程中需要建立移動站和CORS 基站或移動站與基準站之間的信號傳遞，信號傳遞質量的好壞直接影響測量成果的好壞，而且測量從業人員的工作量大，效率低，嚴重影響了河道治理工作的開展。二是傳統無人機攝影測量技術，為滿足測量精度的要求，利用傳統無人機攝影測量技術進行測量工作時需要布設像控點，然而西北地址構造以黃土為主，河道主要以疏松黃土為主，該介質中像控點的布設和測量難度較大。

隨著無人機攝影測量技術的快速發展，無人機免像控攝影測量技術在地形圖測繪、數字三維實景模型建設等方面的優勢不斷凸顯[5]，無人機免像控攝影測量技術在河道測量工作中的運用能很好的解決傳統河道測量技術的不足，為河道治理工作提供更高效精確的數據基礎，提升河道治理工作的效率。

本文以蘭州市榆中縣某河道治理工作為例，借助飛馬智能航測系統D200 為研究對象，基于無人機免像控攝影測量技術開展了河道三維模型建設、河道地形圖測繪[6]，河道線路縱橫斷面圖繪制等工作，分析了無人機攝影測量技術的測量精度，闡述了無人機攝影測量技術在河道治理工程中運用的方法和流程。

1 高精度免像控航測系統

飛馬智能航測系統D200 是一款基于高性能旋翼平臺的一體化高精度航測無人機系統。D200 無人機的載重量為1kg，單次飛行的時長最高可達到40 分鐘，飛機的飛行安全可靠性高。本次項目中飛馬智能航測系統D200配備搭載兩軸增穩云臺的五鏡頭傾斜攝影相機。

1.1 PPK/RTK 融合差分免像控技術

本次項目中運用PPK、RTK 融合差分技術進行免像控作業，無人機飛行時同時獲取RTK 實時差分信號和PPK 后處理差分信號，在數據處理時對基站數據和機載POS 數據進行聯合差分解算，可得到穩定的高精度的融合差分POS 數據，從而有效的提高了空三數據定向的精度。PPK/RTK 融合差分技術可有效的提高無人機免像控測圖精度，可達到1:500 比例尺測圖精度要求。

1.2 高精度多功能數據獲取系統

無人機航線規劃軟件，可根據任務區域的地形起伏和影像要求，基于高精度實景三維地形自動生成滿足后期處理的最佳飛行方案和航線，能夠在航線角度調整飛行后任然能滿足后期接邊需求；適配傳感器應用模式需求，基于高精度三維模型的地形貼合自動航線算法，生成精準地形跟隨飛行方案和航線，保證獲取數據的全航程一致性。

1.3 一體化智能數據處理系統

“無人機管家”專業數據處理軟件，能夠滿足POS 數據解算、像控點量測、快速圖形拼接、數字正射影像生產、數字地表模型生產、真正射影像生產、數字高程模型制作等多種成果需求。

2 工程實施

無人機免像控攝影測量施測技術流程如圖1 所示，首先利用無人機攝影測量系統完成攝影測量數據采集，然后利用數據處理軟件進行數據處理并完成數字高程模型（DOM）、數字地表模型（DSM）、數字正射影像（DEM）數字產品生產，第三基于以上的數字產品，利用專業測圖軟件進行二次加工，實現地形圖、線路縱橫斷面圖等的繪制工作。

圖1 技術流程圖

2.1 測區概況

該測區是蘭州市榆中縣某河道治理工程中的一段，河道地處西北黃土高原，屬于典型的山區干涸河道，河道中存在垃圾傾倒、污水排放、河堤破壞等現象。測區段地形復雜，溝壑比較多，地勢較為平緩，平均海拔約2100米，測區長度約10 公里，寬度沿河道中心向兩側延伸約1 公里。測區在偏遠山區，手機信號弱，GPS 信號弱，易發生塌方，通視難度大。河道底部及周圍為松動型黃土，像控點布設難度大。

