徐子扬

(贵州省水利水电勘测设计研究院,贵州 贵阳 550002)

夹岩水利枢纽工程属于Ⅰ等大(一)型工程，是一座以城乡供水和灌溉为主、兼顾发电并为区域扶贫开发及改善生态环境创造条件的综合性大型水利枢纽工程，主要由水源工程、毕大供水工程和灌区骨干输水工程等组成，坝址位于长江流域乌江一级支流六冲河中游、毕节市七星关区与纳雍县交界的潘家岩脚处。夹岩水利枢纽工程是贵州省在“十二五”期间开工建设的重点工程。在整个夹岩水利枢纽工程建设的阶段中，快速、高精度地获得相关规划建设区域的大比例尺地形图十分重要。而过去，水利工程的地形图测绘工作往往以全野外工程测量的方式为主，由于贵州省山区植被茂密、地形高差大、地貌破碎等客观原因的存在，水利工程又往往修建在人迹罕至的偏远山区，全野外测绘地形图存在时间周期长、效率较低、部分困难地区人力难以到达等劣势。而随着时代的发展，无人机、三维激光扫描仪等测绘新技术的引入为贵州水利工程地形图测绘注入了新的活力。

无人机低空航空摄影测量技术为近些年来应用较广、发展较快的一项测绘技术，其具有效率高、时效性强、分辨率高、成本低等多方面优势。目前广泛应用于测绘、林业、交通、水利、电力等行业。无人机航测技术经过几年的发展沉淀，从硬件上来讲，飞行平台越来越安全稳定，从之前的固定翼和旋翼两款主流机型，发展到现在更适合贵州山区的复合翼无人机；飞行获取的数据精度也越来越高，从之前的机载GPS仅用于无人机的飞行安全定位，到现在后差分、PPP等各种优化定位技术的实现；无人机的任务载荷设备也在不断更新，从之前的小画幅非专业的数码相机到现在的飞思相机甚至小型激光扫描仪，可以说无人机航摄的硬件技术日新月异。从内业数据处理上讲，无人机航摄技术也经历了从之前的模仿大飞机摄影测量数据处理的流程，到现在立体测区、点云测图、倾斜摄影建模等多方向全方面的发展。而针对以夹岩水利枢纽工程为代表的贵州水利工程的大比例尺地形图测绘工作来说，由于主流的无人机平台载荷有限，无人机航测平台所搭载的数码相机镜头往往畸变较大，而贵州山区的弱纹理区也较多，导致通过传统的立体成图的方式，高程精度往往达不到水利工程建设要求。因而本文通过总结提出了一种无人机航测点云测图的方式来解决水利工程大比例尺测图高程精度的问题。

1 无人机航摄点云测图技术流程

传统的无人机航摄立体测图的方式是模仿大飞机摄影测量成图的方式，外业航飞得到质量较高的原始影像数据和POS数据，通过内业反复的空三，得到满足立体测图要求的内外方位元素数据，进行立体成图。而无人机航摄点云测图的方式避开的对空三结果的不断调试，同时降低了对原始影像数据的质量要求(包括旋偏角等)，将数据处理的重心关注在了DSM(数字表面模型)点云数据的精度上，减少了内外业工作的时间。具体技术流程如下：

(1)飞前准备工作。在对测区进行无人机航飞之前，首先要收集测区的资料，包括测区范围、已有控制点成果、测图高差地形起伏情况、植被覆盖情况、空域情况、天气情况等。然后制定工作安排计划和航飞技术方案，确定本次项目所使用的无人机平台和任务设备型号、本次航飞的地面分辨率、航向和旁向重叠度、飞机的绝对航高和架次数等。

(2)外业航飞和像控点布设。根据测区情况决断是否先布设像控点再进行外业航飞。如果需先布设像控点，根据航飞的地面分辨率确定像控点的尺寸，按照成图分辨率和规范进行像控点布设。外业航飞选择好起飞点，做好空域申请，根据测区情况分区域对测区内进行无人机航飞，需同时注意无人机的安全性和影像的重叠度两个因素。航飞结束后，通过相关软件检查原始影像和POS数据质量，有无漏片情况，如果存在应该及时补飞。

(3)内业空三处理。主要包括收集原始航飞数据、通过多视影像密集匹配技术和光束法区域网平差等技术进行空三处理，通过人工刺像控点得到当地坐标成果，最终输出高精度高密度的DSM点云数据。

