李晓娥

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西 太原 030024）

0.引言

无人机航空摄影测量简称无人机航摄，是以无人机搭载传感器设备（数码相机）对作业区域进行航飞获取影像数据，对数据进行处理生产数字正射影像图、数字三维图，结合地面控制、外业调绘和计算机立体测绘，进行成图的一种新型测绘技术，它是对传统航空摄影测量手段中的有力补充，已广泛应用到各个领域。本文是在水利工程河道治导线规划项目中充分利用无人机航空摄影技术进行航测成图，并通过对比实地检查点计算测量精度，分析和评价无人机航空摄影测量技术在水利工程中的可行性。

1.项目概况

河道治导线遵循河道的自然演变规律及其演变趋势，本着以人为本、人与自然和谐的理念，对其进行统一规划，从而兼顾上下游以及河道两岸的需要，协调防洪、灌溉、排涝、水力发电、供水、文化景观和生态环境保护等各种关系进行的一项利国利民的工程。此次治导线长224km，流域面积为7705km2，为山区性河流，河道弯曲，水流不稳定，河床左右摆动，凹岸坍塌，岸蚀剧烈。测区地形呈狭长带状，两岸悬崖陡峭，高差较大、树木较多，通视困难，大部分河道缺少防洪设施，河流在峡谷中顺着地势绕行而下。多年平均径流量为3.2×108m3，最小年径流为0.8×108m3，最大年径流为7.5×108m3；该地属于暖温带大陆性季风气候区，具有山区气候之特点，气温日变化较大，降水量年内分配不均匀，河道内跨河建筑物和河道侵占物很多，通过治导线规划治理，建立所属范围明确、权属界限清晰、责任落实到位的河湖管理和水利工程管理责任体系，为山西省各个河湖管理以及今后河道两岸新建、续建堤防工程提供依据。

2.技术路线

本项目采用轻型固定翼无人机搭载索尼数码相机获取数字影像，获取河道及建筑物影像，根据像控成果进行空三加密，生成DSM和DOM，从而在数字摄影测量系统中建立立体模型，并采集各种地形、地物要素，在南方CASS软件环境下，进行矢量数据的编辑和整饰，最终形成数字线划图（DLG）成果。

无人机航摄系统测绘的总体技术流程（如图1所示）：

图1 总体技术流程

3.航空摄影

3.1 无人机航测

3.1.1 资料收集和方案选择

根据技术要求确定此次航测的作业范围，收集航飞区域内的地形地貌、植被、重要设施、周边机场、道路交通、城镇布局、人口密度等信息以及国家控制点、影像图资料、地形图以及气象、水文等资料，为分析、研究并制定最佳的测绘作业实施方案做准备。

3.1.2 实地勘察和方案制定

作业人员要对作业区域进行实地踏勘，根据实际情况，制定详细的飞行技术方案。无人机飞行起降场地的选择，要充分考虑飞行场地的宽度、飞行的风向、场地的净空范围、飞行通视等情况。

3.1.3 航线规划

根据飞行任务和低空数字摄影规范，结合天气、地形等各种因素，通过地面软件对航线进行设计，确定航摄比例尺，计算航间距、航行速度以及航飞高度，预估航飞架次，采用垂直升降方式起降。飞行时天气晴朗，测区能见度良好。

3.1.4 飞行检查

每次起飞之前，需仔细检查系统设备的工作状态是否正常；飞行时，保持航高、最大航高和最小航高差，不大于规范限差；飞行结束，要对旁向重叠、航向重叠等要素进行检查，不符合技术要求的产品，及时补摄、重摄；每次飞行结束要填写航飞记录表。

3.1.5 航摄基本要求

3.1.5.1 航摄分区航摄区域分为南、北、东三个区。

3.1.5.2 比例尺与影像地面分辨率的关系（如表1所示）：

表1 比例尺与影像地面分辨率的对应关系

3.1.5.3 基准面和航高确定

摄影基准面、相对航高、绝对航高按公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）计算：

式中，h基为 基准面高度；h高平均、h低平均为分区内具有代表性的高点高程和低点高程；n为高点高程或低点高程的个数；

式中，H为相对航高；M为摄影比例尺分母；F为焦距；

式中，H0为飞机摄影时的海拔高度（绝对航高）；h为基准面高度。

3.1.5.4 摄区覆盖保证

在航摄重叠范围满足主要技术要求的前提下，航向、旁向摄影范围的选取由设计软件自动向外扩展，保证满足航摄覆盖。一般航向覆盖超出摄区边界线大于2条基线，旁向覆盖超出摄区边界线大于像幅的50%。

3.1.6 航摄质量检查

航空摄影区域面积约200 km2（长224km、宽1km），无人机航飞结束后，无人机机体无损伤，飞行质量和影像质量均达标。像片重叠度：航向重叠度为63%，旁向重叠度为55%；像片倾斜角：飞行最大仰角为2.5°，最大滚转角为3.5°，不大于规范的5°；像片旋偏角：最大像片旋偏角为5°，小于规范最大像片旋偏角不大于15°。同一航线上相邻像片的航高差最大为8m，最大航高与最小航高之差为20m，小于单航线最大航高变化不大于30m和全架次最大航高变化不大于50m的要求。

3.2 像控测量

3.2.1 像控点的平面测量

平面坐标采用山西省连续运行基准网及综合服务系统（SXCORS）的网络RTK测量的方法。RTK直接接收网络信号，通过SXCORS系统解算，计算出2000国家大地坐标系坐标。像控点相对于邻近等级控制点的点位中误差均不大于图上0.1mm。

