□张顺迎
科技创新
多旋翼无人机航测在山区水库测量中的应用
□张顺迎
近年来，随着无人机航飞技术和倾斜摄影测量技术的发展，无人机在水利测绘领域的应用日益广泛。现根据涉县茅岭底水库工程测量经验，探讨在山区新建水库工程测量中，利用多旋翼无人机和倾斜摄影测量技术，进行三维建模和生产线划图的可靠性。
多旋翼无人机；
倾斜摄影测量技术；
三维实景模型
随着无人机航飞技术和倾斜摄影测量技术的快速发展，无人机已普遍应用于水利行业的地貌查勘、河道监察、地形测绘等领域。其中，多旋翼无人机以其操作简便、飞行限制条件较少等优势得到广泛应用。涉县茅岭底水库工程测量，采用大疆精灵4RTK无人机进行飞行作业，获取了数字正射影像图、三维实景模型和数字线划图。基于工程测量经验，现探讨在山区新建水库工程测量中，利用多旋翼无人机和倾斜摄影测量技术，进行三维建模和生产线划图的可靠性。
茅岭底水库枢纽工程位于河北省涉县，是一座以城镇生活和工业供水为主，兼顾灌溉、防洪、生态等综合利用的水利工程。该工程主要由大坝、溢洪道、泄洪洞及输水洞等建筑物组成，设计总库容2220.18万m3，最大坝高46m。水库建成后，可有效提高清漳河下游河道的防洪标准，保障两岸防洪安全，解决下游灌溉和城镇用水等问题，促进全县区域生态环境良性发展。
其中水库库区位于清漳河支流茅岭底沟，周边区域主要作为茅岭底村搬迁用地和施工临时占地等用途。测区地形为高山地，山势陡峭，植被覆盖较多，特别是山上部分区域植被覆盖非常茂密，测量人员上山困难，GPS信号差，给测量带来很大困难。本项目测量主要内容有控制测量、纵横断面测量、三维建模、地形测量（比例尺为1∶1000，等高距1m）和库容计算等内容。综合测区地形条件和作业效率的考量，项目组决定采用以无人机航测技术为主的作业方式生产1:1000比例尺地形图。
项目生产三维模型和数字线划图的主要技术流程包括像控点的布设与采集，无人机航飞（航线布设、影像获取），三维模型生产（空中三角测量、模块生产、编辑修复），数字线划图采集编制和精度检验。
2.1 航飞方案及影像获取
项目总飞行面积为12.5km2，考虑到山区起降的便捷性和作业的可靠性，项目组决定采用PHANTOM 4 RTK无人机进行飞行见图1。航飞相机为PHANTOM 4 RTK自带相机，相机型号FC6310R，像元大小为2.4μm，镜头焦距8.8mm。
图1 PHANTOM 4 RTK无人机
由于飞行区域地形高差大，最大高差约300m，为保证影像分辨率和重叠度，项目组决定将山区和河道附近的区域有针对性的分区进行航飞作业。飞机相对地面行高不大于150m，获取影像的分辨率优于5cm，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%，并对坝址等重点区域采取正摄飞行和斜45°飞行。
根据航飞方案和测区地形条件，为保证三维模型成果精度，平地每300m左右布设一个像控点，山上像控点适当加密见图2。实际选点时像控点应位于无遮挡开阔处，像控点需预先进行布设，对于困难地区，需要提前制作固定标靶作为像控点。项目共采集像控点145个，精度为图根级，采用GNSS RTK的作业方法进行采集。
图2 像控点
2.2 三维模型和线划图生产
影像处理采用contextcaptrue软件，首先将影像数据导入软件，进行多视角影像特征点密集匹配，并以此进行区域网的自由网多视影像联合约束平差解算，建立空间尺度可以适度变形的立体模型，完成相对定向。结合像控点成果，在内业环境中进行转刺，然后对区域网模型进行约束平差，最后将区域网纳入到精确的大地坐标系统中，完成绝对定向。
空中三角测量结束并检验合格后，将测量后的成果数据直接提交生成三维TIN格网构建、白体三维模型创建、自助纹理映射和三维场景构建。三维模型坐标和高程系统与地形图一致。切块格式采用规则平面格网切块，每个切块大小为400m×400m，数据格式为OSGB。
三维模型生产完成后，首先利用检查点检验其平面和高程精度，并需要对存在漂浮物和建筑物扭曲等质量问题的瓦片进行编辑修复，以保证三维模型直接美观的可视化效果，见图3。
图3 实景三维模型（坝址）
测量人员采用南方公司生产的idata软件依据三维模型采集高程点和绘制地物。但在受植被覆盖影响较大的区域，模型高程精度较低，地物难以分辨，需要结合RTK和免棱镜全站仪外业实测高程点和地物调绘数据，编辑生成最终的地形图成果，见图4。
图4 地形图成果
为保证数据的可靠性，测量人员利用RTK和全站仪测量了不同地形地貌的多个检测点，通过对野外实测点和立体采集的同一特征点进行比较，计算其中误差值。此次检测共选取房角、道路交叉点等30个平面检查点，50个高程检测点（平地点28个，山地点22个），检测点均匀分布在测图区域。经过对数字线划图平面和高程精度进行统计分析，可以满足项目1∶1000比例尺地形图的测图要求，见表1。
表1 精度统计表
结合涉县茅岭底水库工程测量项目，探讨利用多旋翼无人机航测技术，在山区水库建设中利用三维模型和数字线划图的可行性。项目采用无人机航飞结合倾斜摄影测量技术的作业方式，不仅为工程提供了直观清晰的三维实景模型，而且提高了地形图的生产效率，降低了外业测量的劳动强度。在相同的人力条件下，地形图的生产时间由传统测量方式所需的2个月减少到十几天。经过项目的实际验证，多旋翼无人机结合倾斜摄影测量技术，能够达到山区裸露地表的1∶1000比例尺地形图的测量要求，满足水库初步设计需求，但对于植被覆盖密集且面积较大的区域，该技术存在较大的局限性，需要其他测量技术进行辅助进行。□
2022-12-22
张顺迎，男，汉族，河北省水利规划设计研究院有限公司，工程师。
猜你喜欢 旋翼水库测量 漳河有一水库群中国三峡(2022年6期)2022-11-30改进型自抗扰四旋翼无人机控制系统设计与实现北京航空航天大学学报(2021年9期)2021-11-02中型水库的工程建设与管理探讨建材发展导向(2021年10期)2021-07-16大载重长航时油动多旋翼无人机军民两用技术与产品(2021年9期)2021-03-09出山店水库河南水利年鉴(2020年0期)2020-06-09把握四个“三” 测量变简单中学生数理化·八年级物理人教版(2019年9期)2019-11-25基于STM32的四旋翼飞行器的设计电子制作(2019年9期)2019-05-30滑动摩擦力的测量和计算中学生数理化·八年级物理人教版(2019年3期)2019-04-25滑动摩擦力的测量与计算中学生数理化·八年级物理人教版(2018年3期)2018-05-31四旋翼无人机动态面控制北京航空航天大学学报(2016年8期)2016-11-16