(4)通过得到的高精度点云数据，分别对测区的地形数据和地物数据进行采集，同时外业结合三维点云数据进行调绘补测，重点在于植被特别茂密和地形变化剧烈的区域，最终编图成图。

(5)完成大比例尺的地形图成图工作后，首先航测队伍内部先进行一级检查，查漏补缺后将成果提交质检部门进行质检，质检合格后才能正常使用。

无人机航摄点云成图的技术流程如图1所示。

图1 无人机航摄点云成图技术流程

2 测区实验与结果分析

实验测区选择夹岩水利枢纽工程某一代表性区域，测区面积约5km2，成图要求为1∶1000。测区最大高差约为300m，测区内部分区域植被茂密，琐碎地形较多，高差起伏较大，为典型的贵州山区地形。

本次实验采用CW- 20大鹏无人机搭载尼康D810单反相机完成外业航飞任务，累积飞行一个架次。本次实验使用的大鹏无人机采用后差分定位技术和相机坐标中心改正技术，大大提高了航飞POS数据线元素的精度。航飞面积约20km2，采集影像1347张，航向重叠度在80%以上，旁向重叠度在60%以上，地面分辨率为9.8cm。影像清晰，航飞当天天气阴，光线较好。同时布设像控点20个，在测区内均匀分布。

内业空三采用Context capture center软件进行处理，该软件不同于传统的摄影测量空三软件，其引入计算机视觉技术，采用多基元、多视角影像匹配原理，通过少量的人工干预，快速、高效的获取高精度、高密度的DSM点云数据。

获得点云数据分成两种方式进行处理：一种通过RiSCAN PRO软件对点云数据进行过滤提取，针对植被茂密区域通过设立10m×10m×10m的立方体提取最低点的方式和野外调绘补测减去树高的方式结合得到关键地形点数据,通过10m×10m×10m的立方体提取最低点方式是借鉴三维激光扫描仪点云处理方式，最大限度地自动剔除植被对地形点采集的影响，但在一些植被特别密集的区域需要进行外业调绘补测得到真实地面点高程数据，从而修正对应区域的点云高程；另一方面，将点云数据导入MicroStation v8i平台采集特征地物，再将特征地物的拐点自动提取出来参与生线。

最终进行编图成图和质检输出成果。通过外业采集的均匀分布于测区的80个检查点与成果进行对比，统计得到检查点的平面中误差为0.14m，高程中误差为0.29m。参考SL 197—2013《水利水电工程测量规范》，见表1- 2。

通过表1、2可知，SL 197—2013规定的高山区1∶1000成图中的地物点平面中误差为0.8m，高程注记点中误差为0.33m，则本次实验成果满足规范要求。

表1 地形图上地物点平面位置允许中误差

注：1.水下地形点的平面位置测量允许中误差可为规定值的2倍;2.隐蔽困难地区地物丶平面位置测量允许误差可为规定值的1.5倍，但山地、高山地允许误差为图上±1.0mm;3.专业工程测量中的地形测量部分，其地形点平面位置测量允许误差应符合注1和注2的规定。

表2 高程注记点精度

注：1.h为基本等高距，m;2.山地、高山地采用10m等高距时，按5m等高距精度要求执行。

3 结论与展望

本文验证了无人机航摄点云成图在夹岩水利枢纽等工程建设中大比例尺成图的可行性。相比于传统的无人机立体成图的方式，该方法回避了无人机载荷相机镜头畸变较大、无人机姿态不稳定等问题，充分利用了计算机视觉匹配技术来解决传统摄影测量的难题，提高了无人机航测成图在以夹岩水利枢纽工程为代表的贵州山区测区的高程成图精度，提高了工作效率。

但是在植被茂密且树木高的区域，无人机航摄点云成图仍然有其局限性。测区的茂密植被覆盖越广，外业需要调绘补测的工作量越大，测绘效率越低。但随着测绘技术的日新月异，无人机机载小型三维激光扫描仪越来越安全和市场化，机载三维激光扫描仪的引入可以比较全面地解决山区茂密植被区域地面点采集的问题。在不远的将来，无人机航摄影像和机载三维激光扫描仪技术的结合会给大比例尺地形图测绘工作带来巨变。