3.2.2 像控点的高程测量

高程控制采用基于大地水准面精化模型的GNSS高程测量。依据采集系统提供的BLH，经山西省测绘地理信息院CORS系统转换为1985国家高程基准，像控点高程中误差不大于1∕10等高距，依据规范《水利水电工程测量规范》表5.5.1其精度可以达到四等精度。

3.3 数据处理

利用PIX4D软件进行空三加密，生成DSM（数字表面模型）点，通过处理数字表面模型点得到数字高程模型（DEM）数据，然后利用高程模型数据对影像进行影像纠正及镶嵌，快速生成DOM。

初始影像位置及调整后位置（如图2、图3所示）：

图2 初始影像图像位置

图3 计算图像/GCP/手动调整节点位置

自动处理完成后生成空三成果、DSM和DOM初步成果，通过调整拼接、投影切换、混合影像对DOM编辑制作生成最终的正射影像成果（如图4所示）：

图4 处理完成后的最终正射影像成果

对航空摄影成果进行了质量检查，DOM影像灰度直方图基本呈正态形状分布，影像色调均衡、层次分明、反差适中，色彩不失真；镶嵌后的DOM无明显拼接痕迹、纹理清晰、过渡自然、无重影、纹理断裂或模糊等现象；DOM上的地物地貌真实，无扭曲变形，无噪声等缺陷。最终航摄资料完整，项目内容齐全，提供的摄区相应分辨率的影像数据资料，能够满足后续数字摄影测量生产使用需要。

3.4 质量和精度分析

质量和精度分析主要是对空三像控点及加密点的平面中误差和高程中误差进行分析评定。

空三像控点的平面、高程中误差计算按公式（6），误差统计结果（如表2所示）：

表2 空三像控点误差及中误差统计表

像控点平面位置中误差和高程位置中误差限差（如表3所示）：

表3 像控点平面位置中误差和高程位置中误差限差

从上述可知，此次航摄影像数据处理像控点精度均满足规范要求。

3.5 数字线划图制作

3.5.1 外业调绘

采用先内后外的作业模式，影像上清晰的地物、地貌可由内业成图时测绘，野外调绘只调绘影像不清晰和不能看到的地物、地貌，应重点调绘独立地物、岸上的航标灯、电杆、水井、水窑、窑洞、管线、道路、水系、植被、注记、新增居民地、建筑物、防洪堤、进水闸等水利专业要素等。

（1）各类图式符号的规格、尺寸、定位点、定位线及注记执行《GB-T20257.1-2017国家基本比例尺地图图式第1部分：1∶500 1∶1000 1∶2000地形图图式》相关规定。

（2）在像片上能分辨出各种地物性质的，只做数量与性质说明，位置和形状在内业立体模型上采集。

（3）航测后已变化的地物和不需要表示出来的地物，在像片上用红色“×”划去，大范围变化区域用红线圈起来，并加以说明。

（4）调绘需反映现状，对于图片模糊、地物被影像或阴影遮盖（包括无明显影像的独立地物）要到实地量取，无法量取时需实地补测。

（5）房屋调绘需标注房屋层数。

（6）正在建设或施工的区域要用范围线表示。

（7）调绘人员需在调绘图上签名，便于追溯和质量跟踪。

（8）不让作业员进入的保密单位、部队和拒测单位，用内业数据表示即可。

3.5.2 外业补测

检查各种地物、地貌的准确性、完整性和合理性，并对错误逐个剔除和更正，不完整的地物、地貌补测完整，不合理的地物、地貌修改合理。新增地物在调绘时补测，要量测到中心点或中心线位置，还需注意其方向和形状大小。

3.5.3 内业编辑

数字线划图数据编辑在CASS9.1软件下进行。经过外业调绘和补测，采用数字地形图编辑软件，对外业采集的数据进行编辑整理，内业编辑完成后进行数据自动检查和归层，回放图和外业调绘图进行对照，发现漏绘的、错绘的、表示不合理的均用红笔标出，并进行外业巡视检查，进行二次编辑修改成图。

3.5.4 无人机航摄系统大比例尺地形图成图精度评定

项目完成后，对1∶2000线划地形图（185幅）及索引图（7幅）进行了图面检查：图式符号运用正确，各要素综合取舍得当，图面清晰易读、层次分明，成果质量及精度符合规范要求。并抽取了25幅地形图进行了外业抽检，检查图幅占总图幅数的13.5%，大于规范10%的要求。

3.5.5 地形图平面精度评定

质量评定的过程中，重点对线划图平面精度、高程点注记精度进行评定。共计128个平面检查点，精度统计（如表4所示）：

表4 平面、高程检查点精度统计表

地物平面位置中误差和高程注记点高程中误差规范要求限差（如表5所示）：

表5 地物平面位置中误差和高程注记点高程中误差规范要求限差

此次无人机航测地形图测量的平面和高程中误差精度均满足1∶2000地形图的精度要求。

4.结束语

无人机航空摄影技术具有机动、灵活、操作简单、精度高、成本降低等优点，已逐渐成为测绘领域新的首选，就以该项目为例，使用该技术，大大减少了数字化测图的工作量，外业调绘量也降低65%以上，精度完全满足规范要求，改变了传统测量的工作模式，为水利工程大比例尺地形图的测绘提供了新的技术手段。