2.2 數據采集

該工程中無人機攝影測量工作數據采集主要由影像數據和檢查點坐標數據采集兩部分[7]。數據采集之前首先要進行現場踏勘，現場踏勘的內容主要有以下幾個方面：根據任務區域情況及無人機性能確定最優飛行計劃；觀察現場天氣情況，確定最佳飛行時間；量測飛行范圍內高大建筑物、高大樹木的高度，確定無人機飛行高度；選擇合適的起飛、降落點，以便提高電池的利用率；無人機RTK 基站架設位置選擇，基站架設位置要考慮周圍視野的開闊性，確?；拘盘柕膫鬟f質量；選取檢查點布設位置，檢查點位置的選取要考慮檢查點測量的可實施性。

2.2.1 影像數據采集

本次數據采集采用飛馬智能航測系統D200。根據現場踏勘的資料完成無人機的裝配、無人機基站的架設、相機檢查等工作后便可進行測區影像數據采集。影像數據采集的重點在無人機飛行航線的規劃設計（圖2），航線規劃的好壞對影像采集的效率和影像質量有直接的影響，此次任務采用無人機防地飛行的方式采集數據，共設計了4 條航線，飛行高度155 米，航向重疊度80%，旁向重疊度60%，像素2.0 厘米。

圖2 航線規劃圖

2.2.2 檢查點坐標采集

此次任務為了驗證無人機免像控攝影測量的精度，在無人機影像數據采集之前布設了檢查點，檢查點分布在測區地形特征發生變化的位置，以提高無人機免像控攝影測量精度驗證準確度。此次共布設了30 個檢查點，檢查點坐標的量測采用RTK 技術實施，測量前對無人機基站點坐標進行檢校，保證了無人機影像POS 和檢查點坐標在同一坐標系統。

2.3 數據處理

數據處理采用的是飛馬“無人機管家”一體化智能數據處理系統。數據處理的主要內容有檢查原始影像質量，進行POS 融合差分解算，坐標的轉換工作，空中三角測量定向，以及DOM、DSM、DEM、實景三維模型等測量成果的生產，此次數據處理生產的成果同時也是后期測量成果的基礎資料，見圖3。

圖3 空三定向

在數據處理環節需要注意以下幾個方面：原始數據質量檢查，分別從檢查影像像素點、像素點的匹配程度、匹配點的平均高程、成圖比例尺、成圖分辨率、影像航向重疊度、旁向重疊度等多個角度檢查數據質量，作為航飛質量評價的可靠依據；相機檢校及畸變去除，利用基于地面檢校場模型約束的相機檢校方法，檢校并輸出更加穩定準確的最優相機模型，保證后期空三解算和測圖精度要求；PPK 和RTK 融合差分解算，取得高精度的差分POS 數據；參數計算與坐標轉換，測量成果坐標要符合項目要求的坐標系統，目前常用的坐標系統有北京54 坐標系、西安80 坐標系、CGCS2000 國家坐標系[8]，而高精度融合差分POS 數據是以大地坐標系（經度，緯度，高程）的形式呈現的，這就需要利用四參數或七參數對坐標系統進行轉換，以滿足航測生產成果需求。

3 精度分析

將檢查點坐標以（東坐標x，北坐標y，高程h）的格式導入數據處理軟件，完成檢查點在航測影像上的刺點工作，通過無控控制網空三計算實現檢查點在數字正射影像中坐標的量測，并與檢查點RTK 測量坐標值進行比對，計算出各檢查點的測量誤差值,檢查點的東坐標x、北坐標y、高程h的測量誤差值分別用Δx、Δy、Δh 表示，平面誤差用Δs表示（表1）。

