无人机技术应用于水利工程高程测量精度分析

2017-03-31魏华锋赵晓光张顺迎

河北水利 2017年2期

□魏华锋赵晓光张顺迎

□魏华锋赵晓光张顺迎

无人机航空摄影测量作为一种新型作业方式，在许多领域得到应用，然而高程精度一直制约其在水利工程中的应用。利用实测水文断面点，对DEM（数字高程模型）精度进行校验，通过分析误差较大点的分布情况，得到影响DEM精度的一些因素，对后续工作具有一定的借鉴作用。

无人机；摄影测量；DEM

随着时代的不断进步，水利工程建设的内涵也在不断丰富，传统使命与新兴使命的叠加，使得水利工程建设地位更加凸显。测量工作作为水利工程建设的重要环节，关系着水利工程安全、使用寿命乃至整个工程的施工质量。所以，如何高效、精确、快捷地获取数据，一直是水利测量工作关注的焦点问题。

1.无人机的优势与不足

传统测量工作以水准仪、经纬仪、全站仪为基础，通过引入GPS技术使得工作效率得到提高；面对河道复杂地形、破碎地貌时，传统测量手段还是不能满足快速成图的要求。伴随电子科技的迅猛发展，无人机摄影测量技术在远程遥控、飞行质量等方面得到提升，并在国民经济建设的众多领域得到应用。在水利行业中，该技术由于机动性强、受地形因素影响较小、成图周期短等优势，在水利规划、设计、防洪减灾、建设数字水利工程等方面有着较好的应用前景，并取得初步成果。

无人机摄影测量技术在具备以上优势的同时由于其自身硬件、技术特点等方面，在实际生产工作中也受到了种种限制。对于水利工程而言，其项目往往位于山区、平原河道等高差较大、地貌较为破碎地区，会对无人机摄影测量高程精度产生影响，而高程精度对水利工程质量乃至安全起着至关重要的作用，所以对无人机摄影测量高程精度的研究显得尤为重要。结合具体工程项目，对无人机摄影测量高程精度进行分析。对今后生产工作中，如何提高无人机数据的高程精度提供思路。

2.无人机成果精度影响分析

分析影响航测成果精度的因素，有助于提高无人机航测成果精度，进而更好推动无人机航测应用。与传统大飞机航测方式相似，无人机摄影测量技术同样需要进行航线设计、航摄飞行、质量检查、像控测量等步骤，以上各个过程都会对航测成果精度产生影响。

2.1 像控点的布设

像控点的布设好坏对后期成图起着相当关键的作用。每条行带至少需要一定数量的像控点，其具体数量应根据地形情况确定，若地形起伏变化较大，应加密像控点，否则导致平差数据不能达到精度要求。像控点应均匀分布于航飞区域，不能靠近影像边缘，因为影像边缘质量较差，像点受畸变和大气折光等因素影响较大，增加判读和刺点难度。刺点精度是影响像片控制测量精度的又一重要因素，尤其在水利工程测量中表现明显。一般水利工程测量位于山区、河滩、地貌较为破碎和居民地稀少地区，通常测区内找不到较为明显的地物点，进而对后期影像刺点精度产生影响。

2.2 仪器误差

由于无人机体积及载重原因，无法搭载常规的航测仪进行无人机航空摄影测量。目前无人机搭载小型数码相机一般均为矩形阵面CCD，并非传统的正方形，像片的重叠度越大基线越短，基高比越小。在立体模型下，同名地物交会角较小，降低立体观测的效果，将会对高程精度的量测产生直接影响。

2.3 外界因素

对于摄影测量来说，地物亮度的大小只是像片上的曝光量，最重要的是在像片上相邻地物之间的密度差。如果影像上地物之间没有密度差异，也就没有影像反差，进而将无法从影像上辨别地物。决定影像反差的因素除地物本身特征外，还取决于阳光部分和阴影部分照度之间的差异，如果选择在天气条件不好进行无人机航测，必然会影响成果的质量。

目前无人机体积较小，一般在30kg之内，在进行航飞作业时受风力、风向影响较大，无法保持直线平稳飞行，航线倾角、旁向倾角和旋转角都很大，飞行姿态难以控制，造成了影像模糊，降低影像的清晰度。另外，无人机航飞作业时一般采用低空飞行，相对于地面地物的移动速度较快，在曝光过程中，成像面上的地物构像时将产生像移，进而影响成像质量。

3.实例分析

以单位实际水利工程测量项目的无人机航摄成果为例，对无人机航测的高程精度进行分析，阐述水利工程测量无人机航测高程成果的影响因素。

3.1 项目简介

项目以河北省境内某条河流为依托，采用塞斯纳208飞机，ADS80数码航空摄影测量系统进行航空摄影，采用的影像地面分辨率（GSD）为0.14m。

其主要技术路线为：采用推扫式数码航空摄影测量系统ADS80实施航飞作业，以航飞影像为基础，通过POS数据和外业像控成果建立立体模型；内业处理使用全数字摄影测量工作站进行立体数据采集，生成数字线划图（DLG）和数字高程模型（DEM）；利用DEM数据对航飞影像进行正射纠正，制作数字正射影像图（DOM），最后对其成果进行质量检查。

3.2 检校DEM精度

检查对象为此次航飞作业区的部分地区数字高程模型，其数据格式为ESRI GRID，格网尺寸2.0m×2.0m，按50cm×50cm正方形分幅；检查内容为该DEM数据精度，其设计精度要求的高程中误差不大于0.17m；采用水文测量断面实测数据为检查基准数据；其具体检校步骤如下：利用ARCGIS将水文断面实测数据转为shp矢量文件，并与该DEM数据进行叠加；实测断面点的坐标提取DEM上相应点处的高程值；以实测断面点的高程为检校基准，计算DEM数据高程与相应断面点高程之间的较差（Δi=hDEM-h断）；由检查点的较差计算中误差，本次检查取高精度检测中误差，其计算公式为

式中：

M-成果中误差；

n-检查点总数；

Δi-较差。

由于此次检查区域较大，总共501 幅DEM数据。选取部分影像作为检查对象，选取原则按河口边界线包括影像2/3面积以上作为检查对象。检查结果见表1和表2所示，并对检查结果进行了可靠性分析，统计较差分布情况如表3所示。

表1 检校点统计个数

表2 检校点高精度中误差

表3 可靠性分析

3.3 精度分析

此次航飞项目设计的高程精度为0.17m，从上文检查结果来看精度未达到设计要求。为此，对检查结果进行了分析；将检查点与航飞地区的数字线划图（DLG）进行叠加，截取部分叠加图，如图1所示。

图1中，高亮显示的点为实测水文断面点与DEM高程较差大于0.7m的点。通过对图1分析，可以发现，较差较大的点大多分布于河道两岸，地形高差较大的地方，选取了检查点中部分点的分布情况如图2所示。图2中高亮显示的点为较差大于1m的点，从其分布情况来看，主要分布在陡坡、沟坎和地貌较为破碎的地方。

通过展绘误差较大点的分布，对检查结果进行分析，可能造成最终误差未达到设计要求的原因有以下三个方面：首先此次航飞作业生成的数字高程模型格网间距采用2.0m×2.0m，能满足地势较为平坦地区的精度要求，但难以满足有沟坎的复杂地貌的精度要求。其次在内业处理时，由于植被的遮挡造成内业处理人员在切点时的不准确，进而造成后续处理的误差。最后在河道进行水文断面点实际测量时，由于仪器自重原因和河滩地表较为松散，造成测量时仪器下沉，实际测量数据不精确，不利于后期精度的检查。