表1 DOM 測量坐標與RTK 測量坐標較差 cm

檢查點坐標的中誤差為：

式中，Δ 為檢查點誤差值，n 為檢查點個數。

由表1 可知Δx 的最大值為4.8cm，中誤差mx 為±2.5cm；Δy 的最大值為4.5cm，中誤差my 為±2.6cm；Δs的最大值為5.9cm，平面中誤差ms 為±3.6cm；Δh 的最大值為8.0cm，高程中誤差ms 為±4.6cm。檢查點平面精度和高程精度均能夠滿足《數字攝影測量空中三角測量規范》[9]中丘陵地帶1:500 比例尺測圖的要求。

4 河道圖形測繪

為滿足河道治理工作的需要，在利用無人機攝影測量技術完成河道數據的采集工作后，需要基于高精度的攝影測量成果完成河道地形測繪工作，河道圖形測繪的主要成果有河道帶狀地形圖、河道縱斷面圖、河道橫斷面圖。河道圖測繪內容包括繪圖數據的獲取和圖形的繪制兩部分。主要技術流程如下，首先將河道實景三維模型或數字正射影像導入EPS 測圖軟件，在EPS 中完成河道縱橫斷面繪制所需的點位坐標的采集，然后將采集好的坐標數據導入CASS 圖形繪制軟件進行繪圖工作。其中河道大比例尺地形圖的測繪可以直接利用EPS 軟件完成，大比例尺地形圖測繪是EPS 的主要模塊之一，EPS可以直接進行地貌、地物的采集工作。利用實景三維模型進行圖形立體測量工作，降低了傳統測圖外業數據獲取的難度，解決了應地形環境等因素影響人無法到達的測量技術難題。EPS 數據采集流程主要包括數據轉換、數據加載、數據采集、數據檢查、數據修改、數據輸出。

河道地形圖繪制內容包括河道地形以及河道周邊地貌、地物元素，本次測量的河道是干涸河道，不涉及水下地形的測量。此次地形圖測繪的測圖比例尺為1:1000，圖形成果滿足1:1000 測圖比例尺精度要求，河道地形圖如圖4 所示。

圖4 河道地形圖示意

河道縱橫斷面圖繪制，河道斷面圖在河道治理、設計工作中是比較重要的圖紙，要求的精度比較高，數據量測時需要特別注意以下幾個方面的內容：地形變化較大的位置、河道轉彎的位置必須設置橫斷面；橫斷面測量時需要提前設定好測量樁號設計好樁點位置和裝點里程；橫斷面應從岸頂向外延伸30 米左右（圖5）；河道縱斷面圖沿著河道的中心線做河道的坡面，以河道的里程為x 軸，以河底的高程為y 軸建立的河道中心坡度及落差的走勢圖（圖6）。

圖5 河道橫斷面示意圖圖

圖6 河道縱斷面局部示意圖

5 結論

目前，在河道治理測量工作中傳統測量技術主要存在以下兩個問題，一是傳統RTK 測量技術需要設備之間傳遞信號和測區有良好的通訊條件，受測區通訊信號的好壞和信號傳遞距離的限制嚴重；二是傳統攝影測量技術需要利用控制點對影像測量成果進行糾正，受像控點布設要求的限制嚴重。以飛馬無人機攝影測量系統D200研究對象，基于PPK 和RTK 融合差分技術的無人機免像控攝影測量技術很好的解決了傳統技術存在的問題。

結合無人機免像控攝影測量技術的迅速發展，以西北地區干涸河道實際項目為例，驗證了無人機免像控攝影測量技術使用與河道治理測量工作中的可行性，該技術能夠滿足1:500 比例尺測圖精度的要求。

詳細的介紹了無人機免像控技術運用于河道地形圖、河道縱橫斷面圖、河道數字實景三維模型測繪的詳細操作流程。后續，我將持續深入研究，推進無人機攝影測量技術在河道檢測、河道生態保護等多個領域的應用，為從事河道工程、測繪工程等相關工作及研究的人員提供參考，為區域經濟的發展貢獻力量。